电动汽车混合永磁辅助磁阻同步电机研究

李新华,刘光华,崔舜宇,马霁旻

(湖北工业大学，武汉 430068)

电动汽车混合永磁辅助磁阻同步电机研究

李新华,刘光华,崔舜宇,马霁旻

(湖北工业大学，武汉 430068)

摘 要：针对铁氧体永磁辅助式同步磁阻电机可能出现的不可逆退磁问题，研究了电动汽车驱动用铁氧体和钕铁硼混合永磁辅助磁阻同步电机。用有限元方法研究了混合永磁辅助磁阻同步电机的转子结构，包括磁钢槽形状和相关尺寸的优化，重点研究电机峰值工况下铁氧体的不可逆退磁问题，并与其他电机做了比较分析。研究结果表明，混合永磁电机与铁氧体电机成本接近，但转矩脉动率小，并较好地解决了铁氧体永磁材料的不可逆退磁问题。

关键词：电动汽车;混合永磁辅助磁阻同步电机;转子优化;转矩能力;不可逆退磁

0 引 言

电动汽车驱动用铁氧体永磁辅助式同步磁阻电机(以下简称铁氧体电机)因其性价比高、热稳定性好、调速范围宽以及没有过压风险，引起了人们的关注[1-3]。然而由于铁氧体永磁材料内禀矫顽力不高，铁氧体电机抗电枢反应能力较低，加上电动汽车驱动电机存在过载工况，在大电枢电流下可能出现不可逆退磁风险[4-9]。

近年来国外许多学者对铁氧体电机的退磁问题进行了研究。文献[7]研究了铁氧体电机三层“U”字形转子结构，在2.2倍过载电流时,磁钢发生了少量不可逆退磁，3倍过载时退磁区域占磁钢充磁表面积的10%。文献[8]研究了铁氧体电机三层“月”字形转子结构的退磁情况，分析了磁钢不同充磁方向厚度、弧长以及隔磁结构形状等参数对去磁能力的影响，但在2.5倍过载时，磁钢发生了不可逆退磁，3倍过载时退磁区域达到8 %。文献[9]研究了铁氧体电机仅在d轴放置磁钢的四层转子结构，在提高铁氧体永磁材料性能参数(采用高牌号磁钢)时才可以避免铁氧体出现退磁。文献[10]研究了一种采用铁氧体和钕铁硼混合永磁结构的同步电机，提出了一种避免不可逆退磁现象发生的方法，但是钕铁硼用量较多，性价比不高。文献[11]讨论了两层转子结构的混合永磁同步电机，即“一”字形和“月”字形结构，该电机钕铁硼用量明显小于文献[10]，但没有讨论峰值工况下铁氧体的退磁问题。

针对铁氧体电机可能出现的不可逆退磁问题，本文研究了电动汽车驱动用60 kW铁氧体和钕铁硼混合永磁辅助磁阻同步电机(以下简称混合永磁电机)。采用有限元方法研究了混合永磁电机的转子结构，包括磁钢槽形状和相关尺寸及优化，重点研究电机峰值工况下铁氧体的不可逆退磁问题，并与其他电机做了比较。研究结果表明，混合永磁电机与铁氧体电机成本接近，但转矩脉动率小，并较好地解决了铁氧体永磁材料的不可逆退磁问题。

1 转子结构

本文研究的60 kW混合永磁电机的主要技术数据如表1所示。

表1 混合永磁电机的主要技术数据

与铁氧体电机相同，混合永磁电机的转子结构与电机的转矩能力、磁钢用量以及可逆退磁等密切相关。下面讨论2种典型的混合永磁电机转子结构，一种是上层“一”字形钕铁硼磁钢，下层“月”字形铁氧体磁钢(以下简称“月”形槽电机)；另一种是上层“一”字形钕铁硼磁钢，下层“U”字形铁氧体磁钢槽(以下简称“U”形槽电机)。图1是2种混合永磁电机的仿真模型，表2为2种混合永磁电机的仿真结果。

(a) “月”形槽电机

(b) “U”形槽电机

“月”形槽电机“U”形槽电机空载磁场基波幅值B/T0.480.55畸变率THD/%39.028.5空载电动势基波有效值u/V83.695.0畸变率THD/%21.516.3额定工况电流i/A132132转矩脉动率ΔT/%6.78.5峰值工况电流i/A302298转矩脉动率ΔT/%5.46.3磁阻转矩占比KT/%65.358.1

从表2可以看出，2种转子结构混合永磁电机的转矩能力相当，但“月”形槽电机的转矩脉动率和磁阻转矩占比略好于“U”形槽电机。下面重点讨论2种转子结构混合永磁电机峰值工况铁氧体磁钢的退磁问题。图2是2种转子结构混合永磁电机磁场仿真云图，图3是FB9B牌号铁氧体的退磁曲线，图4是磁钢退磁率与电流过载倍数之间的关系曲线。

(a) “月”形槽电机

(b) “U”形槽电机

图3 FB9B牌号铁氧体的退磁曲线

图4 退磁率与电流过载倍数关系曲线

图3中,FB9B牌号铁氧体低温-60 ℃和-20 ℃时的退磁曲线在第二象限出现了转折点，电动汽车用混合永磁电机通常要考察-20 ℃时铁氧体磁钢的不可逆退磁。FB9B在-20 ℃时退磁转折点为0.087 T，磁密云图最大磁密设置为0.087 T时磁钢非灰色区域为退磁区域。可见在图2(a)中铁氧体退磁区域较小，而在图2(b)中铁氧体则没有发生退磁。若电机出现3倍过载电流时，“U”形槽电机铁氧体退磁区域占55%，而“月”形槽电机仅有1.2%。综合转矩性能和磁钢安全考虑，“月”形槽电机是电动汽车混合永磁电机一个较好的选择。

2 转子结构优化

转子结构优化主要是指磁钢尺寸和在铁心中位置的优化。优化的原则和目标是在保证磁钢安全的前提下减小磁钢用量，降低转矩脉动率。

图5是转子槽内磁钢和位置尺寸示意图。上层槽内为钕铁硼，径向充磁方向厚度为H1，切向宽度为W1，与转子外圆的距离为D1；下层槽内为铁氧体，径向充磁方向最大厚度为H2。优化过程中当讨论H1变化对转矩脉动率和峰值电流影响时，其他变量一定，其余类似。磁钢和位置尺寸优化关系曲线如图6所示。优化过程中要保证磁钢不发生不可逆退磁现象。

图5 磁钢和位置尺寸

由图6(a)可以看出，钕铁硼磁钢厚度增加，转矩脉动率上升，其原因是随着磁钢厚度的增加，磁阻也增加，齿槽转矩变大所致。从图6(b)、图6(c)、图6(d)可知，当W1，H2和D1为某一个值时转矩脉动率较低，如钕铁硼切向宽度W1=22 mm，转矩脉动率最低。综合考虑制造成本与电机性能，转子优化前后尺寸及性能如表3所示。优化后比优化前钕铁硼磁钢用量减少了25%，铁氧体磁钢用量不变，且由于钕铁硼磁钢用量的减少，峰值电流有所增加，但幅度不大；额定和峰值转矩脉动率略有减少。

(a) 钕铁硼磁钢径向厚度

(b) 钕铁硼磁钢切向宽度

(c) 铁氧体磁钢径向厚度

(d) 钕铁硼磁钢深度

优化前优化后额定工况峰值电流i/A132134转矩脉动率ΔT/%6.76.4峰值工况峰值电流i/A302309转矩脉动率ΔT/%5.44.1钕铁硼H1/mm43W1/mm2222D1/mm54铁氧体H2/mm1212

3 比较分析

下面将混合永磁电机与铁氧体电机、少钕铁硼电机就性价比方面进行比较。少钕铁硼电机实际上是一种采用钕铁硼永磁材料的永磁辅助式磁阻同步电机，这种电机既避免了铁氧体电机可能出现的退磁风险，又减小了磁钢用量，比内置式钕铁硼永磁同步电机性价比有所提高，宝马i3、丰田普锐斯所采用的新一代驱动电机便是少钕铁硼电机。

为了便于比较，分别设计了混合永磁电机、铁氧体电机和少钕铁硼电机3种 60 kW电动汽车驱动电机，极槽配合都选择6极45槽，转子结构如图7所示。图7(b)的少钕铁硼电机也算是一种多层转子结构，通过提高磁阻转矩来降低钕铁硼磁钢用量，这里采用宝马i3转子结构。3种永磁电机的性能仿真结果和成本估算如表4所示。

(a) 铁氧体电机

(b) 少钕铁硼电机

(c) 混合永磁电机

参数铁氧体电机少钕铁硼电机混合永磁电机铁心轴向长l/mm315290290额定工况峰值电流i/A132132132转矩脉动率ΔT/%8.09.86.4铁心损耗pFe/kW0.380.330.37铜耗pCu/kW1.431.351.35效率η/%97.097.397.2峰值工况峰值电流i/A292301309转矩脉动率ΔT/%8.110.64.1磁阻转矩占比KT/%72.150.164.7峰值退磁占比Kp/%第二层19.400铁心损耗pFe/kW0.460.410.46铜耗pCu/kW6.987.017.39效率η/%94.294.293.9材料质量m/kg定转子铁心158.4145.8145.8漆包线212020钕铁硼03.50.9铁氧体8.906.2估计材料成本/元定转子铁心951875875漆包线1 0501 0001 000钕铁硼01 750450铁氧体7120496估计总成本2 7133 6252 821

由表4可以发现，少钕铁硼电机和混合永磁电机铁心轴向长度相同，铁氧体电机略有增加；3种电机的额定效率都可以达到97%，但混合永磁电机的转矩脉动率是最低的，铁氧体电机次之，少钕铁硼电机最大；少钕铁硼电机和混合永磁电机都没有出现不可逆退磁现象，而铁氧体电机在峰值情况下铁氧体发生了不可逆退磁，退磁率达19.4%，这表明铁氧体电机需要使用更高牌号的磁钢才可以避免峰值工况下发生不可逆退磁。

另一方面，少钕铁硼电机有效材料成本最高，混合永磁电机和铁氧体电机相差不大,但铁氧体电机为多层转子结构，在工艺上比单层或双层更加复杂，

制造成本会更高，并且为了解决铁氧体不可逆退磁问题会用到更高牌号的铁氧体，增加材料成本。因此综合电机性能和成本考量，混合永磁电机还是具有一定的竞争优势的。

4 结 语

1) 混合永磁电机的转子磁钢尺寸、形状和布局对转矩能力、性能以及磁钢安全性密切相关。“月”形槽电机虽然在峰值电流上略大于“U”形槽电机，但其抗不可逆退磁能力强，转矩脉动率低，磁阻转矩利用率高，整体要优于“U”形槽电机。

2) 与少钕铁硼电机和铁氧体电机相比，混合永磁电机不仅能避免铁氧体发生不可逆退磁，而且转矩脉动率和材料成本也较低，在电动汽车驱动用电机中具有一定的竞争优势。

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ResearchonHybridPermanentMagnetAssistedSynchronousReluctanceMotorforElectricVehicle

LIXin-hua,LIUGuang-hua,CUIShun-yu,MAJi-min

(Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China)

Abstract:In view of the possible irreversible demagnetization problem of ferrite permanent magnet-assisted synchronous reluctance motor, ferrite and NdFeB hybrid permanent magnet assisted synchronous reluctance for electric vehicle was studied. The rotor structure of hybrid permanent magnet assisted synchronous reluctance motor was discussed by finite element method, including the optimization of the shape and the relative size of the magnetic steel groove, irreversible demagnetization of ferrite under the peak condition was studied and made the comparative analysis with other motors. The results show that the cost of the hybrid permanent magnet motor was closed to that of the ferrite, but the torque ripple rate was low, and the irreversible demagnetization problem of the ferrite permanent magnet material is well solved.

Key words：electric vehicles; hybrid permanent magnet assisted synchronous reluctance motors; rotor optimization; torque capability; irreversible demagnetization

中图分类号：TM351；TM352

A

1004-7018(2018)05-0006-03

2017-08-23