汽车|混合式磁钢转子结构的电动车用永磁磁阻电机优化设计( 三 )
2 “V”形磁钢切向混合比例研究
混合磁钢转子电机HM2和HM3的稀土永磁材料用量大幅降低 ， 但作为电动车用驱动电机 ， HM2和HM3在转矩和转矩脉动性能上仍存在不足 。 主要原因在于两种混合磁钢转子电机“V”形磁钢两侧使用了磁性能较差的铁氧体材料 ， 电机磁路的饱和程度不高 ， 因此铁氧体材料发出的磁力线大部分汇入了径向钕铁硼材料的磁路 ， 只有很少磁力线经过钕铁硼和铁氧体之间的转子气隙 ， 空载气隙磁场畸变非常严重 ， 进而会加重负载气隙磁密畸变 ， 电机运行时谐波增多 。 本节将用钕铁硼材料替换两块永磁体当中的部分铁氧体 ， 如图7所示 ， 形成切向混合磁钢电机 。 其中钕铁硼含量用 X%表示 ， 此方案不仅可以减小气隙磁场畸变、抑制谐波和转矩脉动 ， 还能增加空载反电动势的基波幅值 ， 提高电机转矩的输出能力 ， 综合考虑成本后择优选取 。 同时考虑到切向混合式电机两块“V”形磁极位置对电机性能参数有着重要影响 ， 定义一边磁极到电机 Q轴距离为 P 。 借助有限元计算软件JMAG 分别对以下各有限元模型进行空载和额定负载下的仿真 。
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图7 切向混合磁钢转子永磁电机HM2设计示意图
2.1 切向混合式磁钢位置P优化
首先确定“V”形磁钢位置 ， 选取变量 P为2mm、4 mm、6 mm、8 mm 。 初步选定切向混合磁钢电机钕铁硼比例 X%为40% 。
如图8所示 ， 在采用切向混合磁钢结构后 ， 两种电机空载反电动势大幅提升 ， 且 THD显著降低 ， 证实该方案有效性 。 且两种电机均在 P为6 mm处达到 THD最低值 ， 转矩脉动此时也同样达到了最小 ， 表明位置参数 P=6 mm时抑制谐波效果最佳 。 同时 P=6 mm 时切向混合电机的平均转矩接近最大值 。 故位置参数 P选取6 mm ， 此时电机性能达到了最优 。
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(a) 切向HM2
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(b) 切向HM3
图8 切向混合磁钢电机在不同P值下性能参数
2.2 切向混合磁钢转子钕铁硼用量比例优化
切向钕铁硼含量 X%的不同将很大程度地影响永磁体成本以及转矩等性能指标 。 选取钕铁硼含量合理变化范围在20%～60%之间 。 其中位置参数 P=6 mm ， 其余参数均不变 。
图9中随着 X%的增大 ， 切向永磁体中钕铁硼的用量随之增加 ， 空载气隙磁密的基波幅值呈上升趋势；空载反电动势 THD随 X%值提升而逐渐下降 ， 且趋势趋于平缓 ， 表明切向混合磁钢结构中 X%参数在一定范围(40%)内对空载谐波有显著的削弱作用 。X%过大时 ， 直轴磁路饱和程度变大 ， 对谐波含量的抑制作用也减弱 。 同时切向HM2和切向HM3电机随着 X%值的增大 ， 额定点的平均转矩均呈现逐渐上升的趋势；考虑到磁阻转矩的占比较大和齿槽转矩的影响 ， 额定点转矩脉动的变化趋势为先大幅降低 ， 而后小幅度升高 。 切向混合HM2在 X%=30%转矩脉动达到最低 ， 切向混合HM3则在 X%=40%时转矩脉动达到最低 。
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