新能源汽车新型混合励磁驱动电机的优化设计

韦富艺　姚世兴　吕俊标　吴茂军

摘 要：本文提出了一种新的混合励磁驱动电机（HEDM），电机的转子部分由组合磁极永磁转子和无刷电爪转子组成，建立等效磁路模型，计算爪极转子的空载泄漏系数，对电机结构进行有限元分析和样机试验，验证了新型HEDM作为车载电机的合理性和可行性，为新能源汽车驱动电机领域的应用提供了可能。

关键词：混合励磁驱动电机 双转子

1 引言

由于永磁体材料的固有特性，永磁体电机的气隙磁场保持恒定且无法调整，这限制了其在宽速度控制驱动系统中的使用[1]。通过控制系统控制电机速度的成本高，速度范围小[2]。混合磁路驱动电机不仅具有永磁电机高功率密度和高效率的优点，而且具有电励磁电机气隙磁场平滑可调的特点[3]。与其他类型的同步电机相比，新型的混合励磁绕线同步电动机结构简单，转矩大，因此对逆变器和控制策略的要求更高。为了使新型混合励磁驱动电机具有良好的磁场调节能力[4]，本文提出了一种新型的混合励磁驱动电机。

2 HEDM的结构和磁路分析

永磁电机具有高功率密度和高效率，但永磁磁场是不可调节的，并且控制系统很复杂。电励磁电机易于控制，输出转矩可以控制，但励磁损耗高，效率低[5]。本文介绍了一种具有永磁体和电磁组合的三相混合励磁同步驱动电机。

2.1 电机结构

用于新能源汽车的HEDM由定子和转子组成。转子部分由无刷电励磁爪极转子和组合磁极永磁转子组成。

2.2 HEDM的磁路分析

混合励磁驱动电机为并联磁势源结构，其主磁路分为组合磁极永磁电路和无刷电励磁磁路两部分。两个磁路共用一个定子，彼此独立。合成磁路是叠加在定子上的矢量，通过改变励磁电流的大小和方向来改变合成磁场的大小。混合励磁驱动电机的输出转矩可以通过改变励磁电流来调节。

2.2.1 组合磁极永磁转子磁路分析

本文采用传统的单径向永磁钢结构作为比较，传统切向结构的有效磁通是单一路径，组合磁极结构的有效流量由两个平行路径组成，弥补了气隙磁密度波形凹陷的问题。

由图1可知，两个磁路并联，使用径向永磁钢作为辅助磁极，带来了更多的磁场容量，改善了切向磁场引起的气隙磁场凹陷问题，提高了集磁能力，并且进一步优化气隙磁密度波形的正弦性。

Fmt和Fmc是切向永磁钢和径向永磁钢产生的磁动势，Gmt和Gmc是切向永磁钢与径向永磁体钢的等效内导磁率，Gδt是切向永久磁钢外端和内端的漏磁电导，Gδc是径向永磁钢左右两端的漏磁电导，Gr1和Gr2是有效磁路I和有效磁路II的转子铁芯的导磁率，Grp是相邻两个径向永磁铁无效磁路II之间的转子铁芯导磁率，Gair是主气隙磁导率，G1是组合磁极永磁电机定子齿和定子磁轭的磁导率，Fd1是电机空载状态下电枢反作用直轴下的磁动势，Φpmt和Φpmc是切向永磁钢和径向永磁钢产生的磁通，Φδt和Φδc是切向和径向永磁钢产生的泄漏流量，Φδ1是有效磁路I和有效磁路II的有效主流量。

2.2.2 爪极转子磁路分析

正向电励磁电流路径是由电励磁线圈感应的N极→励磁支架→爪杆→主气隙→定子齿→定子轭→定子齿→主气隙→爪极根→变化→S极由电励磁线圈感应，形成一个完整的闭环。由图2可知，并联爪极转子的连接使合成磁场的尺寸不再单一，这使电机在多种工作条件下更适合汽车的环境。

其中，Fe是爪形电励磁绕组产生的磁动势，Gm是爪极电励磁绕组的等效内部磁导率，Fd2是爪极磁励磁绕组的电枢反作用产生的感应电动势，Gδn是电励磁爪极磁轭的磁导率，Gpf是磁通量的磁导率，Gpt是爪极齿的磁导率，Gpn是与磁通量相反的励磁支架的磁导率，G2是磁通量路径2中的漏电导，G3是磁通量通路3中的漏电导。G4是磁通量通道4中的漏导，G5是磁通量程径5中的漏导电，Gair是主气隙的磁导率，G1是无刷电励磁爪极电机定子齿和定子轭的磁导率，Φm是爪极电励磁绕组产生的磁通，Φδ1是磁路1的主磁通，ΦΔ2是漏电流通路2，Φδ3是漏电流路径3，Φδ4是泄漏流路径4，Φδ5是泄漏流通道5。根据无刷电励磁爪极电机的等效磁路，可以建立以下关系：

（1）

HEDM的无刷电励磁磁场的空载泄漏系数表示为：

（2）

基于上述分析和解决方案，可以获得无刷电励磁磁场的空载泄漏系数，见下式（3）

爪极参数的优化可以减少电机的漏磁，提高电机的气隙流量密度，提高电机输出性能。

3 仿真分析與样机实验

3.1 HEDM仿真分析

3.1.1 组合磁极永磁转子仿真分析

通过有限元分析获得的电机磁力线的方向与磁路分析中的路径一致。主磁极的切向磁场和辅助磁极的径向磁场平行穿过气隙，避免了电枢反应引起的磁极不可逆退磁问题。锚式磁栅解决了主磁极轴侧端部漏磁的问题，转子的磁通饱和提高了永磁体的利用率，并验证了组合磁极的集磁效应。

优化前基波振幅为25.38V，优化后基波振幅为31.03V，提高了15.2%。三次谐波从10.93V降低到1.06V，将反电势的畸变率从43.89%降低到4.29%，下降了39.6%。这表明优化的结构参数对改善反电势有显著作用。

优化后的最大齿槽转矩从754.61mN·m降低到241.94mN·m。优化前输出扭矩波动很大，其扭矩波动系数为39.1%。优化后扭矩波动系数降至4.8%，下降34.3%。此外，优化后的平均扭矩从10.18 N·m增加到12.91 N·m，增加21.15%，验证了优化方法的正确性。因此，合理优化组合式永磁转子的磁屏障结构参数，可以极大地改变HEDM的电磁特性，从而提高驱动电机的运行性能。

3.1.2 无刷电励磁爪极转子仿真分析

激励电流激发的轴向磁场通过爪极结构转变为径向磁场。到达主气隙后，通过定子返回主气隙，到达爪极，形成完整的闭合回路。

优化后的爪极的气隙磁密度更加均匀，气隙磁强度波形凹陷减少，气隙密度峰值增加。然而，由于爪极电机的结构特点，仍然存在一些泄漏情况。虽然爪极电机的效率相对较低，但磁场调节方便，验证了无刷励磁电机结构设计的合理性。

3.2 HEDM原型实验

3.2.1 齿槽转矩试验

为了分析仿真结果的正确性和合理性，制作了样机进行实验验证。电动机的每个旋转周期对应于48个正峰值和48个定子齿。图3显示齿槽转矩最大值为236 mN·m，略小于模拟值。齿槽转矩测试结果小于有限元模拟数据的原因不是测试仪器误差大，而是有限元模拟的理想条件。实际样机永磁强度小于模拟值，导致样机永磁转子齿槽转矩试验结果较小，但误差在允许范围内。

3.2.2 输出转矩性能试验

为了测试HEDM的磁调制能力，使用测功机测试测试原型，当电机转速为3000r/min，励磁电流为2A时，HEDM的输出转矩约为16N·m。输出转矩随正向励磁电流的增大而增大，验证了HEDM具有一定的磁调制能力。

为了获得HEDM在不同特征点下的输出性能，对电机的不同特征点进行了实验测试。图3中的横坐标分别表示表1中的各种特征点。HEDM的额定转矩可达15.8 N·m，最大效率可达90.1%。该电机具有良好的输出特性，可以满足新能源汽车低速、高速和恒功率的要求。

4 结论

本文提出了适用于新能源汽车的新型HEDM，采用组合式磁极永磁转子和无刷电动爪极转子并排共用一个定子的结构，并分别建立了永磁转子和爪极转子的等效磁路模型。新型径向永磁钢和切向永磁钢的组合提供了平行的磁流。与单一径向PM钢相比，流量泄漏减少，主流量增加。

极面偏心对空载反电势的畸变率影响最大，焊接槽半径对齿槽转矩影响最大，锚式磁屏障的宽度和锚式磁屏蔽齿的半径对平均转矩影响最大。与优化前的性能相比，齿槽转矩降低了67.94%，空载反电动势畸变率降低了39.6%，平均转矩提高了21.15%，转矩系数降低了34.3%。

参考文献：

[1]张卓然，王东，花为.混合励磁电机结构原理、设计与运行控制技术综述及展望[J]. 中國电机工程学报，2020.

[2]邢立华，王雷，曹清，宋玉晶.混合励磁无刷爪极发电机的仿真与实验[J]. 导航与控制，2023.

[3]曹江华，曾炳森，杨向宇，邱小华.混合励磁型多自由度球形电机的偏转分析[J]. 华南理工大学学报（自然科学版），2023.

[4]杜怿，康柯柯，肖凤，朱孝勇，姚新元，张超，全力.基于铁耗占比的混合励磁电机速度分区损耗最小控制策略[J]. 中国电机工程学报，2022.

[5]李优新，王鸿贵，何鸿肃，刘方铭，姚震.混合励磁无刷电机的调磁原理与实现方法[J]. 机电工程技术，2003（04）.