少稀土组合励磁永磁无刷电机设计与分析

2023年11月24日发(作者：奔腾t77官网)

少稀土组合励磁永磁无刷电机设计与分析

吴伟强;朱孝勇;项子旋;全力

【摘 要】基于采用稀土永磁和非稀土永磁组合励磁的磁钢结构,提出了一种并联磁

路型的少稀土组合励磁永磁无刷电机.介绍了该电机的拓扑结构及运行原理,并在此

基础上结合电机功率尺寸方程和励磁源等效方法,给出了电机的初始设计方法并优

化确定了相关的设计参数.利用有限元方法深入分析了电机在空载和额定负载条件

下的电磁性能.加工了l台5 kW样机,搭建试验平台进行了相关的试验,结果表明了

该电机拓扑结构和优化设计方法的有效性.

【期刊名称】《电机与控制应用》

【年(卷),期】2018(045)009

【总页数】6页(P73-78)

【关键词】少稀土;组合励磁;永磁无刷电机;有限元分析

【作 者】吴伟强;朱孝勇;项子旋;全力

【作者单位】江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013;江苏大学电气信息工

程学院,江苏镇江212013;江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013;江苏大学

电气信息工程学院,江苏镇江212013

【正文语种】中 文

【中图分类】TM302

0 引 言

为了满足电动汽车驱动电机所需的高转矩密度、高效率和高可靠性等要求，采用稀

土永磁材料的永磁无刷电机(Permanent Magnet Brushless Motor，PMBLM)在

电动汽车上获得了广泛应用。然而，稀土永磁材料(如钕铁硼)随着市场垄断和过量

消耗，其价格变动和不稳定的供应链对稀土PMBLM增加了潜在的应用风险[1-4]。

为了减缓稀土永磁材料的消耗，国内外研究学者对感应电机和开关磁阻电机应用于

电动汽车上的可行性进行了大量研究工作[5-8]。例如美国特斯拉Model S上的感

应电机采用铜心转子获得了较高的性能，但也使电机的加工制造技术难度增加，导

致成本上升。对于开关磁阻电机，其较大的转矩脉动也在一定程度上限制了该类电

机在电动汽车上的广泛应用。另一方面，一些研究学者将目光转向了采用非稀土永

磁材料(如铁氧体)的PMBLM。文献[9]提出了一种轮辐式铁氧体PMBLM，通过采

用大量非稀土铁氧体材料并结合聚磁作用来提升转矩密度。文献[10]系统比较了铁

氧体PMBLM和丰田普锐斯电机的平均转矩和最大功率等性能。为了克服非稀土

铁氧体低剩磁的缺点，文献[11]提出了一种轴向磁通盘式转子永磁电机来提高转矩

密度与改善抗去磁能力。一般而言，非稀土铁氧体永磁电机的转矩密度和功率密度

偏低，通常需要采用一些特殊设计来提升电机性能，从而使其能与稀土永磁电机相

近。

近年来，一种新的少稀土组合励磁PMBLM成为了研究热点[12-14]。该类电机采

用稀土永磁和非稀土永磁2种材料共同励磁的方式，减少了稀土永磁材料的用量。

由于不同的永磁材料用量和相对位置等对该类电机的性能有显著影响，因此，通过

系统地优化设计了一种少稀土组合励磁PMBLM，使其驱动性能不仅能满足高转矩

密度等要求而且能有效降低稀土永磁用量，具有较大的挑战性。

本文的主要目的为设计一种并联主磁路结构的少稀土组合励磁PMBLM，其主要特

点是转子磁钢采用稀土永磁和非稀土永磁共同励磁。文中首先讨论了该电机的拓扑

结构与运行原理，然后对其参数进行优化设计并详细分析了电机的磁场分布、反电

波势波形、转矩等电磁性能。最后，制造了1台试验样机，进行了电机性能的试

验分析，验证了该电机设计方法的有效性。

1 电机结构与工作原理

1. 1 电机拓扑结构

图1所示为少稀土组合励磁PMBLM的拓扑结构图。该电机采用12槽10极的极

槽配合，定子绕组采用模块化分数槽集中式绕组。转子磁钢采用稀土钕铁硼和非稀

土铁氧体两种永磁材料作为励磁源共同励磁，其中钕铁硼永磁磁钢采用V型聚磁

结构，铁氧体永磁磁钢采用轮辐状结构。这两种永磁磁钢均采用交替切向充磁方式，

从而实现两种永磁磁钢主磁路的并联。对于磁钢结构而言，一方面采用稀土永磁磁

钢与铁氧体端部直接相连的结构，有效省略了两种永磁磁钢连接处的隔磁措施，降

低了电机加工制造的难度；另一方面，采用稀土永磁磁钢在外、非稀土铁氧体磁钢

在内的转子结构布局，可充分利用电机的内部空间，有效地增加铁氧体的用量，使

得电机的转矩输出能力提高。此外，通过在电机转子外表面上开槽的方式，有效过

滤了部分低次谐波，降低电机的定位力矩。

图1 少稀土组合励磁PMBLM的拓扑结构

1. 2 电机工作原理

图2所示为电机的磁力线示意图，转子磁钢的充磁方向也在图中标出。可以看出，

该电机磁路结构与传统稀土PMBLM相似，都由转子磁钢向气隙提供有效磁通，

通过定子形成磁通回路。但该电机由于采用稀土永磁和非稀土永磁共同励磁的并联

主磁路结构，因此磁路不仅包含稀土永磁所产生的有效磁通，也包含非稀土永磁所

产生的有效磁通。另外，该电机特殊的磁钢结构使得少数的磁通回路会通过两种永

磁材料形成串联磁路，对非稀土永磁材料的抗去磁能力有一定的提升。

图2 电机空载磁力线分布

2 电机优化设计

2. 1 电机基本设计尺寸

由于少稀土组合励磁PMBLM与单一永磁励磁的稀土永磁电机基础结构上的相似

性，其基本运行原理和电机基本设计理论仍与稀土永磁电机设计理论是相似的[15]。

随着多励磁源的引入，使得电机的设计方法与稀土永磁电机设计理论有一定的区别。

根据永磁电机的基本尺寸方程，少稀土组合励磁PMBLM尺寸方程可表示为

(1)

式中： Di1——电机定子内径；

L——电机轴长；

P——电机额定功率；

kw、σ——绕组因数和漏磁系数；

αi——极弧系数；

n——电机额定转速；

A——电负荷；

Bδ——气隙磁密基波幅值，与稀土钕铁硼和非稀土铁氧体的磁钢工作点密切相关。

对于少稀土组合励磁永磁电机而言，其定子结构的设计可采用稀土永磁电机的设计

方法。从转子来看，由于转子磁钢采用组合永磁材料励磁的形式作为励磁源，从能

量交换的角度来看其与单一永磁材料励磁源的作用一致，因此可根据励磁源等效原

则来分析该类永磁电机。为便于说明，相关的转子设计参数如图3所示。假设稀

土钕铁硼和非稀土铁氧体的磁钢工作点分别为BmR和BmF，则该电机每极下的

磁通为

Φδ=σ(BmR·wRL+BmF·wFL)

(2)

式中： wR、wF——稀土钕铁硼和非稀土铁氧体的宽度。

图3 转子参数化模型

由于该电机结构上采用并联磁路结构，其稀土钕铁硼和非稀土铁氧体的磁动势理论

上应相等，因此可得

Fm=HmR·2hR=HmF·hF=

(3)

式中： HmR、hR——稀土钕铁硼的磁场强度和厚度；

HmF、hF——非稀土铁氧体的磁场强度和厚度；

BrR、BrF——稀土钕铁硼和非稀土铁氧体的剩磁；

μ0——真空磁导率；

μR、μF——稀土钕铁硼和非稀土铁氧体的相对磁导率。

综上可知，该电机的磁通和磁通势与永磁材料的工作点和尺寸密切相关，从而影响

其电磁性能。但在实际设计过程中,两种永磁材料之间也会由于尺寸和相对位置等

引起耦合作用，对永磁材料工作点有一定的影响，从而影响其电磁性能。因此，为

了使少稀土组合励磁永磁电机获得相对较优的电磁性能，需要合理地设计两种永磁

材料的用量、尺寸及相关参数。

2. 2 电机参数优化

电动汽车是该类电机潜在的应用背景。考虑到频繁的加减速和爬坡工况，需要将输

出转矩作为一个基本的优化目标。另外，为了提升稳定性和舒适性，转矩脉动和定

位力矩也作为优化目标。该电机主要的优化参数如图3所示，包括稀土永磁宽度

和厚度、非稀土永磁宽度和厚度及转子槽开口等。

为了快速有效地确定该电机相应的设计参数，采用单参数扫描法获得合适的参数值

使电机的电磁性能能够满足要求。本文以稀土钕铁硼和非稀土铁氧体永磁厚度对电

机输出转矩、转矩脉动及定位力矩的影响为例进行分析，其结果分别如图4、图5

所示。从图4中可以看出，随着稀土永磁厚度的增加，输出转矩基本线性增加，

转矩脉动总体上有所下降，定位力矩变化趋势与之相反。综合权衡转矩性能的指标，

选取稀土永磁厚度为2.8 mm。从图5可以看出，随着非稀土永磁厚度的增加，输

出转矩先增加后略微减小，转矩脉动和定位力矩总体上有下降的趋势，因此，选取

非稀土永磁厚度为14 mm。

图4 稀土永磁厚度对转矩性能的影响

图5 非稀土永磁厚度对转矩性能的影响

通过单参数扫描法对其他参数也进行了类似的优化并确定相应的参数值，最终可以

确定所设计的少稀土组合励磁PMBLM的关键尺寸参数的设计值，如表1所示。

表1 电机结构参数参数名称设计值参数名称设计值额定功率P/kW5稀土永磁厚度

hR/mm2.8额定转速n/(r·min-1)1 200稀土永磁宽度wR/mm11额定转矩

/(N·m)40非稀土永磁厚度hF/mm14定子极数ps12非稀土永磁宽度wF/mm30

转子极数pr10转子槽开口角度βs/(°)4定子外径Di/mm200转子槽高度

hs/mm2定子内径Di1/mm121定子轭宽wsy/mm8转子外径Dr1/mm120定子

齿宽wst/mm16转子内径Dr2/mm29电机轴长L/mm68气隙g/mm0.5每相每

槽绕组匝数Ns24

2. 3 电磁性能分析

在对电机进行优化并确定其结构尺寸参数后，利用有限元分析方法对该电机的电磁

性能进行深入分析。

首先分析了该电机在空载条件下的空载磁场特性。图6所示为该电机在空载条件

下的磁通密度云图。从图6中可以看出，该电机转子上的局部位置出现了轻微饱

和现象，但是转子总体和定子齿部等处磁密基本不超过1.5 T，表明该电机空载磁

场分布基本合理。图7所示为该电机的气隙磁密变化波形，可知气隙磁密的峰值

达到约1.1 T，与稀土永磁电机的气隙磁密相近。为了进一步反映该电机的空载特

性，对空载反电动势波形进行仿真分析，其波形如图8所示。从图8可知，空载

反电动势三相对称且幅值相等，峰值达到107 V。

图6 电机磁通密度云图

图7 气隙磁密波形

图8 三相空载反电动势波形

然后分析了该电机在额定负载下的电磁性能。当电枢绕组加入峰值为40 A的额定

正弦电流时，该电机的输出转矩性能如图9所示。从图9可以看出，该电机能够

输出的平均转矩为40.2 N·m，转矩脉动为5.7%。此外，定位力矩为0.43 N·m。

图10所示为该电机在额定负载下永磁磁钢工作点在1个电周期内的变化波形。从

图10可以看出两种永磁材料的工作点变化规律相似。稀土钕铁硼的工作点在

0.78～0.97 T波动，总体相对较高，因此该电机的稀土钕铁硼永磁有较高的利用

率。非稀土铁氧体的工作点在0.22～0.29 T波动，仍然大于铁氧体永磁的退磁拐

点(0.2 T)，表明该电机能够合理利用大量非稀土铁氧体永磁材料。

图9 电机输出转矩与定位力矩波形

图10 稀土永磁和非稀土永磁工作点波形

3 试验验证

为了进一步验证该永磁电机结构设计的合理性，研制加工了1台额定功率为5 kW

的样机，并进行了相关的试验验证。电机的硅钢片和样机如图11所示。相应的试

验台架由电机、动态转矩转速传感器及磁粉制动器等构成。

图11 电机的硅钢片和样机

考虑到电机空载反电动势能直观表明电机理论仿真和试验结果的差异性，因此对该

电机的空载反电动势进行了测试。图12所示为电机在转速为750 r/min时的三相

空载反电动势试验波形。从图12可以看出，其反电动势波形与图8中的有限元仿

真结果保持一致，且三相幅值相等，相位上严格依次相差120°。由于端部效应、

永磁材料理论和实际的差异、电机装配工艺等影响，理论仿真的空载反电动势值与

实测值之间存在一定的误差，但总体来说，理论仿真结果和实测电机反电动势仍具

有较高的一致性。

图12 电机实测空载反电动势波形

4 结 语

本文提出了一种新型少稀土组合励磁PMBLM。该电机转子磁钢采用稀土钕铁硼和

非稀土铁氧体两种永磁材料共同励磁，不仅降低了传统稀土永磁电机对稀土永磁材

料的依赖性，并且通过合理的结构设计能获得满足要求的电磁性能。理论分析、有

限元仿真及试验分析不仅验证了该方法的有效性，而且表明：通过合理的拓扑结构

设计，该类电机可有效获得较高的转矩密度，在需要高转矩密度的场合具有潜在的

应用前景。

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