李新华，汪思敏，易梦云，马霁旻

(湖北工业大学，武汉 430068)

0 引 言

在新能源汽车驱动电机中，钕铁硼永磁同步电机(以下简称钕铁硼电机)应用越来越多。随着钕铁硼价格的不断提高，钕铁硼电机面临市场的挑战。近年来，一些国外著名汽车公司相继开发出了一种新型钕铁硼永磁磁阻同步电机(以下简称钕铁硼磁阻电机)[1,2]。与钕铁硼电机相比，钕铁硼磁阻电机的磁阻转矩比重增加，永磁转矩下降，磁钢用量减少，性价比上升，呈现出良好应用前景。

铁氧体永磁辅助磁阻同步电机(以下简称铁氧体磁阻电机)是近年来受到人们关注的一种新型电机[3-5]。为了充分利用磁阻转矩，铁氧体磁阻电机转子铁心采用多层磁钢槽结构，有的甚至用5层磁钢槽[6]；另一方面，为了避免铁氧体出现不可逆退磁问题，铁氧体磁阻电机对磁钢的尺寸、形状以及摆放位置都有要求[7,8]。而钕铁硼磁阻电机由于永磁转矩比重增加，磁阻转矩比重减小，一般只需用2层磁钢槽，转子结构有所简化。特别是钕铁硼磁阻电机一般不存在磁体退磁风险，磁钢多用方块形状，磁钢加工方便，磁钢放置位置也比较灵活。因此，与铁氧体磁阻电机相比，尽管钕铁硼磁阻电机的永磁材料成本有一定增加，但电机转子铁心制造成本有所下降，电机可靠性提高。

转子结构对于提高钕铁硼磁阻电机磁阻转矩比重、减少磁钢用量十分关键。本文重点分析了钕铁硼磁阻电机的2种典型转子结构，讨论转子结构参数对电机性能和转矩能力的影响，并与钕铁硼电机进行了比较分析。

1 “V”加“一”转子结构

图1是国外某公司二代电机的转子结构，其中图1(a)是内置单层转子结构钕铁硼电机(以下称为第三代电机)，图1(b)是“V”加“一”转子二层结构钕铁硼磁阻电机(以下称为第四代电机)。与第三代电机的转子结构不同，第四代电机转子下层增设了一个较大的矩形空气槽，其径向高度大约为磁钢充磁方向厚度的一倍多，使得两侧磁桥径向变高。表1是二代电机的主要技术数据。

(a) 第三代

(b) 第四代图1 二代电机转子结构

表1 二代电机的主要技术数据

1.1 峰值转矩和脉动率

第四代电机转子d轴磁路上增设一个较大的矩形空气槽对电机的转矩能力和转矩脉动率都会产生较大的影响。图2给出了下层矩形空气槽不同径向高度h以及两侧磁桥不同宽度w(见图1)对电机峰值转矩和转矩脉动率影响的仿真结果，峰值工况电流设为170 A。讨论径向高度h变化时，两侧磁桥宽度w设定为1 mm，讨论w变化时h设定为12 mm。

(a) 不同高度h

(b) 不同宽度w图2 第四代电机峰值转矩，转矩脉动率的仿真结果

从图2(a)可以看出，随着h的增加，峰值转矩随之增大，转矩脉动率随之下降；当h=12 mm时，峰值转矩达到最大，转矩脉动率为最小值；h继续增加，峰值转矩有所下降，转矩脉动率有所上升。可见，h=12 mm是隔磁空气槽径向高度一个比较合理的尺寸。再观察图2(b)，随着w的增加，峰值转矩都随之下降，转矩脉动率随之上升；当w=1 mm时，峰值转矩能达到要求值，此时转矩脉动率也相对较小；综合考虑转子的机械性能，w=1 mm是一个比较合理的尺寸。

图3为第三、四代电机峰值工况电磁转矩和电磁转矩组成的仿真结果。第三、四代电机峰值工况转矩脉动率分别为21%和25%，磁阻转矩占总电磁转矩分别为39.5%和48.4%。与第三代电机相比，第四代电机峰值工况电磁转矩脉动率上升4%，但磁阻转矩占总电磁转矩的比例上升。

(a) 电磁转矩

(b) 转矩组成图3 电机峰值工况电磁转矩的仿真结果

图4给出了用有限元方法计算的第三、四代电机凸极比曲线。可见，第四代电机的凸极比比第三代电机的略有增加，磁阻转矩利用率提高。

图4 第三、四代电机凸极比曲线

1.2 有效材料消耗估算

表2给出了2种电机有效材料消耗的估算结果。由于第四代电机的转速以及磁阻转矩利用率的提高，有效材料总质量比第三代电机下降了19.6%，特别是钕铁硼材料用量下降了26%，达到减小电机体积和质量、降低制造成本的目的。

表2 2种电机有效材料消耗比较 kg

2 双“一”转子结构

图5是某国外公司内置双“一”转子结构钕铁硼磁阻电机(以下称双“一”形电机)。该电机的第二层磁钢的厚度和宽度大约是第一层磁钢的2倍，第一层磁钢两侧增加了2个细长形空气槽。表3是该电机的主要技术数据。

图5 双“一”形电机转子结构表3 双“一”形电机的主要技术数据

参数数值参数数值峰值功率P/kW125最高转速n/(r·min-1)11 400峰值转矩T/(N·m)250极/槽配合12/72

2.1 峰值转矩和脉动率

下面讨论双“一”形电机转子上、下二层磁钢切向宽度(分别为13mm和25mm)一定时，磁钢径向高度对电机峰值转矩和转矩脉动率的影响。讨论h1变化时，下层磁钢h2=6.5mm；讨论h2变化时，上层磁钢h1=3mm。图6给出了上、下层磁钢不同高度对电机峰值转矩和转矩脉动率影响的仿真结果，峰值工况电流设为412A。

(a) h1变化

(b) h2变化图6 磁钢不同高度对电机峰值转矩影响的仿真结果

从图6(a)可以看出，随着h1的增加，峰值转矩随之减小，转矩脉动率随之先减小后增大；当h1=3mm时，峰值转矩达到要求值，转矩脉动率为最小值；h1继续增加，峰值转矩有所下降，转矩脉动率有所上升。可见，h1=3mm为第一层磁钢厚度一个比较合理的尺寸。观察图6(b)，随着h2的增加，峰值转矩先减小后增加，转矩脉动率随之先增大后减小；当h2=6mm时，峰值转矩达到要求值，在弱磁工况区域，不计饱和情况时，磁密大小与磁钢充磁方向厚度成正比。考虑该工况下铁耗的大小，在满足转矩要求时，应尽量减小h2的值，故h2=6mm为第二层磁钢厚度一个比较合理的尺寸值。

2.2 铁耗

图7给出了双“一”形电机峰值转速时铁耗和负载气隙磁密的仿真结果。从图7(a)可知，有、无细长形空气槽双“一”形转子电机峰值转速时铁耗分别为1.28kW和1.57kW，两者铁耗相差290W。观察图7(b)，有细长形空气槽双“一”形转子电机的3,5次负载气隙磁密比无细长形空气槽的明显下降，因此，双“一”形转子上层磁钢两侧各增加2个细长形空气槽对降低电机铁耗效果明显。

(a) 铁耗

(b) 负载气隙磁密频谱图7 电机峰值转速时铁耗和负载气隙磁密的仿真结果

3 结 语

1) 钕铁硼磁阻电机是一种新型永磁同步电机，这种电机通过增加磁阻转矩比重、达到减少磁钢用量，提高性价比的目的；

2) 在转子适当位置开空气槽，并对空气槽尺寸进行优化，对于提高钕铁硼磁阻电机磁阻转矩利用率，降低钕铁硼材料用量，改善电机性能十分重要。