侯政良

（海军装备部，北京 100080）

目前，变极式五相永磁电机被广泛应用于生产的各个领域，是很多系统不可或缺的动力主要来源之一。为实现变极式五相永磁电机性能的最优化效果，满足更多应用领域的现实要求，需要对永磁电机进行优化设计，提升其动力性能，使得电机的运转效率达到更佳水平。尤其是电动汽车等应用领域，会因为永磁电机的性能改善得到较大优化[1]。这是对变极式五相永磁电机自身发展潜力的一个深入挖掘，可通过其应用领域的拓展验证其具有重要的现实价值。

1 多相永磁电机优化设计概述

多相永磁电机在很多领域的应用因其转矩密度和功率密度高，同时在容错能力方面具有突出优势，得到了业界的高度认可[2]。目前，快速发展的电动汽车产业对多相永磁电机需求巨大，因此不断优化多相永磁电机的性能十分必要。市场的巨大需求促使其相关研究持续深入，并获得了较大进展。

多相永磁电机主要采用矢量解耦控制模式，利用非正弦波电流的波形特点，与三相直流无刷电机相比，在性能上可实现同样的转矩密度，同时可将转矩脉动保持在较低水平，性能提升显著。在实际的优化设计中，选择多相冗余设计从根本上改善了电机的容错能力。同时，考虑开路故障的情况，传统三相电机采用星形连接方式，需要改变硬件连接才能修复故障。但是，多相电机通过调整控制算法即可保证输出能力达到所需要求，使得电机系统开路故障不会造成更大的破坏。利用高次谐波电流能够实现电子变极，因此可以利用对谐波电流的控制实现对电机输出性能的优化。

2 新型电子变极式五相永磁电机的优化设计分析

在新型电子变极式五相永磁电机的优化设计中，最核心的技术突破是绕组和转子的结构设计[3]。充分考虑这两个问题，提升其具体性能，有助于整个设计达到预期的优化目标。基于此，在进行新型电子变极式五相永磁电机的优化设计过程中，必须将绕组结构设计和转子结构设计作为核心的技术内容。

2.1 绕组结构优化设计

新型电子变极式五相永磁电机的优化设计中，选择合适的绕组结构至关重要。通常情况下，较为普遍采用的绕组结构设计模式为分数槽集中绕组，设计优势体现在制作简单、绕组端部短等方面。绕组结构能否实现高性能，取决于绕组因数和磁动势两个方面[4]。

2.1.1 绕组因数

计算新型电子变极式五相永磁电机的绕组因数时，需要按照绕组函数理论，采用式（1）计算每个谐波绕组的分布矩阵。实际计算时，针对分布矩阵一列计算，就可以得到对应的绕组因数。

式中：m为绕组相数；Qs为绕组槽数；di,n为谐波矩阵中第i行第n列的数值；p为绕组的极对数。不同绕组可以视为不同m、Qs、p的组合，将相关参数代入式（1），就能够非常方便地计算绕组因数。

在实际的优化设计中，双极性电机还需要考虑槽与极数组合选择所涉及的基波和3 次谐波。对于电子变极式五相永磁电机绕组的组态选择，本文选择20 槽8 极模式。计算它的基本绕组因数，可以得到数据k1=0.588；计算它的3 次谐波绕组因数，可以得到k3=0.958。对比不同绕组因数数值，可以得到更好的组合模式。此外，需要考虑不同绕组组合形成的磁动势谐波问题，只有满足最优化效果，才能作为最优设计。

2.1.2 磁动势

分析新型电子变极式五相永磁电机的磁动势，在考虑某相的绕组函数的情况下，如果注入绕组磁动势为1 A 恒流，则可以由此获得该绕组磁动势的空间分布，且其时间分布与通入电流的变化随时间确定。计算永磁电动机的各相绕组函数和定子电流输入，可获得相应的合成磁动势。它可以描述为绕组函数与电流的直接乘积：

在整个计算中，需要将电流谐波的情况作为基本因素加以考虑。对于五相电机来说，它的基波和3 次谐波是分析的重点。实际的优化设计需要将具备大绕组因数的组合作为对象，利用给定基波和3 次谐波电流，具体研究磁动势分布和谐波频谱。绕组因数大，会伴生很多谐波杂波，造成转子和永磁体内部涡流，导致电能损耗严重，甚至会造成永磁体发生退磁问题，影响电机的整体性能。

图1为五相20 槽8 极的磁动势和谐波情况。当基波电流被注入到电机内部，由谐波次数克制其工作谐波为4，因此其对应的工作模式为4 对极模式，此时电机有较低含量的磁动势谐波，涡流形成的损耗相对较小。当3 次谐波电流被通入电机，如图1（b）所示，正常的工作谐波次数12，此时电机运转在12 对极工作模式下。在五相永磁电机中被注入基波电流和3 次谐波电流后，所产生的旋转磁场转速保持同速，计算电机输出转矩即将二者相加。

2.2 转子结构设计

确定槽极数组合的绕组，提高其3 次谐波电流输出所产生的转矩，其整体效果与Brotor 值密切有关。Brotor 值的大小主要受几个因素影响，其中转子永磁体几何形状是最关键的因素[5]。转子结构优化设计的主要目的是确定绕组槽极数组合，同时设计转子永磁体的形状，以输出最大的转矩值。具体的结构分析需要从永磁体形状设计、边缘厚度设计以及最大转矩电流比设计3 个方面进行。

2.2.1 永磁体形状设计

对于电子变极式五相永磁电机来说，优化设计的特定价值来自基波电流等的注入可以形成相适应的转矩值。电动机永磁体形状的设计，要确保基波和3 次谐波的电动势数值恒定统一。永磁体形状可以取决于电动势与绕组因数。如果永磁电机的气隙磁通密度中只有基波和3 次谐波，计算电机气隙通量密度和永磁体厚度间的数量关系，就可以描述磁体形状，并使得3 次谐波磁通密度持续强化和输出转矩增加。

2.2.2 永磁体边缘厚度设计

永磁电机性能一定程度上受永磁体边缘厚度的影响。根据有限元模型进行数学分析，磁体边缘厚度不同，其气隙磁通密度也会有完全不同的分布。磁体厚度保持恒定的条件下，永磁电机的磁通密度会出现基波增加的情况，同时会相应降低永磁电机的3 次谐波。

2.2.3 最大转矩电流比设计

在五相电机中，由基极电流和3 次谐波电流产生的电磁转矩的最大转矩电流比策略实现电流输出最大转矩。对于确定有效值的电流，对转矩的优化可以利用对基波与3 次谐波电流最佳注入比进行推导。电流有效值确定的情况下，实现最大转矩的输入电流，其电流比控制策略可以简述为3 种模式，分别为只注入基波电流、只注入3 次谐波电流以及同时注入基波和3 次谐波电流。经过实证化研究发现，只注入3 次谐波电流的策略有相对优势，不但能够增加输出转矩，而且可以改变电机极性，进一步拓展了电机的转速范围，充分保障了设计的合理性。

2.3 与等效三相电机的比较

为确定电子变极式五相永磁电机优化设计效果，将其与等效三相电机进行比较，发现其整体性能得到了较大改善。

2.3.1 等效三相电机结构

等效三相电机设计要满足3 个基本条件，分别为三极数相同，槽数及绕组与五相电机保持一致，气隙通量密度幅度相等。基于此，可以得到等效三相电机的设计结构。三相和五相电机的有限元比较，如图2所示。

2.3.2 性能比较

对两种电机性能进行比较，要基于控制策略的条件对两种电机的综合性能进行比较。衡量性能的最重要指标是电压和电流限制条件下电机的最大扭矩和运转速度。从对比情况看，低速运转状态下，三相电机能够产生更高的输出转矩，主要原因是电子变极式五相永磁电机的气隙磁密较小，出现这种结果是必然。在高速运转状态，电子变极式五相永磁电机可以达到非常可观的最大运行速度，而等效三相电机难以达到这一效果。可见，电子变极式五相永磁电机在高速运行需求领域拥有更大的发展空间。

3 结语

电子变极式五相永磁同步电机是一种新型的永磁电机设计模式，电机转矩密度、功率密度以及容错能力等性能方面表现优秀。从整个优化设计的过程出发对其进行分析，需要解决的核心问题是绕组和转子结构的设计。因此，重点考虑绕组因数、磁通量分布、永磁体形状和最大转矩比等内容，通过对多相永磁电机进行系统分析和辅助设计，使得相关因数达到最佳的配合状态，从而最终确定电子变极式五相永磁电机的整体性能。