1 引言

    日本丰田汽车公司PRIUS永磁同步电动机已经发展了三代，极槽配合没有变化，均为8极/48槽，但转子结构有改动，第一代永磁同步电动机转子为一字形磁钢，第二、三代为V字形磁钢（以下简称V形转子电动机）。尽管PRIUS混合动力汽车取得了很大的商业成功，其驱动永磁同步电动机也已得到业界公认，然而作者认为V形转子电动机仍有可讨论之处。首先，V形转子电动机定子槽数Z1=48，槽窄而深（见图1），槽满率达84%，下线难度较大，下线效率低，影响电机生产成本；其次，由于采用q=2的单层整数槽绕组，不能很好地抑制谐波电动势，特别是齿谐波电动势，电机的转矩脉动会比较大，图2为V形转子电动机在1200r/min时的动态转矩仿真波形，转矩脉动率达28.5%；第三，V形转子电动机的交、直轴同步电感之差约为1.77mH，电感差值还有增大空间，可以进一步提高电机磁阻转矩在总转矩中的比重。

    图1 PRIUS电动机定子铁心

    图2 PRIUS电动机转矩仿真

    针对上述问题，作者提出一种U形磁钢转子分数槽绕组永磁同步电动机方案（以下简称U形转子电动机），即采用8极/36槽极槽配合的双层分数槽绕组，转子U形磁钢排列。为了便于比较，文中U形转子电动机的主要技术数据与第二代V形转子电动机相同。使用ANSOFT软件进行仿真分析，仿真结果表明，U形转子电动机较好地克服了V形转子电动机的不足，是一个较为理想的电动汽车永磁同步电动机方案。

2 磁场仿真

    图3是U形转子电动机的三维图。极槽配合为8极/36槽，定子用每极每相槽数q=1.5的双层分数槽绕组，转子磁钢U形排列，即既有切向充磁的并联磁钢，又有径向充磁的串联磁钢，转子属于串并联的混联磁路，因此它具有并联磁路“聚磁”能力强与串联磁路转轴毋须隔磁的优点。

    图3 U形转子电动机

 

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    仿真分析中，U形转子电动机的磁钢用量与V形转子电动机相同（钕铁硼磁钢136克/极，为PRIUS电动机的每极磁钢用量）。对8极/48槽V形转子电动机和8极/36槽U形转子电动机的空载磁场进行仿真分析，仿真及其傅立叶分析结果见图4、5。

    图4 V形转子电动机空载磁场仿真分析

    图5 U形转子电动机空载磁场仿真分析

    表1给出了V形和U形转子电动机空载磁场傅立叶分析结果。可见，在每极磁钢用量相同条件下，U形转子电动机的基波气隙磁密幅值达0.926T，V形转子电动机的基波气隙磁密幅值只有0.732T，前者气隙磁密幅值比后者提高了26.5%；另一方面，U形转子电动机的气隙磁场畸变率为2.65%，比V形转子电动机下降了48.7%，表明U形转子电动机气隙磁场的正弦性也比V形转子电动机有明显改善。

    表1 空载磁场傅立叶分析结果比较

 

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3 主要优点

    如前分析，U形转子电动机不仅“聚磁”能力强，气隙磁场波形的正弦性好，而且还具有以下优点：

    3.1 节省磁钢用量

    在前面的空载磁场仿真中，每极磁钢用量为136克，U形转子电动机的基波气隙磁密幅值比V形转子电动机提高了0.194T。在电动汽车驱动电机设计中，过高的气隙磁密会增大电机铁耗，故这里仍按V形转子电动机的基波气隙磁密幅值0.732T来设计U形转子电动机磁体。仿真结果是每极只需111克磁钢（见表2），比V形转子电动机每极少用25克磁钢，电机为8极，每台电机可节省200克磁钢，磁钢用量减少20%左右。可见，采用U形转子结构，磁钢用量有较大下降，对于降低电机制造成本有实际意义。

    表2 两种转子结构电动机磁钢用量比较

    3.2 提高磁阻转矩

    表3给出了采用有限元方法计算出的两种转子结构电动机的电枢反应电感。计算时电机电枢电流为60A，表中为去磁时直轴电枢反应电感计算值。

    表3 两种转子结构电动机的电枢反应电感

    众所周知，电枢电流一定的条件下，永磁同步电动机的磁阻转矩与同步电感差值（Lq-Ld）成正比。U形转子电动机同步电感差值比V形转子电动机大0.76mH，磁阻转矩提高438%；与此同时，U形转子电动机直轴电枢反应电感也比V形转子电动机大0.36mH，提高约31%，这表明U形转子电动机的弱磁能力也比V形转子电动机有较大提高。

    在电动汽车永磁同步电动机中，提高磁阻转矩的利用率，可以相应减小励磁转矩。由于励磁转矩的减小，磁钢用量也可随之减小；另一方面，励磁磁通下降，也可减小电机铁耗，同时提高汽车的安全性。

    3.3 改善电动势波形并抑制脉动转矩

    表4给出两种电动机的绕组系数。V形转子电动机为整数槽单层绕组，不能通过短距来削弱谐波电动势，而且11、13次齿谐波绕组系数与基波绕组系数相同，因此V形转子电动机绕组中会产生较强的谐波电动势。U形转子电动机为分数槽双层短距绕组，不仅5、7次谐波绕组系数比V形转子电动机小，尤其是11、13次齿谐波系数更小，可以极大地削弱谐波电动势。

    表4 两种转子结构电动机的绕组系数

    为了考察不同转子结构和电枢绕组对电动势波形的影响，分别对V形转子电动机和U形转子电动机进行动态空载电动势仿真，图6、7分别给出了1200r/min时电动势仿真波形及其傅立叶分析结果。

    图6 V形转子电动机空载电动势仿真

    图7 U形转子电动机空载电动势仿真

 

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    表5给出了两种转子结构电动机空载感应电动势的傅立叶分析。从表中可以看出，U形转子电动机基波电动势比V形转子电动机高9.5V，提高约11%，其它谐波电动势也低，特别是齿谐波电动势明显减小，V形转子电动机1200r/min时11次齿谐波电动势为6.6V，占基波电动势的7.6%，而U形转子电动机在1200r/min时的11、13次齿谐波电动势分别为0.06V和0.14V，11、13次齿谐波电动势基本被消除，这是U形转子电动机采用分数槽绕组的突出优势之一。

    与此同时，1200r/min时U形转子电动机转矩脉动也大为降低，转矩脉动率只有6%，见图8。而V形转子电动机在1200r/min时转矩脉动率达28.5%（见图2），U形转子电动机转矩脉动率比V形转子电动机下降了22.5%。

    当然，U形转子电动机也存在一些负面的问题。如采用分数槽绕组端部接线会麻烦一些；比V形转子结构稍复杂，模具成本有所增加；每极多一块磁钢，磁钢嵌放要多费工时等。

    表5 两种转子结构电动机感应电动势的傅立叶分析

    图8 U形转子电动机转矩仿真

4 结论

    与PRIUSV形转子电动机相比，每台U形转子电动机的磁钢用量减小200克左右，制造成本有一定下降；由于磁阻转矩上升，可进一步减小励磁转矩，以降低铁耗；与此同时，U形转子电动机电动势波形有较大改善，特别是齿谐波电动势和齿谐波转矩得到有效抑制，电机中低速时的转矩脉动率显著下降。因此，U形转子电动机是一种较为理想的电动汽车驱动永磁同步电动机。