电动汽车用磁通切换永磁电机

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随着电动汽车行业的高速发展，电机驱动系统发展进入了一个崭新的时期，它不仅要求电机体积小、重量轻、效率高，而且还要求电机结构简单、可靠性高、维护性好、可控性强、调速范围宽等，以适应电动汽车能源有限、工作环境恶劣、频繁启停、速度变化范围大等工况特点。

为了提升电动汽车的最高时速，电机应有较高的瞬时功率，在一定的体积质量限制下功率密度就要高；为增加续航里程，要求电机效率高；电动汽车实际工况涵盖低速、中速和高速，要求电机在宽速条件下拥有较高的效率；起步加速快，要求电机有很强的过载能力、大的启动转矩且转矩响应要快；另外，电机还应满足结构简单可靠，制造成本低的要求。

电力电子器件发生革命性突破之前，在变速驱动领域，传统的有刷直流电机因其优异的调速性能，在过去相当长的时间内一直占有主要地位，因此早期的电动汽车大都采用直流电机作为驱动电机。但由于机械式电刷与换向器的存在，使该电机的可靠性大幅降低，需要经常维护，应用受到极大限制，目前已被交流电机所取代。

目前市场上主流的电动汽车均采用异步电机或者永磁同步电机作为驱动电机，如特斯拉ModelX、ModelS采用异步电机；比亚迪-宋Pro新能源、起亚K5混动、荣威Ei5、北汽EU260等均采用永磁同步电机。

图2. 异步电动机结构图

相比于永磁同步电机，异步电机的优点是成本低、工艺简单、运行可靠、维护方便，而且能够忍受大幅度的工作温度变化。尽管在重量和体积方面，异步电机并不占优势，但其转速范围宽且峰值转速高，即使不配二级差速器也能够满足高速巡航的转速要求。至于重量和效率对续航里程的影响，被高能量密度的电池组所“掩盖”，这也是异步电机被特斯拉选用的原因。

图3. 永磁同步电动机结构图

与其他类型的电机相比，永磁同步电机的最大优点是具有较高的功率密度与转矩密度，在相同质量与体积下，永磁同步电机能够为新能源汽车提供最大的动力输出与加速度。这也是在对空间与自重要求极高的新能源汽车行业，永磁同步电机受汽车制造厂商青睐的主要原因。但是，永磁电机也有自身的缺点，即永磁体放置在转子上，为克服高速运转时的离心力，需要对转子采取特别的辅助固定措施，同时永磁体位于转子，冷却条件差，散热困难，而温升可能会最终导致永磁体发生不可逆退磁，严重影响永磁同步电机性能。

图4.FSPM电机结构图

针对转子永磁型电机的缺点，很自然会联想到定子永磁型的结构。定子永磁电机主要包括双凸极永磁电机、磁通切换永磁电机（Flux-SwitchingPermanent Magnet Machine，FSPM）和磁通反向永磁电机。其中磁通切换永磁电机的功率密度最高，在电动汽车的应用中更具优势。FSPM电机在1997年由法国学者E. Hoang提出，该电机的特点是绕组和永磁体皆布置在定子侧，转子上既无永磁体又无绕组，定子采用集中绕组，定子转子铁心为双凸极结构。FSPM电机具有很强的凸极效应，即交轴电感Lq<直轴电感Ld，存在较大的磁阻转矩（由于交直轴电感不相等而产生）分量，转矩密度较高；转子完全由硅钢片叠压而成，工艺简单、结构可靠，可适应高转速运行，耐高温；采用永磁体励磁，具有高功率密度、高效率的优点。FSPM电机的特点与电动汽车的应用需求十分契合。

基于Simdroid平台，对一台12/10极FSPM电机进行有限元仿真，计算电机的反电势、电感、磁链、转矩等参数，获取电机的磁力线和磁场分布云图，并将仿真过程封装成仿真APP。

1、建立几何模型

定义一系列变量，用以表示电机各尺寸参数，建模过程中以变量的方式定义电机各部分尺寸及其空间位置坐标，后续通过修改参数即可调整电机的几何结构。

2、网格剖分

网格兼顾计算准确性和快速性，气隙网格进行了加密，保证有3层网格，永磁体部分也进行了加密，增加涡流损耗计算的准确性，空气域和铁芯部分则选择相对稀疏的网格。

3、求解设置

激励采用的是三相电流源，分别在A、B、C三相绕组中设置相差120°角的正弦电流，电机转速设置为1200rpm，计算域边界采用无限远边界条件。

4、仿真结果

通过后处理可以提取电机的气隙磁密、转矩、绕组反电势、磁链、电感等曲线，也可以获得电机的磁力线分布、磁密分布等云图。

图5.FSPM电机磁场分布云图

5、APP开发

下图所示为开发完成的FSPM电机APP界面：

该APP具备快速参数化建模仿真功能。用户通过操作界面可以方便的修改电机的内径、外径、槽尺寸、永磁体尺寸、永磁体剩磁/矫顽力、电机转速、加载电流等参数，实现不同结构尺寸FSPM电机的多工况快速仿真计算。