车用永磁电机如何实现高速—电机侧解决方案

新能源汽车用电驱动系统总的技术发展趋势是更高的功率密度、更高的效率。高速化是一个有效的技术路线，主流的电动汽车都纷纷选择高转速的电机，以提高动力性能。

表格1国外主流电驱动系统的最高转速

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厂家

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最高转速

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峰值功率

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prius 2004

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6000rpm

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50kw

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prius 2010

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13500rpm

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60kw

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三菱I-MIEV

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13500rpm

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60kw

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特斯拉Model1

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13000rpm

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225kw

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BMW –i3/i8

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11400rpm

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125kw

高速化虽然有很多优点，但是也给电机和控制带来很多困难。在电磁上最突出的困难包括如下几个：

如何既保证低速时的转矩，又实现高速时的效率，实现两头平衡；

如何克服稳定裕度下降控制难度增加的困难；

本文探讨的是从永磁同步电机的设计出发，如何解决问题的方法和思路，供大家参考。

下面这个公式清晰的描述了转速和电机参数的关系。

图表1电机最高转速公式

通过对式分析可看出,提高永磁同步电机（PMSM）的弱磁最高转速有以下四种途径:

(1)增大极限电压ulim(电压极限);

(2)增大极限电流ilim(电流极限);

(3)减小永磁磁链ψf（永磁磁链）;

(4)增大直轴电感Ld。

其中前两种方案势必要增大逆变器容量,从而使成本增加。我们需要考虑其他解决方案。

学徒级减小永磁磁链

减小永磁磁链ψf，当然能提高工作转速，但如此电机的转矩系数降低，如下公式所描述的，为了获得同样的转矩，磁链小了，就需要增加更多的电流，这会导致控制器的电流压力过大，增加成本。因此这是一种简单有效但是有成本代价的方案。

增加直轴电感

比较理想的方法是增大直轴电感，电感大了，较小的直轴电流就能起到好的弱磁效果，因为容易把最高转速公式中的分母变小，从而获得更高的速度。增加电感的方式有很多，一般会在转子的结构上作文章，比如增加磁桥的厚度，或者把磁钢分段，增设中间磁桥，下图就是两种增加分段磁桥的方法，这些方法都能够有效增加直轴电感。

但问题没有那么简单，因为增加了直轴电感也会有坏处的，若交轴电感没有增加，那么电机的凸极比会下降，电机的磁阻转矩比例会下降，转矩密度降低。而且增加Ld的措施会增加漏磁，减小永磁体的利用率，如下图所示。分段结构虽然虽然转速上去了，但漏磁系数增加了，平均转矩也下降了。因此增加直轴电感是一种简单有效学徒方法，它会带来很多副作用。

专家级

世界是复杂的，事情是多面的，学徒级手段只是单方向的解决问题，很快就会碰到天花板，因此需要辩证的看待问题，利用组合的优化策略，来弥补学徒级手段的不足，这就有了专家级的优化策略。

增加交轴电感（提高凸极率）

从下面的公式可以看出，永磁电机的转矩有两部分组成，一部分是永磁体提供的永磁转矩下降，另一部分是由于交、直轴电感差异引起的磁阻转矩。为了提高速度，直轴电感（Ld）增加，永磁磁链降低，会导致永磁转矩下降，有必要提高磁阻转矩，因此需要增加交轴电感（Lq），从而提高凸极率

怎么增加交轴电感呢，还是在转子结构上做文章。下面介绍一下Prius的电机经验，Prius第一代电机THS是采用一字结构（下图左下），最高转速6000rpm。

第二代THSII型在转矩增加的基础上，转速不降反升，达到了6400rpm，核心的原因就是采用了V字结构，这种结构凸极率更高，交直轴电感都高于一字结构。

在第三代产品THSIII中，他们对V字结构的研究渐入佳境，增设了V字底部的磁桥，这样做虽然会增加直轴电感，但会降低永磁磁链，怎么补偿呢？仔细分析后会发现：较第二代产品，他们V字的夹角（图中的θ）变小了，这样交轴磁路通道变宽，交轴电感大幅上升，如此磁阻转矩得以提高，磁阻转矩占60%以上（最大转矩工况），这样带来的效果，不但最高转速上去了，电机成本也大幅下降(有60%的转矩不是昂贵的磁钢提供的)。

降低饱和度

饱和度低了，不但能够同时提升交直轴电感，还提高凸极率。除了在转子结构外，优化定子齿槽面积比例，能够降低定子的饱和度，下面是一个专家研究在槽数不变的情况下，改变定子槽齿的宽度（齿槽比）比对饱和度的影响。

从电磁场云图中可以发现，随着齿的面积增加，磁场的饱和程度会降低，电机的凸极率会上升。

齿槽比过高会导致电机嵌线困难。需要改进工艺手段，获得更高的槽满率，二者相结合可以更有效的提高电机的弱磁扩速能力。

此外通过优化槽极比也能够提高凸极率，通过气隙和匝数的选择也可以，很多高手都做过论述，但总的基调就是增加直轴电感，增加凸级率。

大师级

人对世界的认识是无止境的，有些人总是看得更细、看得更全面。因此称之为大师，在如何提高弱磁扩速能力问题上，他们有更深刻的见解，更丰富的手段。当更深入的时候，我们会发现两个同样的电机都能达到某个高速水平，但它们实现的难度是不一样的，实现的质量也是不一样的，如何衡量这种水平差异，我们需要建立更底层的指标体系。

正弦度

如果从控制器的角度出发，我们会发现有些电机难控制，有的电机好控制，在高速的时候，这种差异会更大，有些电机虽然也能达到高速，但对控制的参数的敏感度更高，控制的稳定裕度也会更低，极容易失稳，到底是什么在影响呢？其中一个是正弦性。

气隙磁密可以看成是基波和谐波的合成

完全意义上的正弦电机是不存在的，我们可以把电机理解成一台基波正弦电机和若干台谐波电机的组合。同时控制这么多电机是不现实的，正常的情况下，基波正弦电机的能力远大于其它谐波电机，控制器只需要控制好基波电机就可以了，这叫抓住主要矛盾。也就是说基波电机和谐波电机的能量比例越悬殊，控制就越简单。衡量这个比例的指标叫正弦性。我们一般讲永磁气隙磁密的正弦性、电枢磁密的正弦性等等，正弦性越好，控制越简单，越容易实现高速。

可以通过许多手段来优化正弦性，比如采用偏心的转子结构，如上图所示，可以通过调整极弧系数和偏心距来实现。但在高速时，情况有所不同，因为电枢反应中有了很强的去磁成分，这个时候磁场主要是由永磁磁场和直轴磁场合成的，光永磁磁场的正弦性不足以保证合成磁场的正弦性，有些电机在这种工况下正弦性会极具恶化，导致谐波电机含量变高，只控制基波电机会导致控制困难，因此需要以弱磁状态下的合成磁场的正弦性作为优化设计目标。

线性度

这里的线性度，指的是交直轴电感的线性度。控制工程师总是希望，电机的电感是常量，是不随电流变化而变化的，这样他们控制起来就很简单，他们把这种电感不怎么变化的电机叫线性电机。

交轴电感随电流变大而变小

但在现实世界中，这种电机是不存在的，存在的都是非线性的电机。就是电感参数会随

着电流的大小而变化，特别是内置式永磁同步电机，非线性是很强的，在弱磁状态下，电磁场是永磁磁场、直轴磁场、交轴磁场三者的合成，虽然直轴磁场总体上是去磁的，是退饱和化的，但那只是总体上而言的，在某些局部位置反而是会加剧饱和的，这就导致了电感不但呈现出对电流的非线性，在不同转子位置也会有差异。这种情况就比较复杂了，控制工程师处理这类问题就非常棘手，需要反复调整控制参数。线性度差的电机就不容易控制，因此考察在高速弱磁状态下：电感的线性度，可以衡量出这台电机的控制质量。优化电感线性度，就是考察设计者功力了，需要对永磁、直轴电枢、交轴电枢三种磁场的走向和特性都有深入的理解，没有应手的工具很难做到。EasiMotor软件就是这样的利器，他们提供了一种脚本，能够分离出三种磁场并单独观测，让你能够驾驭局部饱和随位置变化的规律。

抗退磁能力

前面两种手段都是从控制的角度来评判电机的高速能力，其实从电机本体出发，也存在能力的高下的，我们知道如果控制器没有电流限制，可以一直加弱磁电流，直到主磁场强度为0，这个时候在理论上是可以具备无限转速的，但这里有个问题，就是永磁体会退磁的。有些电机，当主磁场弱化到一半时就出现局部退磁了，有些电机则可以弱化更多，后者显然就具备了更高的弱磁能力。

为什么说直轴电流容易退磁，因为它的磁场方向是通过永磁体，而且和永磁体磁场方向相反。如下图所示，直轴磁场除了通过转子外圆侧的磁桥短路外，其它的全部打向永磁体。

因此直轴电枢反应会影响磁钢的工作点，有些局部位置会出现极小的磁密，磁密越低越容易退磁。好的电机设计，会在深弱磁状态，不出现局部退磁，在高速运行安全可靠。

永磁体磁场分布的不均匀性

如何优化永磁体的局部磁密？通常采用分流、导流、增加磁钢厚度、增加磁钢矫顽力等多种手段的组合使用。这里不详细展开，当然需要有一款有限元软件能够及时反馈出你做的手段的有效性。

总结

车用永磁同步电机的高速化是大势所趋，如何衡量和优化高速弱磁能力不但是控制研究的重点，也是电机本体设计的重点，好的设计目标不但是能否达到高速，还要求提高运行质量，包括控制的难易程度和本身的安全程度。本文只是介绍了别人常用的思路和手段，还有许多方法没有来得及介绍。但只要专注专研，人人都可以成为大师。