同步磁阻電機(jī)的案例
同步磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)
來(lái)源：杭州易泰達(dá)科技 作者：朱彤華
引言
近年由于稀土磁鋼的價(jià)格大幅度波動(dòng)，在很大程度上影響了稀土永磁同步電機(jī)的推廣應(yīng)用。通常，稀土磁鋼的價(jià)格占電機(jī)總價(jià)格的 20% 左右，減少甚至消除這部分成本能顯著降低電機(jī)的成本。另一方面，由于其他類型的電機(jī)，如直流電機(jī)，開關(guān)磁阻電機(jī)，感應(yīng)電機(jī)等在控制上都有不同的弱點(diǎn)，難以取代同步電機(jī)在工業(yè)上的應(yīng)用，因此，研發(fā)不使用稀土磁鋼的同步電機(jī)就提上了議事日程。
同步磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
同步磁阻電機(jī)不使用稀土磁鋼，可以看成是永磁同步電機(jī)的一個(gè)特例，從永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式可以看出：
te=p[ψf iq+(Ld-Lq)id iq ]
前一項(xiàng)是永磁轉(zhuǎn)矩， 后一項(xiàng)是磁阻轉(zhuǎn)矩，而同步磁阻電機(jī)是僅利用磁阻轉(zhuǎn)矩的電機(jī)， 其轉(zhuǎn)矩公式就是 :
te=p[(Ld-Lq)id iq ]
同步磁阻電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)和永磁同步電機(jī)的一樣，而轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比較特殊，通常有如下幾種：
為了提高交直軸電感的差，需要提高直軸電感，并降低交軸電感，又由于電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)需要由定子電流產(chǎn)生，所以電機(jī)必須使用盡可能小的氣隙，減少勵(lì)磁電流，提高功率因數(shù)；盡量保證漏感處于較低水平，亦即保證槽漏感，端部漏感，諧波漏感，等均較低，因此經(jīng)過(guò)分析，需要使用多層磁障的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)同步磁阻電機(jī)。
同步磁阻電機(jī)的控制及性能特點(diǎn)
同步磁阻電機(jī)可以采用多種控制方式，DTC 直接轉(zhuǎn)矩控制是其中的一種。DTC 是以電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為控制目標(biāo)，在控制中不使用計(jì)算量大的矢量變換，所以控制速度快， 對(duì)控制器 MCU 的要求低，動(dòng)態(tài)性能好，同時(shí)對(duì)電機(jī)參數(shù)的敏感性降低，控制可靠性提高。
展開 同步磁阻電機(jī)原理&結(jié)構(gòu)介紹
同步磁阻電機(jī)是一種同步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)矩是由于轉(zhuǎn)子的正交軸和直軸的磁導(dǎo)率（磁導(dǎo)率）不等而產(chǎn)生的，它沒有勵(lì)磁繞組或永磁體 。
同步磁阻電機(jī)的構(gòu)造
磁阻電機(jī)的定子可以是分布式和集中式繞組，由框架和帶繞組的鐵芯組成。
同步磁阻電機(jī)
分布式繞組同步磁阻電機(jī)定子
磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子分為三種主要類型：凸極轉(zhuǎn)子、軸向疊片轉(zhuǎn)子和橫向疊片轉(zhuǎn)子。
帶凸極轉(zhuǎn)子
軸向疊片轉(zhuǎn)子
橫向疊片轉(zhuǎn)子
同步磁阻電機(jī)的工作原理
通過(guò)定子繞組的交流電在電動(dòng)機(jī)的氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子試圖通過(guò)施加的磁場(chǎng)建立其最具導(dǎo)磁性的軸（d 軸）以最小化磁路中的磁阻（磁阻）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生扭矩。轉(zhuǎn)矩的幅度與直接 Ld 和正交 Lq 電感之間的差值成正比。因此，差異越大，產(chǎn)生的扭矩就越大。
同步電機(jī)的磁場(chǎng)線
可以借助下圖解釋主要思想。由各向異性材料組成的物體“a”沿d軸和q軸具有不同的電導(dǎo)率，而物體“b”的各向同性磁性材料在所有方向上具有相同的電導(dǎo)率。如果 d 軸和磁場(chǎng)線之間存在角度，則施加到各向異性物體“a”的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生扭矩。顯然，如果物體“a”的 d 軸與磁場(chǎng)線不重合，物體就會(huì)在磁場(chǎng)中引入畸變。在這種情況下，扭曲磁力線的方向?qū)⑴c物體的 q 軸重合。
在磁場(chǎng)中具有各向異性幾何形狀 (a) 和各向同性幾何形狀 (b) 的物體
具有各向異性幾何形狀的物體周圍的磁場(chǎng)線
在同步磁阻電機(jī)中，磁場(chǎng)由正弦分布的定子繞組產(chǎn)生。磁場(chǎng)以同步速度旋轉(zhuǎn)，可視為正弦曲線。在這種情況下，總會(huì)有一個(gè)扭矩旨在通過(guò)減少沿 q 軸的場(chǎng)失真（δ→0）來(lái)降低整個(gè)系統(tǒng)的勢(shì)能。如果角度δ保持不變，例如通過(guò)控制磁場(chǎng)，那么電磁能將不斷地轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。定子電流負(fù)責(zé)磁化并產(chǎn)生試圖減少磁場(chǎng)失真的轉(zhuǎn)矩。
展開 直流勵(lì)磁同步電機(jī)和磁阻電機(jī)在新能源汽車中的應(yīng)用
3.2.2 電勵(lì)磁同步電機(jī)與同步磁阻電機(jī)區(qū)別：
1) 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同，電勵(lì)磁是繞組線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)；而磁阻同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子沒有任何稀土和繞組，只有硅鋼片鐵芯。
2) 原理上類似，只是磁阻同步電機(jī)完全依靠磁阻轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力矩，能量來(lái)源于定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，根據(jù)磁場(chǎng)能力（磁力線）總是盡力流過(guò)磁阻小的轉(zhuǎn)子磁路路徑，對(duì)應(yīng)的在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生了同等極數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，伴著定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。
3.2.3 電機(jī)剖視圖、磁化曲線磁路圖。
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3.2.4 磁阻同步電機(jī)有其先天的劣勢(shì)：轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、影響NVH效果。如下圖是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)示意圖。徑向磁拉力波動(dòng)較大；這些需要通過(guò)幾何形狀優(yōu)化，控制器控制策略優(yōu)化，更好地降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
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四、電機(jī)結(jié)構(gòu)介紹
4.1電勵(lì)磁同步電機(jī): ZOE
1) 殼體：外鋁殼、內(nèi)水道鋁殼
2) 主要零部件：定子、轉(zhuǎn)子、軸承、旋變器、溫度傳感器
3) 其他：漆包線、軸 、轉(zhuǎn)子鐵芯總成、集電環(huán)、電刷等等
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4.2 電勵(lì)磁同步電機(jī): BMW IX3
1) 殼體：外鋁殼、內(nèi)水道鋁殼
2) 主要部件：定子、轉(zhuǎn)子、軸承、旋變器、溫度傳感器
3) 其他：漆包線、軸、轉(zhuǎn)子鐵芯總成、集電環(huán)、電刷等等
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400Nm、 210kW、5075rpm，綜合效率大約 93%, 功率密度提高30%多。
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BMW IX3 繞線轉(zhuǎn)子, 6極、單齒集中繞組繞線，槽口很寬是為了繞線針進(jìn)入槽中，上下來(lái)回繞線。
展開 混合式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)研究
本文以一臺(tái)實(shí)際使用的電動(dòng)汽車用52 kW永磁同步電機(jī)為研究目標(biāo)，針對(duì)由鐵氧體和釹鐵硼兩種永磁材料組成的混合式永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)開展了相關(guān)研究。采用有限元方法，側(cè)重對(duì)比分析了“U”形、“C”形磁障結(jié)構(gòu)下，不同磁障結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩能力的影響。結(jié)合電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能要求，對(duì)比“C”+“一”、“C”+“V”等形式的磁路結(jié)構(gòu)，得出雙層“C”+“V”形式的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，混合使用鐵氧體和釹鐵硼兩種磁材，可以在基本滿足當(dāng)前汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用要求的情況下，明顯降低電機(jī)成本。
1 磁阻轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)性能的影響分析
通過(guò)電機(jī)學(xué)的原理性分析，可得到永磁同步電機(jī)在d,q,o坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式：
Tem=pψfiq+p(Ld-Lq)idiq
(1)
由式(1)可見，永磁同步電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩有兩個(gè)分量:第一個(gè)分量是電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)矩Tm，表征了電機(jī)永磁體勵(lì)磁磁鏈所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；第二個(gè)分量為電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩Tr，表征了因電機(jī)交直軸磁路結(jié)構(gòu)不對(duì)稱所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。
對(duì)于永磁磁阻電機(jī)，增加多層磁障后，電機(jī)交直軸的磁阻將隨之改變，也就是電機(jī)的凸極率隨之改變，進(jìn)而影響電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩占比。需要注意的是當(dāng)交直軸電感的差值改變，而不是單純?cè)黾又陛S電感或者減少交軸電感時(shí)，磁阻轉(zhuǎn)矩值才會(huì)改變。而電機(jī)的功率因數(shù)也將隨著交軸電感與直軸電感比值的增大而增大。
由式(1)的分析還可知，在保證電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不變的情況下，如果通過(guò)改變電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)，來(lái)提升電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩的比例，可以相應(yīng)地降低永磁轉(zhuǎn)矩的比例，即減少電機(jī)永磁體用量。在保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度不變的情況下，減少永磁體用量，提升磁阻轉(zhuǎn)矩在總輸出轉(zhuǎn)矩中的占比，并確保電機(jī)性能及退磁特性滿足電動(dòng)汽車使用要求，即為本文研究的目標(biāo)。
圖1展示了永磁磁阻電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)。
展開 
【設(shè)計(jì)】混合式磁鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電動(dòng)車用永磁磁阻電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)
與開關(guān)磁阻電機(jī)相比，同步磁阻電機(jī)在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、振動(dòng)噪聲方面占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但其驅(qū)動(dòng)電路需采用六橋臂逆變器，使同步磁阻電機(jī)控制成本更高、難度更大；在轉(zhuǎn)矩密度、效率及功率因數(shù)方面，同步磁阻電機(jī)較永磁同步電機(jī)存在差距；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過(guò)大問題也是限制同步磁阻電機(jī)在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用的重要因素。
永磁磁阻電機(jī)是同步磁阻電機(jī)的一種改進(jìn)形式。由于其轉(zhuǎn)矩密度和功率密度高、凸極比大、調(diào)速性能優(yōu)異、效率高，且使用較少永磁體材料，成本低廉，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于包含電動(dòng)汽車在內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域中。但永磁磁阻電機(jī)同樣存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過(guò)大的問題。
至此，針對(duì)目前電動(dòng)車用電機(jī)的稀土永磁成本過(guò)高的問題，本文提出了一種新型永磁磁阻電機(jī)，采用釹鐵硼和鐵氧體混合式磁鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。基于有限元仿真軟件JMAG，重點(diǎn)分析研究了新型永磁磁阻電機(jī)與原全釹鐵硼永磁同步電機(jī)在額定點(diǎn)轉(zhuǎn)矩、磁阻轉(zhuǎn)矩和凸極比上的差異。針對(duì)新型電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)諧波含量過(guò)高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過(guò)大和轉(zhuǎn)矩輸出能力不足的問題，進(jìn)一步提出一種切向混合式磁鋼轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，分析優(yōu)化了切向混合磁鋼比例和位置參數(shù)。最終得到的新型永磁磁阻電機(jī)同時(shí)具有較高輸出轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、高凸極比和低廉的成本。
展開 混合式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)研究
本文以一臺(tái)實(shí)際使用的電動(dòng)汽車用52 kW永磁同步電機(jī)為研究目標(biāo)，針對(duì)由鐵氧體和釹鐵硼兩種永磁材料組成的混合式永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)開展了相關(guān)研究。采用有限元方法，側(cè)重對(duì)比分析了“U”形、“C”形磁障結(jié)構(gòu)下，不同磁障結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩能力的影響。結(jié)合電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能要求，對(duì)比“C”+“一”、“C”+“V”等形式的磁路結(jié)構(gòu)，得出雙層“C”+“V”形式的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，混合使用鐵氧體和釹鐵硼兩種磁材，可以在基本滿足當(dāng)前汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用要求的情況下，明顯降低電機(jī)成本。
1 磁阻轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)性能的影響分析
通過(guò)電機(jī)學(xué)的原理性分析，可得到永磁同步電機(jī)在d,q,o坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式：
Tem=pψfiq+p(Ld-Lq)idiq
(1)
由式(1)可見，永磁同步電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩有兩個(gè)分量:第一個(gè)分量是電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)矩Tm，表征了電機(jī)永磁體勵(lì)磁磁鏈所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；第二個(gè)分量為電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩Tr，表征了因電機(jī)交直軸磁路結(jié)構(gòu)不對(duì)稱所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。
對(duì)于永磁磁阻電機(jī)，增加多層磁障后，電機(jī)交直軸的磁阻將隨之改變，也就是電機(jī)的凸極率隨之改變，進(jìn)而影響電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩占比。
展開 混合式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)研究
對(duì)于永磁磁阻電機(jī)，增加多層磁障后，電機(jī)交直軸的磁阻將隨之改變，也就是電機(jī)的凸極率隨之改變，進(jìn)而影響電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩占比。需要注意的是當(dāng)交直軸電感的差值改變，而不是單純?cè)黾又陛S電感或者減少交軸電感時(shí)，磁阻轉(zhuǎn)矩值才會(huì)改變。而電機(jī)的功率因數(shù)也將隨著交軸電感與直軸電感比值的增大而增大。
由式(1)的分析還可知，在保證電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不變的情況下，如果通過(guò)改變電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)，來(lái)提升電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩的比例，可以相應(yīng)地降低永磁轉(zhuǎn)矩的比例，即減少電機(jī)永磁體用量。在保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度不變的情況下，減少永磁體用量，提升磁阻轉(zhuǎn)矩在總輸出轉(zhuǎn)矩中的占比，并確保電機(jī)性能及退磁特性滿足電動(dòng)汽車使用要求，即為本文研究的目標(biāo)。
圖1展示了永磁磁阻電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)。磁障類似于常規(guī)永磁電機(jī)的磁鋼槽，永磁體置于磁障之中，為提高磁阻轉(zhuǎn)矩的利用率，同步磁阻電機(jī)的磁障一般設(shè)計(jì)為多層結(jié)構(gòu)。本文定義靠近氣隙的磁障為第一層磁障，磁障徑向?qū)挾萕為磁障寬度，為簡(jiǎn)化分析，本文設(shè)定每層磁障的寬度一致，由一層至三層的磁障寬度分別為W1，W2，W3。定義兩層磁障之間硅鋼片區(qū)域?yàn)榇耪祥g隔，其寬度為磁障間隔寬度，每層磁障間隔寬度一致，由一層磁障至三層磁障之間分別為H1，H2。定義轉(zhuǎn)子圓心到磁障中間段下沿的距離為磁障深度D，由一層到三層的磁障深度分別為D1，D2，D3。
圖1 永磁磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
2 磁障形狀及層數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響
本文以一臺(tái)52 kW電動(dòng)汽車用混合式永磁同步電機(jī)為研究目標(biāo)，電機(jī)的基本參數(shù)如表1、表2所示。
展開 電機(jī)設(shè)計(jì)-電機(jī)仿真“新工具”
APP計(jì)算：
感應(yīng)直線電機(jī)仿真 - Simapps Store - 工業(yè)仿真APP商店
6、永磁無(wú)刷直流電機(jī)仿真APP
永磁無(wú)刷直流電機(jī)是一種采用永磁體建立磁場(chǎng)并通過(guò)電子換向器控制電流方向的直流電動(dòng)機(jī)。由于永磁體的高磁能積和電子換向器的高效控制，永磁無(wú)刷直流電機(jī)具有較高的運(yùn)行效率和較低的能耗。因此，以其高效節(jié)能、運(yùn)行可靠、調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。永磁無(wú)刷直流電機(jī)仿真APP可實(shí)現(xiàn)永磁無(wú)刷直流電機(jī)仿真計(jì)算，得到電機(jī)的磁密云圖、磁鏈、反電動(dòng)勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩、鐵芯損耗等結(jié)果。
APP計(jì)算：
永磁無(wú)刷直流電機(jī)仿真 - Simapps Store - 工業(yè)仿真APP商店
7、同步磁阻電機(jī)仿真APP
同步磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、效率高、調(diào)速范圍廣、成本較低、簡(jiǎn)單可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于紡織、風(fēng)機(jī)水泵、傳送帶、交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)自動(dòng)化調(diào)速驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。同步磁阻電機(jī)APP可實(shí)現(xiàn)同步磁阻電機(jī)仿真計(jì)算，得到電機(jī)的磁密云圖、磁力線、磁鏈、反電動(dòng)勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩等結(jié)果。
APP計(jì)算：
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8、內(nèi)置切向式永磁同步電機(jī)仿真APP
永磁同步電機(jī)具有高效、高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性及低振動(dòng)噪聲的特點(diǎn)。內(nèi)置切向式結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩可占到總電磁轉(zhuǎn)矩的40％，對(duì)提高電機(jī)的功率密度和擴(kuò)展恒功率運(yùn)行范圍都是很有利的。在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方面具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
展開 新能源汽車電機(jī)低頻電磁場(chǎng)仿真應(yīng)用
使用同步磁阻電機(jī)仿真APP進(jìn)行仿真計(jì)算，可以得到電機(jī)的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖、電壓、磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩等結(jié)果。通過(guò)改變定轉(zhuǎn)子尺寸及電機(jī)驅(qū)動(dòng)參數(shù)，工程師可以評(píng)估多種電機(jī)方案。
同步磁阻電機(jī)仿真APP
2、內(nèi)置式永磁同步電機(jī)仿真APP
內(nèi)置式永磁同步電機(jī)是一種將永磁體直接嵌入到轉(zhuǎn)子內(nèi)部的電動(dòng)機(jī)，通過(guò)永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)與定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用，實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。此類電機(jī)具備高效節(jié)能、動(dòng)態(tài)性能好、可靠性高等特點(diǎn)，是當(dāng)前電動(dòng)汽車主驅(qū)電機(jī)最常用的電機(jī)類型。
內(nèi)置式永磁同步電機(jī)仿真APP能夠通過(guò)更改幾何參數(shù)、驅(qū)動(dòng)參數(shù)，計(jì)算多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電磁性能。輸出結(jié)果包括磁力線圖、磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖、繞組電壓、三相磁鏈、輸出轉(zhuǎn)矩等。
內(nèi)置式永磁同步電機(jī)仿真APP
3、表貼式永磁同步電機(jī)仿真APP
表貼式永磁同步電機(jī)是一種將永磁體直接粘貼在轉(zhuǎn)子外表面的電動(dòng)機(jī)。這種設(shè)計(jì)使得電機(jī)的磁場(chǎng)分布更加均勻，且制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。此類電機(jī)具備高效率、高功率密度、響應(yīng)速度快、噪音小等特點(diǎn)。表貼式永磁同步電機(jī)的應(yīng)用范圍比較廣泛，包括電動(dòng)汽車、軌道交通、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域。
表貼式永磁同步電機(jī)仿真APP可實(shí)現(xiàn)48槽8極表貼式永磁同步電機(jī)的仿真計(jì)算，能夠得到電機(jī)的磁力線圖、磁密云圖、磁密矢量圖、磁鏈、反電動(dòng)勢(shì)、扭矩等結(jié)果。
表貼式永磁同步電機(jī)仿真APP
4、永磁同步直線電機(jī)仿真APP
永磁同步直線電機(jī)通過(guò)將永磁體和電磁線圈組合在一起，利用兩者之間的相互作用產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)。該類電機(jī)具有高效率、高功率密度、高精度控制、寬調(diào)速范圍、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。
展開 新功能 | 解鎖Ansys Maxwell 2021 R1新版功能要點(diǎn)
多相電機(jī)的map圖計(jì)算
新版本中支持2~7相永磁電機(jī)，感應(yīng)電機(jī)，同步磁阻電機(jī)和繞線轉(zhuǎn)子同步電機(jī)和2~8相的開關(guān)磁阻電機(jī)的map圖的計(jì)算。對(duì)于除開關(guān)磁阻電機(jī)以外的所有電機(jī)類型，用戶都可以使用命令行指定每個(gè)繞組的相移，建議第一個(gè)相移輸入“ 0”。
3. 同步磁阻電機(jī)Map計(jì)算
同步磁阻電機(jī)計(jì)算方式與永磁同步電機(jī)一樣，掃描變量為相電流的有效值、gamma角和轉(zhuǎn)速。支持周期性和半周期性TDM。出于穩(wěn)定性考慮，在電動(dòng)機(jī)模式下，gamma范圍為（45°~90°），在發(fā)電機(jī)模式下，gamma角范圍為（90°~135°）。
4. 開關(guān)磁阻電機(jī)Map計(jì)算
開關(guān)磁阻電機(jī)掃描變量是電流、gamma角和轉(zhuǎn)速。Toolkit目前支持2~8相的開關(guān)磁阻電機(jī)。用戶需要在ACT中輸入定子相數(shù)、轉(zhuǎn)子極數(shù)、電流、滯環(huán)控制下的導(dǎo)通寬度等參數(shù)。
5. 電勵(lì)磁同步電機(jī)Map計(jì)算
電勵(lì)磁同步電機(jī)掃描變量為定子電流、gamma角、轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁電流。四個(gè)變量都掃描的話會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間非常長(zhǎng)。改進(jìn)的方法是在ACT腳本內(nèi)部取消轉(zhuǎn)速掃描，以最大轉(zhuǎn)速的一半進(jìn)行仿真，并用這個(gè)結(jié)果評(píng)估其他轉(zhuǎn)速下的結(jié)果。支持周期性和半周期性TDM計(jì)算。
6. 求解速度提升
新版本中ACT新增取消轉(zhuǎn)速掃描的功能，當(dāng)使用該功能時(shí)軟件僅仿真參考轉(zhuǎn)速（最大轉(zhuǎn)速的一半），其他轉(zhuǎn)速下的性能將根據(jù)參考速度的仿真結(jié)果進(jìn)行推導(dǎo)，取消轉(zhuǎn)速掃描后大大減少了仿真時(shí)間，提高仿真效率。該功能適用于永磁同步電機(jī)和同步磁阻電機(jī)。
7. 定轉(zhuǎn)子鐵耗分離
新版本中ACT新增定子和轉(zhuǎn)子鐵損分離的功能。
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多相電機(jī)的map圖計(jì)算
新版本中支持2~7相永磁電機(jī)，感應(yīng)電機(jī)，同步磁阻電機(jī)和繞線轉(zhuǎn)子同步電機(jī)和2~8相的開關(guān)磁阻電機(jī)的map圖的計(jì)算。對(duì)于除開關(guān)磁阻電機(jī)以外的所有電機(jī)類型，用戶都可以使用命令行指定每個(gè)繞組的相移，建議第一個(gè)相移輸入“ 0”。
3. 同步磁阻電機(jī)Map計(jì)算
同步磁阻電機(jī)計(jì)算方式與永磁同步電機(jī)一樣，掃描變量為相電流的有效值、gamma角和轉(zhuǎn)速。支持周期性和半周期性TDM。出于穩(wěn)定性考慮，在電動(dòng)機(jī)模式下，gamma范圍為（45°~90°），在發(fā)電機(jī)模式下，gamma角范圍為（90°~135°）。
4. 開關(guān)磁阻電機(jī)Map計(jì)算
開關(guān)磁阻電機(jī)掃描變量是電流、gamma角和轉(zhuǎn)速。Toolkit目前支持2~8相的開關(guān)磁阻電機(jī)。用戶需要在ACT中輸入定子相數(shù)、轉(zhuǎn)子極數(shù)、電流、滯環(huán)控制下的導(dǎo)通寬度等參數(shù)。
5. 電勵(lì)磁同步電機(jī)Map計(jì)算
電勵(lì)磁同步電機(jī)掃描變量為定子電流、gamma角、轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁電流。四個(gè)變量都掃描的話會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間非常長(zhǎng)。改進(jìn)的方法是在ACT腳本內(nèi)部取消轉(zhuǎn)速掃描，以最大轉(zhuǎn)速的一半進(jìn)行仿真，并用這個(gè)結(jié)果評(píng)估其他轉(zhuǎn)速下的結(jié)果。支持周期性和半周期性TDM計(jì)算。
6. 求解速度提升
新版本中ACT新增取消轉(zhuǎn)速掃描的功能，當(dāng)使用該功能時(shí)軟件僅仿真參考轉(zhuǎn)速（最大轉(zhuǎn)速的一半），其他轉(zhuǎn)速下的性能將根據(jù)參考速度的仿真結(jié)果進(jìn)行推導(dǎo)，取消轉(zhuǎn)速掃描后大大減少了仿真時(shí)間，提高仿真效率。該功能適用于永磁同步電機(jī)和同步磁阻電機(jī)。
7. 定轉(zhuǎn)子鐵耗分離
新版本中ACT新增定子和轉(zhuǎn)子鐵損分離的功能。
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新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)展望
圖1 發(fā)卡式(扁銅線)定子繞組
（二）多相永磁電機(jī)技術(shù)
多相電機(jī)在輸出相同功率時(shí)的母線電壓低于傳統(tǒng)的三相電機(jī)，且具有更小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和更強(qiáng)的容錯(cuò)能力[9]，因此適用于對(duì)噪聲、振動(dòng)、聲振粗糙度（NVH）要求高的新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)[10]。以雙三相永磁同步電機(jī)為例，電機(jī)的兩套繞組在空間上相距30°電角度，消除了5次與7次諧波磁勢(shì)，大大減少了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[11,12]。同時(shí)，雙三相永磁同步電機(jī)兩套繞組采用隔離中線設(shè)計(jì)，相比4相與5相電機(jī)，降低了系統(tǒng)的階次，便于分析與控制，在電機(jī)與控制器發(fā)生故障時(shí)，控制算法不需要大的更改即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)的容錯(cuò)運(yùn)行控制，因此雙三相永磁同步電機(jī)也成為了新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。
（三）永磁同步磁阻電機(jī)技術(shù)
永磁同步磁阻電機(jī)是“永磁同步電機(jī)+磁阻電機(jī)”的融合，與傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)相比，其永磁體磁鏈較小、磁阻轉(zhuǎn)矩較大，是一種少稀土/無(wú)稀土永磁電機(jī)方案。同時(shí)，其不但擁有很高的扭矩電流比、很高的功率密度、較低的磁飽和問題，還具有更寬廣的高效率調(diào)速范圍。因此，該技術(shù)路線已經(jīng)被應(yīng)用于寶馬公司的i3和i8系列車型（見圖2）。
永磁同步磁阻電機(jī)是當(dāng)前行業(yè)界普遍看好的技術(shù)路線。但是其也面臨著轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、制造工藝復(fù)雜、制造設(shè)備成本高、最優(yōu)電流角度變化大等問題，是當(dāng)前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，該技術(shù)的發(fā)展對(duì)于一些嚴(yán)重依賴廉價(jià)稀土永磁體、研發(fā)能力和制造加工能力差的企業(yè)將是不小的沖擊。
（四）輪轂電機(jī)技術(shù)
圖2 寶馬i3車用永磁同步磁阻電機(jī)
輪轂電機(jī)的形式多樣，但國(guó)內(nèi)外的研究多集中在外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)[13～16]。輪轂電機(jī)的應(yīng)用能夠給新能源汽車帶來(lái)一系列明顯優(yōu)勢(shì)：省掉了變速器、傳動(dòng)軸、差速器等機(jī)械傳動(dòng)部分，可以實(shí)現(xiàn)四輪分布式驅(qū)動(dòng)，且留下更多的底盤空間給電池包。
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圖1 發(fā)卡式(扁銅線)定子繞組
（二）多相永磁電機(jī)技術(shù)
多相電機(jī)在輸出相同功率時(shí)的母線電壓低于傳統(tǒng)的三相電機(jī)，且具有更小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和更強(qiáng)的容錯(cuò)能力[9]，因此適用于對(duì)噪聲、振動(dòng)、聲振粗糙度（NVH）要求高的新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)[10]。以雙三相永磁同步電機(jī)為例，電機(jī)的兩套繞組在空間上相距30°電角度，消除了5次與7次諧波磁勢(shì)，大大減少了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[11,12]。同時(shí)，雙三相永磁同步電機(jī)兩套繞組采用隔離中線設(shè)計(jì)，相比4相與5相電機(jī)，降低了系統(tǒng)的階次，便于分析與控制，在電機(jī)與控制器發(fā)生故障時(shí)，控制算法不需要大的更改即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)的容錯(cuò)運(yùn)行控制，因此雙三相永磁同步電機(jī)也成為了新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。
（三）永磁同步磁阻電機(jī)技術(shù)
永磁同步磁阻電機(jī)是“永磁同步電機(jī)+磁阻電機(jī)”的融合，與傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)相比，其永磁體磁鏈較小、磁阻轉(zhuǎn)矩較大，是一種少稀土/無(wú)稀土永磁電機(jī)方案。同時(shí)，其不但擁有很高的扭矩電流比、很高的功率密度、較低的磁飽和問題，還具有更寬廣的高效率調(diào)速范圍。因此，該技術(shù)路線已經(jīng)被應(yīng)用于寶馬公司的i3和i8系列車型（見圖2）。
永磁同步磁阻電機(jī)是當(dāng)前行業(yè)界普遍看好的技術(shù)路線。但是其也面臨著轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、制造工藝復(fù)雜、制造設(shè)備成本高、最優(yōu)電流角度變化大等問題，是當(dāng)前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，該技術(shù)的發(fā)展對(duì)于一些嚴(yán)重依賴廉價(jià)稀土永磁體、研發(fā)能力和制造加工能力差的企業(yè)將是不小的沖擊。
（四）輪轂電機(jī)技術(shù)
圖2 寶馬i3車用永磁同步磁阻電機(jī)
輪轂電機(jī)的形式多樣，但國(guó)內(nèi)外的研究多集中在外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)[13～16]。輪轂電機(jī)的應(yīng)用能夠給新能源汽車帶來(lái)一系列明顯優(yōu)勢(shì)：省掉了變速器、傳動(dòng)軸、差速器等機(jī)械傳動(dòng)部分，可以實(shí)現(xiàn)四輪分布式驅(qū)動(dòng)，且留下更多的底盤空間給電池包。
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對(duì)于除開關(guān)磁阻電機(jī)以外的所有電機(jī)類型，用戶都可以使用命令行指定每個(gè)繞組的相移，建議第一個(gè)相移輸入“ 0”。
3. 同步磁阻電機(jī)Map計(jì)算
同步磁阻電機(jī)計(jì)算方式與永磁同步電機(jī)一樣，掃描變量為相電流的有效值、gamma角和轉(zhuǎn)速。支持周期性和半周期性TDM。出于穩(wěn)定性考慮，在電動(dòng)機(jī)模式下，gamma范圍為（45°~90°），在發(fā)電機(jī)模式下，gamma角范圍為（90°~135°）。
4. 開關(guān)磁阻電機(jī)Map計(jì)算
開關(guān)磁阻電機(jī)掃描變量是電流、gamma角和轉(zhuǎn)速。Toolkit目前支持2~8相的開關(guān)磁阻電機(jī)。用戶需要在ACT中輸入定子相數(shù)、轉(zhuǎn)子極數(shù)、電流、滯環(huán)控制下的導(dǎo)通寬度等參數(shù)。
5. 電勵(lì)磁同步電機(jī)Map計(jì)算
電勵(lì)磁同步電機(jī)掃描變量為定子電流、gamma角、轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁電流。四個(gè)變量都掃描的話會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間非常長(zhǎng)。改進(jìn)的方法是在ACT腳本內(nèi)部取消轉(zhuǎn)速掃描，以最大轉(zhuǎn)速的一半進(jìn)行仿真，并用這個(gè)結(jié)果評(píng)估其他轉(zhuǎn)速下的結(jié)果。支持周期性和半周期性TDM計(jì)算。
6. 求解速度提升
新版本中ACT新增取消轉(zhuǎn)速掃描的功能，當(dāng)使用該功能時(shí)軟件僅仿真參考轉(zhuǎn)速（最大轉(zhuǎn)速的一半），其他轉(zhuǎn)速下的性能將根據(jù)參考速度的仿真結(jié)果進(jìn)行推導(dǎo)，取消轉(zhuǎn)速掃描后大大減少了仿真時(shí)間，提高仿真效率。該功能適用于永磁同步電機(jī)和同步磁阻電機(jī)。
7. 定轉(zhuǎn)子鐵耗分離
新版本中ACT新增定子和轉(zhuǎn)子鐵損分離的功能。當(dāng)使用該功能時(shí)軟件分別識(shí)別定子和轉(zhuǎn)子中需要計(jì)算鐵心損耗的部件，并最終輸出兩張Map圖，分別顯示定子和轉(zhuǎn)子鐵心損耗。
展開 新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：核心功能、工作原理與新興拓?fù)浼夹g(shù)解析
</span></p><p><strong style="background-color: rgb(253, 198, 32);">（三）開關(guān)磁阻電機(jī)：高可靠性和無(wú)稀土設(shè)計(jì)</strong></p><p>開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）是一種經(jīng)過(guò)數(shù)十年可靠性測(cè)試的成熟技術(shù)，近年來(lái)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域逐漸受到關(guān)注。這種電機(jī)不含稀土材料，具有高可靠性和高能效的特點(diǎn)，特別是在零容錯(cuò)應(yīng)用中表現(xiàn)出色。</p><p>隨著電力電子技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的最新進(jìn)展，開關(guān)磁阻電機(jī)正在進(jìn)入新的高能效應(yīng)用領(lǐng)域。一些公司已經(jīng)在開關(guān)磁阻電機(jī)技術(shù)上取得了顯著進(jìn)展。例如，En+dyn Inc.獲得了1500萬(wàn)美元的投資，以加快業(yè)務(wù)計(jì)劃的實(shí)施；Turntide Technologies籌集了2.25億美元，并收購(gòu)了三家公司，以加快其市場(chǎng)化進(jìn)程；Advanced Electric Machines公司開發(fā)了HDSRM（高密度開關(guān)磁阻機(jī)），目標(biāo)市場(chǎng)是商用車領(lǐng)域。</p><p>開關(guān)磁阻電機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)在于其高可靠性和無(wú)稀土設(shè)計(jì)，這使其在成本和資源利用方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。然而，該技術(shù)也面臨一些挑戰(zhàn)，如電機(jī)的噪音和振動(dòng)問題，以及對(duì)電力電子控制系統(tǒng)的高要求。這些都需要通過(guò)進(jìn)一步的技術(shù)創(chuàng)新來(lái)克服<span style="color: rgb(51, 51, 51);">。</span></p><p><strong style="background-color: rgb(253, 198, 32);">（四）SynRM-IPM：高效與低成本的結(jié)合</strong></p><p>SynRM-IPM（同步磁阻電機(jī)與內(nèi)部永磁電機(jī)的組合）已成為汽車行業(yè)小型電動(dòng)汽車細(xì)分市場(chǎng)中極具吸引力的電機(jī)類型。這種電機(jī)結(jié)合了同步磁阻電機(jī)和內(nèi)部永磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，能夠在低速和高速應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更理想的特性。
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