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在工程應用中，汽車用永磁同步電動機定子采用直槽結構，定轉子槽極配合為8極48槽，基于該種結構的永磁轉子對應不同的凸極比，其外特性如何、磁鋼用量多少、哪種形式轉子性能最優、是否符合高性價比要求，本文將針對這些熱點問題進行詳細的分析。

1 基本原理

永磁同步電動機的主要結構由定子(包括定子鐵心、線圈、機殼等)、永磁轉子(包括轉子鐵心、永磁體、轉軸等)、前后端蓋、軸承、接線盒以及反饋組件等多個主要零部件組成。

永磁同步電動機的電磁原理與他勵直流電動機類似。永磁同步電動機的旋轉控制采用旋轉坐標系的思想，將三相定子電流進行解耦，分解成專用于勵磁的直軸分量，以及專用于產生輸出轉矩的交軸分量，兩種分量互相獨立互不耦合。

對于永磁同步電動機來說，定子影響主要體現在定子繞組分布情況、定子槽數等，這與異步電機區別不大；而轉子的影響則體現在整個磁路上，不同結構的永磁轉子對電機性能影響極大。永磁轉子按結構一般分為表貼式和內置式兩種，內置式轉子結構相對復雜，本文以內置式轉子為研究點進行展開。

永磁同步電動機凸極比ρ一般指交直軸電感(或者是電抗)之比。即：

(1)

表貼式交直軸電感接近相等，其凸極比ρ=1；而內置式永磁同步電動機根據永磁體在轉子中的排布，形成多種不同凸極比的轉子結構，主要分為ρ>1和ρ<1兩種情況。

永磁同步電動機的基本向量關系如圖1所示。

圖1永磁同步電動機基本向量圖

根據圖1的向量關系及永磁同步電動機的電磁原理，得到電磁轉矩Te的計算公式如下：

(2)

式中：p為極對數；β為弱磁角；ψf為永磁磁鏈；Ia為定子電流；

從式(2)中可以看出，內置式永磁同步電動機電磁轉矩由永磁轉矩和磁阻轉矩兩部分組成。永磁轉矩與弱磁角成余弦關系，且與勵磁磁鏈成正比；而磁阻轉矩與兩倍弱磁角成正弦關系，還與交直軸電感之差成正比。

由電機電磁場理論有：

ψf=NΦ=NBS(3)

式中：N為每極線圈匝數；B為每極氣隙磁密；S為每極磁通面積。又根據電感差：

(Lq-Ld)∝ρ(4)

不計弱磁角度、極對數以及電樞電流影響，最終可以推得：

Te∝BSN(5)

Te∝ρ(6)

從式(3)～式(6)可以看出，內置式永磁同步電動機的電磁轉矩與永磁電機每極線圈匝數、每極氣隙磁密、每極磁通面積以及凸極比成正相關關系。

2 研究方法及過程

2.1研究方法

本文以某款國產汽車電機的主體結構為例，其具體性能參數指標如表1所示，進行典型規格優化設計。

表1某款國產汽車電機性能指標參數

在研究過程中，先結合工程實際應用，設定相同的定子參數，在其基礎上進行市場調研，結合理論研究成果，采用磁鏈、凸極比均有所不同的轉子結構進行仿真對比，匯總數據。然后針對仿真數據進行分析，分別計算最大輸出功率、最大轉矩、反電動勢系數KE值以及永磁體體積，并分別計算功率磁鋼體積比、轉矩磁鋼體積比、以及反電動勢系數磁鋼體積比，比較各轉子方案性能優勢及經濟性。

2.2研究過程

2.2.1 建立模型

根據表1的性能指標，進行5種轉子拓撲結構的計算：三角形、混合型、切向型、V字形及一字形等，具體結構及交直軸分布如圖2所示。

圖2不同轉子拓撲結構及交直軸分布

按圖2的轉子拓撲結構建模，槽極配合為經典的8極48槽，定子繞組形式采用1～6的分布式雙層繞組。

2.2.2 設定激勵條件

根據永磁同步電動機工作原理，設定電機定子輸入電流為三相正弦電流，具體激勵表達式如下：

iA=Imaxsin(2πft+β)

iB=Imaxsin(2πft+β-2π/3)

iC=Imaxsin(2πft+β+2π/3)

式中：Imax為電機線電流峰值；f為電流頻率；t為時間；β為弱磁角。

在上述激勵條件下考慮損耗設置方面，鐵心損耗計算時考慮定、轉子鐵心，渦流損耗計算時考慮定、轉子鐵心以及磁鋼表面渦流損耗影響。

2.2.3 設定邊界條件

在仿真時，各方案設定相同的邊界條件：電機額定轉速為2 000 r/min，最高轉速為10 000 r/min,電機定子相同，且線電流峰值按Imax=141.4 A(有效值為100 A)，電機弱磁初始角按45°進行掃描分析。

3 結果對比與數據分析

3.1結果對比

針對5種不同轉子拓撲結構方案，通過相關軟件進行仿真計算，首先進行反電動勢值、凸極比的計算，然后通過場路結合的方法，進行效率、轉矩、轉速等外特性的計算對比。在特性計算時，結合應用工程實際，為了能有效地利用內置式永磁同步電動機的凸極效應，發揮其固有機械特性，在仿真計算采用的控制策略是“恒轉矩區域采用單位電流最大轉矩控制，恒功率區則采用弱磁控制”。計算的效率MAP圖譜如圖3～圖7所示。