表格 1國外主流電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最高轉(zhuǎn)速

高速化雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但是也給電機(jī)和控制帶來很多困難。在電磁上最突出的困難包括如下幾個(gè)：

如何既保證低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩，又實(shí)現(xiàn)高速時(shí)的效率，實(shí)現(xiàn)兩頭平衡；

如何克服穩(wěn)定裕度下降控制難度增加的困難；

本文探討的是從永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)出發(fā)，如何解決問題的方法和思路，供大家參考。

下面這個(gè)公式清晰的描述了轉(zhuǎn)速和電機(jī)參數(shù)的關(guān)系。

圖表 1電機(jī)最高轉(zhuǎn)速公式

通過對式分析可看出,提高永磁同步電機(jī)（PMSM）的弱磁最高轉(zhuǎn)速有以下四種途徑:

(1) 增大極限電壓ulim(電壓極限);

(2) 增大極限電流ilim(電流極限);

(3) 減小永磁磁鏈ψf（永磁磁鏈）;

(4)增大直軸電感Ld。

其中前兩種方案勢必要增大逆變器容量,從而使成本增加。我們需要考慮其他解決方案。

學(xué)徒級

減小永磁磁鏈

減小永磁磁鏈ψf，當(dāng)然能提高工作轉(zhuǎn)速，但如此電機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)降低，如下公式所描述的，為了獲得同樣的轉(zhuǎn)矩，磁鏈小了，就需要增加更多的電流，這會(huì)導(dǎo)致控制器的電流壓力過大，增加成本。因此這是一種簡單有效但是有成本代價(jià)的方案。

增加直軸電感

比較理想的方法是增大直軸電感，電感大了，較小的直軸電流就能起到好的弱磁效果，因?yàn)槿菀装炎罡咿D(zhuǎn)速公式中的分母變小，從而獲得更高的速度。增加電感的方式有很多，一般會(huì)在轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)上作文章，比如增加磁橋的厚度，或者把磁鋼分段，增設(shè)中間磁橋，下圖就是兩種增加分段磁橋的方法，這些方法都能夠有效增加直軸電感。

但問題沒有那么簡單， 因?yàn)樵黾恿酥陛S電感也會(huì)有壞處的，若交軸電感沒有增加，那么電機(jī)的凸極比會(huì)下降，電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩比例會(huì)下降，轉(zhuǎn)矩密度降低。而且增加Ld的措施會(huì)增加漏磁，減小永磁體的利用率，如下圖所示。分段結(jié)構(gòu)雖然雖然轉(zhuǎn)速上去了，但漏磁系數(shù)增加了，平均轉(zhuǎn)矩也下降了。因此增加直軸電感是一種簡單有效學(xué)徒方法，它會(huì)帶來很多副作用。

專家級

世界是復(fù)雜的，事情是多面的，學(xué)徒級手段只是單方向的解決問題，很快就會(huì)碰到天花板，因此需要辯證的看待問題，利用組合的優(yōu)化策略，來彌補(bǔ)學(xué)徒級手段的不足，這就有了專家級的優(yōu)化策略。

增加交軸電感（提高凸極率）

從下面的公式可以看出，永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩有兩部分組成，一部分是永磁體提供的永磁轉(zhuǎn)矩下降，另一部分是由于交、直軸電感差異引起的磁阻轉(zhuǎn)矩。為了提高速度，直軸電感（Ld）增加，永磁磁鏈降低，會(huì)導(dǎo)致永磁轉(zhuǎn)矩下降，有必要提高磁阻轉(zhuǎn)矩，因此需要增加交軸電感（Lq），從而提高凸極率

怎么增加交軸電感呢，還是在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上做文章。下面介紹一下Prius的電機(jī)經(jīng)驗(yàn)，Prius第一代電機(jī)THS是采用一字結(jié)構(gòu)（下圖左下），最高轉(zhuǎn)速6000rpm。

第二代THSII型在轉(zhuǎn)矩增加的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)速不降反升，達(dá)到了6400rpm，核心的原因就是采用了V字結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)凸極率更高，交直軸電感都高于一字結(jié)構(gòu)。

在第三代產(chǎn)品THSIII中，他們對V字結(jié)構(gòu)的研究漸入佳境，增設(shè)了V字底部的磁橋，這樣做雖然會(huì)增加直軸電感，但會(huì)降低永磁磁鏈，怎么補(bǔ)償呢？仔細(xì)分析后會(huì)發(fā)現(xiàn)：較第二代產(chǎn)品，他們V字的夾角（圖中的θ）變小了，這樣交軸磁路通道變寬，交軸電感大幅上升，如此磁阻轉(zhuǎn)矩得以提高，磁阻轉(zhuǎn)矩占60%以上（最大轉(zhuǎn)矩工況），這樣帶來的效果，不但最高轉(zhuǎn)速上去了，電機(jī)成本也大幅下降(有60%的轉(zhuǎn)矩不是昂貴的磁鋼提供的)。

降低飽和度

飽和度低了，不但能夠同時(shí)提升交直軸電感，還提高凸極率。除了在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)外，優(yōu)化定子齒槽面積比例，能夠降低定子的飽和度，下面是一個(gè)專家研究在槽數(shù)不變的情況下，改變定子槽齒的寬度（齒槽比）比對飽和度的影響。

從電磁場云圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著齒的面積增加，磁場的飽和程度會(huì)降低，電機(jī)的凸極率會(huì)上升。

齒槽比過高會(huì)導(dǎo)致電機(jī)嵌線困難。需要改進(jìn)工藝手段，獲得更高的槽滿率，二者相結(jié)合可以更有效的提高電機(jī)的弱磁擴(kuò)速能力。

此外通過優(yōu)化槽極比也能夠提高凸極率，通過氣隙和匝數(shù)的選擇也可以，很多高手都做過論述，但總的基調(diào)就是增加直軸電感，增加凸級率。

大師級

人對世界的認(rèn)識(shí)是無止境的，有些人總是看得更細(xì)、看得更全面。 因此稱之為大師，在如何提高弱磁擴(kuò)速能力問題上，他們有更深刻的見解，更豐富的手段。當(dāng)更深入的時(shí)候，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)同樣的電機(jī)都能達(dá)到某個(gè)高速水平，但它們實(shí)現(xiàn)的難度是不一樣的，實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量也是不一樣的，如何衡量這種水平差異，我們需要建立更底層的指標(biāo)體系。

正弦度

如果從控制器的角度出發(fā)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)有些電機(jī)難控制，有的電機(jī)好控制，在高速的時(shí)候，這種差異會(huì)更大，有些電機(jī)雖然也能達(dá)到高速，但對控制的參數(shù)的敏感度更高，控制的穩(wěn)定裕度也會(huì)更低，極容易失穩(wěn)，到底是什么在影響呢？其中一個(gè)是正弦性。

氣隙磁密可以看成是基波和諧波的合成

完全意義上的正弦電機(jī)是不存在的，我們可以把電機(jī)理解成一臺(tái)基波正弦電機(jī)和若干臺(tái)諧波電機(jī)的組合。同時(shí)控制這么多電機(jī)是不現(xiàn)實(shí)的，正常的情況下，基波正弦電機(jī)的能力遠(yuǎn)大于其它諧波電機(jī)，控制器只需要控制好基波電機(jī)就可以了，這叫抓住主要矛盾。也就是說基波電機(jī)和諧波電機(jī)的能量比例越懸殊，控制就越簡單。衡量這個(gè)比例的指標(biāo)叫正弦性。 我們一般講永磁氣隙磁密的正弦性、電樞磁密的正弦性等等，正弦性越好，控制越簡單，越容易實(shí)現(xiàn)高速。

可以通過許多手段來優(yōu)化正弦性，比如采用偏心的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如上圖所示，可以通過調(diào)整極弧系數(shù)和偏心距來實(shí)現(xiàn)。但在高速時(shí)，情況有所不同，因?yàn)殡姌蟹磻?yīng)中有了很強(qiáng)的去磁成分，這個(gè)時(shí)候磁場主要是由永磁磁場和直軸磁場合成的，光永磁磁場的正弦性不足以保證合成磁場的正弦性，有些電機(jī)在這種工況下正弦性會(huì)極具惡化，導(dǎo)致諧波電機(jī)含量變高，只控制基波電機(jī)會(huì)導(dǎo)致控制困難，因此需要以弱磁狀態(tài)下的合成磁場的正弦性作為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

線性度

這里的線性度，指的是交直軸電感的線性度。 控制工程師總是希望，電機(jī)的電感是常量，是不隨電流變化而變化的，這樣他們控制起來就很簡單，他們把這種電感不怎么變化的電機(jī)叫線性電機(jī)。

交軸電感隨電流變大而變小 

但在現(xiàn)實(shí)世界中，這種電機(jī)是不存在的，存在的都是非線性的電機(jī)。就是電感參數(shù)會(huì)隨

著電流的大小而變化，特別是內(nèi)置式永磁同步電機(jī)，非線性是很強(qiáng)的，在弱磁狀態(tài)下，電磁場是永磁磁場、直軸磁場、交軸磁場三者的合成，雖然直軸磁場總體上是去磁的，是退飽和化的，但那只是總體上而言的，在某些局部位置反而是會(huì)加劇飽和的，這就導(dǎo)致了電感不但呈現(xiàn)出對電流的非線性，在不同轉(zhuǎn)子位置也會(huì)有差異。這種情況就比較復(fù)雜了，控制工程師處理這類問題就非常棘手，需要反復(fù)調(diào)整控制參數(shù)。線性度差的電機(jī)就不容易控制，因此考察在高速弱磁狀態(tài)下：電感的線性度，可以衡量出這臺(tái)電機(jī)的控制質(zhì)量。優(yōu)化電感線性度，就是考察設(shè)計(jì)者功力了，需要對永磁、直軸電樞、交軸電樞三種磁場的走向和特性都有深入的理解，沒有應(yīng)手的工具很難做到。EasiMotor軟件就是這樣的利器，他們提供了一種腳本，能夠分離出三種磁場并單獨(dú)觀測，讓你能夠駕馭局部飽和隨位置變化的規(guī)律。

抗退磁能力

前面兩種手段都是從控制的角度來評判電機(jī)的高速能力，其實(shí)從電機(jī)本體出發(fā)，也存在能力的高下的，我們知道如果控制器沒有電流限制，可以一直加弱磁電流，直到主磁場強(qiáng)度為0，這個(gè)時(shí)候在理論上是可以具備無限轉(zhuǎn)速的，但這里有個(gè)問題，就是永磁體會(huì)退磁的。有些電機(jī)，當(dāng)主磁場弱化到一半時(shí)就出現(xiàn)局部退磁了，有些電機(jī)則可以弱化更多，后者顯然就具備了更高的弱磁能力。

為什么說直軸電流容易退磁，因?yàn)樗拇艌龇较蚴峭ㄟ^永磁體，而且和永磁體磁場方向相反。如下圖所示，直軸磁場除了通過轉(zhuǎn)子外圓側(cè)的磁橋短路外，其它的全部打向永磁體。

因此直軸電樞反應(yīng)會(huì)影響磁鋼的工作點(diǎn)，有些局部位置會(huì)出現(xiàn)極小的磁密，磁密越低越容易退磁。好的電機(jī)設(shè)計(jì)，會(huì)在深弱磁狀態(tài)，不出現(xiàn)局部退磁，在高速運(yùn)行安全可靠。

永磁體磁場分布的不均勻性

如何優(yōu)化永磁體的局部磁密？ 通常采用分流、導(dǎo)流、增加磁鋼厚度、增加磁鋼矯頑力等多種手段的組合使用。這里不詳細(xì)展開，當(dāng)然需要有一款有限元軟件能夠及時(shí)反饋出你做的手段的有效性。

總結(jié)

車用永磁同步電機(jī)的高速化是大勢所趨，如何衡量和優(yōu)化高速弱磁能力不但是控制研究的重點(diǎn)，也是電機(jī)本體設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，好的設(shè)計(jì)目標(biāo)不但是能否達(dá)到高速，還要求提高運(yùn)行質(zhì)量，包括控制的難易程度和本身的安全程度。本文只是介紹了別人常用的思路和手段，還有許多方法沒有來得及介紹。但只要專注專研，人人都可以成為大師。