2020电驱动电机的挑战·如何提升电机效率（中）

cwmail7317 2019-05-30

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如何提高效率的进一步思考

发卡电机、高效硅钢是通过降低铜耗、降低铁耗来提高效率的。这类技术属于基础层面的提效技术，这种路线在电机全工作范围都有效。还有一种思路是解决局部工作区域的效率问题。比如说对永磁同步电机而言，最高效率已经很高，提升的空间有限。现在痛点在高速时、低速大载时的局部效率。从这点出发又可以衍生出一系列技术路线。其中之一是“磁通可变电机”。

磁通可变电机

车用驱动永磁同步电机，即强调低速高转矩，又强调高速高功率，因此存在一对跷跷板矛盾。从低速爬坡的角度出发，需要较大的永磁磁链，获得大转矩系数和转矩密度。从高速的性能出发，希望较小的永磁磁链，提升高速输出能力。现在解决的办法是采用深度弱磁技术，通过电枢绕组产生去磁磁场分量，去抵消掉永磁体产生的磁链。但这会带来永磁体退磁的风险，而且过多的去磁电流还会产生额外的铜耗，降低效率。如果能实现磁通可变，在低速的时候用高磁通，高速的时候用小磁通，则能解决这个痛点。

实现磁通可变的方法很多。如果不改变电机拓扑结构和控制算法，有如下几种方案可供选择。

记忆电机---磁极可变电机

所谓磁极可变电机，指的是电机在运行过程中可以呈现双模态，两个模态的极对数不一样，这就意味着在所有的磁极中，存在一些“墙头草”，可以根据需要，改变自己的磁化方向。其实任何磁极材料都可以改变磁化方向。比如铷铁硼材料，只要给出大于其矫顽力5倍的反向磁场，就能被重新磁化。但电机本身很难给出这么高的场强，这种工作，必须要在充磁设备上进行。相比之下另外一种叫铝镍钴的永磁材料要“软”的多，它的特性是高剩磁、低矫顽。（内禀矫顽力只有钕铁硼的10%左右，剩磁可以达到80%左右）。这就意味着可以通过电机本身的电枢磁场直接进行“在线变极手术”，将铝镍钴磁极性反转，再配合不变极性的钕铁硼磁极，即可构成两种极数状态。

以下图为例，单向箭头的是不可变极的钕铁硼材料，双向箭头的是可变极的铝镍钴材料，变极前为6极电机，变极后为2极电机。

变极带来的好处显而易见，电机在中低速时，采用6极工作模式，在高速时切换成2极工作模式，这样运行频率会比6极的状态，降低为其三分之一，前面说了，铁耗和频率成正相关，频率降低了铁耗也相应下降。实践证明通过变极这台电机在10000rpm的铁耗降低了50%。另外一些团队也做了类似的实践，披露出高速铁耗可以降低39~50%，可见变极带来的高速效率提升效果非常明显。

电机要做到在线变极的功能，还需要满足一个条件，就是电机本身的定子磁场极性也能改变，也就是从6极能变回2极。这就需要有柔性的绕组设计。这个怎么实现的呢？如下图所示，每相绕组有3个支路线圈，6极时支路有构成是纵向三个支路串联， 2极时是横向支路串联（下图右上角）。类似于乐高搭建，最小模块单元是支路，不同的组合搭建出不同的电路拓扑。但这也就意味着，控制器的功率器件需要对支路进行单独控制。

变极时，除了切换绕组的电路拓扑，还需要一定的算法的配合，其实也很简单，只需要控制直轴电流即可，以这台电机为例，当需要形成6极磁场时，只需要瞬时灌入六极的27A的正向直轴电流（5.4倍额定电流），当需要从6极切换成2极时，需要瞬时灌入两极31A的反向直轴电流（6.2倍额定电流）。

变极对转子的结构没有太多的要求，除了前面提到的磁极结构，其他磁极结构如一字型、V字型、SPOKE结构都能做到变极。但是不同的磁极结构，对变极需要的电流要求也不一样。好的磁极结构是既容易改变极性，状态稳定后又不容易退磁。

变磁极电机虽然能够极大的提升高速效率，但也面临一些问题需要解决：

1. 在线变极时，需要切换功率电路的拓扑，然后需要灌入变极电流时，这会带来电气冲击，造成转矩不连贯，车速不平顺。

2. 控制器需要对每个绕组支路进行控制，这需要增加更多的功率开关器件，提高逆变器的成本。

机械漏磁式

变磁极结构需要采用额外的控制电路和控制算法，不利于单电机推广。如果仅通过电机设计就能实现磁通可变，将具备更大的优势，下面介绍一种自调节的磁通的电机。

一种自调节磁通的SPOKE结构

SPOKE结构是一种常用永磁同步电机结构，其具备高凸极比、高聚磁效应的特点，采用SPOKE结构的EV驱动电机具备高磁阻转矩、低成本、高功率密度等突出优点。如果在SPOKE结构的基础上，增加必要的机械结构，就能实现磁通可变。

如下图所示，电机有两种工作状态。在低速时，转子内部的环状导磁轭是分离状态，磁钢的漏磁较少，主磁通较大。当转速提高时，轭部环和转子铁芯内圈接触，相当部分的磁通通过轭部短路。这就导致了主磁通减少。从两种状态的气隙磁密波形不同就可以观察到这种效应。

实现这种效应的是一种简单的弹簧装置，电机的三个轭环通过弹簧和端板联结，受离心力和弹簧力的共同作用，当低速时离心力不足以克服弹簧力，轭环不发生移动。当转速持续上升，离心力超过弹簧力时，轭环向外运动，直至贴紧转子内圈。

这种电机的工作原理是，当转速达到临界点时，轭部贴合，电机的反电动势下降，不需要弱磁也能提速。实际测试下来：和轭部不能移动的对照组电机相比，高速段直轴电流明显下降，这导致电机相电流下降60%，铜耗和电流的平方成正比，这也意味着，铜耗下降了84%。

自然漏磁式

通过电机内部机械的方式达到变磁通的目的，固然不需要改变控制器的电路结构和算法，但机械结构可能存在可靠性的问题，因此需要反复验证。如果不采用任何机械结构，能达到同样的目的，是电机工程师们追求的终极目标。这就是自然漏磁式磁极结构。

一般永磁同步电机设计思想是尽量减小永磁体漏磁，以提高永磁体的利用率，增加磁通量供给。但在高速时，希望减少磁通量供给。如果能通过磁极结构设计，在低速时漏磁小，高速时漏磁增多就能自然的达到这种要求。

实现的关键在于电枢磁场漏磁路要永磁磁场漏磁路共路，如下图所示，定子绕组产生的漏磁路如果经过转子极间表面闭环，而转子永磁漏磁路也经过转子极间漏磁路闭环，那么转子极间的磁桥就是两个环路的共路部分，而两个环路在磁桥部分的磁场方向是相反的。这意味作，存在一个合适的定子电流，让定子漏磁通和转子漏磁通在磁桥处刚刚好抵消，此时永磁体漏磁量为零，磁链最大。另一方面，当电流为0时，漏磁量最大，磁链最小，从而实现变磁通效果。

按照这个理论，任何带极间磁桥的内置式磁极结构都或多或少具备一定的变磁通效果。但这个幅度比较小，不足以产生明显的效果。需要特殊的设计才能扩大磁通差异量。日本 Nissan Motor 电动汽车实验室，开发出来一款自然变磁通电机。在两个磁极间设置了两个特殊形状的隔磁槽。这种设计，使得电枢绕组产生的q轴磁链和d轴磁链、永磁体磁链共用较长的漏磁路，共用的漏磁路多，漏磁变化的比例就相应变大，这使得轻载时和负载时主磁通差异量达到23%，已经有足够工程应用价值了。