如何提高效率的進(jìn)一步思考

發(fā)卡電機、高效硅鋼是通過降低銅耗、降低鐵耗來提高效率的。這類技術(shù)屬于基礎(chǔ)層面的提效技術(shù)，這種路線在電機全工作范圍都有效。還有一種思路是解決局部工作區(qū)域的效率問題。比如說對永磁同步電機而言，最高效率已經(jīng)很高，提升的空間有限。 現(xiàn)在痛點在高速時、低速大載時的局部效率。從這點出發(fā)又可以衍生出一系列技術(shù)路線。其中之一是“磁通可變電機”。

磁通可變電機

車用驅(qū)動永磁同步電機，即強調(diào)低速高轉(zhuǎn)矩，又強調(diào)高速高功率，因此存在一對蹺蹺板矛盾。從低速爬坡的角度出發(fā)，需要較大的永磁磁鏈，獲得大轉(zhuǎn)矩系數(shù)和轉(zhuǎn)矩密度。從高速的性能出發(fā)，希望較小的永磁磁鏈，提升高速輸出能力?，F(xiàn)在解決的辦法是采用深度弱磁技術(shù)，通過電樞繞組產(chǎn)生去磁磁場分量，去抵消掉永磁體產(chǎn)生的磁鏈。但這會帶來永磁體退磁的風(fēng)險，而且過多的去磁電流還會產(chǎn)生額外的銅耗，降低效率。如果能實現(xiàn)磁通可變，在低速的時候用高磁通，高速的時候用小磁通，則能解決這個痛點。

實現(xiàn)磁通可變的方法很多。如果不改變電機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制算法，有如下幾種方案可供選擇。

記憶電機---磁極可變電機

所謂磁極可變電機，指的是電機在運行過程中可以呈現(xiàn)雙模態(tài)，兩個模態(tài)的極對數(shù)不一樣，這就意味著在所有的磁極中，存在一些“墻頭草”，可以根據(jù)需要，改變自己的磁化方向。其實任何磁極材料都可以改變磁化方向。比如銣鐵硼材料，只要給出大于其矯頑力5倍的反向磁場，就能被重新磁化。但電機本身很難給出這么高的場強，這種工作，必須要在充磁設(shè)備上進(jìn)行。相比之下另外一種叫鋁鎳鈷的永磁材料要“軟”的多，它的特性是高剩磁、低矯頑。（內(nèi)稟矯頑力只有釹鐵硼的10%左右，剩磁可以達(dá)到80%左右）。這就意味著可以通過電機本身的電樞磁場直接進(jìn)行“在線變極手術(shù)”，將鋁鎳鈷磁極性反轉(zhuǎn)，再配合不變極性的釹鐵硼磁極，即可構(gòu)成兩種極數(shù)狀態(tài)。

以下圖為例，單向箭頭的是不可變極的釹鐵硼材料，雙向箭頭的是可變極的鋁鎳鈷材料，變極前為6極電機，變極后為2極電機。

變極帶來的好處顯而易見，電機在中低速時，采用6極工作模式，在高速時切換成2極工作模式，這樣運行頻率會比6極的狀態(tài)，降低為其三分之一，前面說了，鐵耗和頻率成正相關(guān)， 頻率降低了鐵耗也相應(yīng)下降。實踐證明通過變極這臺電機在10000rpm的鐵耗降低了50%。另外一些團隊也做了類似的實踐，披露出高速鐵耗可以降低39~50%，可見變極帶來的高速效率提升效果非常明顯。

電機要做到在線變極的功能，還需要滿足一個條件，就是電機本身的定子磁場極性也能改變，也就是從6極能變回2極。這就需要有柔性的繞組設(shè)計。這個怎么實現(xiàn)的呢？如下圖所示，每相繞組有3個支路線圈，6極時支路有構(gòu)成是縱向三個支路串聯(lián)， 2極時是橫向支路串聯(lián)（下圖右上角）。 類似于樂高搭建，最小模塊單元是支路，不同的組合搭建出不同的電路拓?fù)洹５@也就意味著，控制器的功率器件需要對支路進(jìn)行單獨控制。

變極時，除了切換繞組的電路拓?fù)洌?還需要一定的算法的配合，其實也很簡單，只需要控制直軸電流即可，以這臺電機為例，當(dāng)需要形成6極磁場時，只需要瞬時灌入六極的27A的正向直軸電流（5.4倍額定電流），當(dāng)需要從6極切換成2極時，需要瞬時灌入兩極31A的反向直軸電流（6.2倍額定電流）。

變極對轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)沒有太多的要求，除了前面提到的磁極結(jié)構(gòu)，其他磁極結(jié)構(gòu)如一字型、V字型、SPOKE結(jié)構(gòu)都能做到變極。但是不同的磁極結(jié)構(gòu)，對變極需要的電流要求也不一樣。好的磁極結(jié)構(gòu)是既容易改變極性，狀態(tài)穩(wěn)定后又不容易退磁。

變磁極電機雖然能夠極大的提升高速效率，但也面臨一些問題需要解決：

1.     在線變極時，需要切換功率電路的拓?fù)?，然后需要灌入變極電流時，這會帶來電氣沖擊，造成轉(zhuǎn)矩不連貫，車速不平順。

2.     控制器需要對每個繞組支路進(jìn)行控制，這需要增加更多的功率開關(guān)器件，提高逆變器的成本。

機械漏磁式

變磁極結(jié)構(gòu)需要采用額外的控制電路和控制算法，不利于單電機推廣。如果僅通過電機設(shè)計就能實現(xiàn)磁通可變，將具備更大的優(yōu)勢，下面介紹一種自調(diào)節(jié)的磁通的電機。

一種自調(diào)節(jié)磁通的SPOKE結(jié)構(gòu)

SPOKE結(jié)構(gòu)是一種常用永磁同步電機結(jié)構(gòu)，其具備高凸極比、高聚磁效應(yīng)的特點，采用SPOKE結(jié)構(gòu)的EV驅(qū)動電機具備高磁阻轉(zhuǎn)矩、低成本、高功率密度等突出優(yōu)點。如果在SPOKE結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加必要的機械結(jié)構(gòu)，就能實現(xiàn)磁通可變。

如下圖所示，電機有兩種工作狀態(tài)。在低速時，轉(zhuǎn)子內(nèi)部的環(huán)狀導(dǎo)磁軛是分離狀態(tài)，磁鋼的漏磁較少，主磁通較大。當(dāng)轉(zhuǎn)速提高時，軛部環(huán)和轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)圈接觸，相當(dāng)部分的磁通通過軛部短路。這就導(dǎo)致了主磁通減少。從兩種狀態(tài)的氣隙磁密波形不同就可以觀察到這種效應(yīng)。

實現(xiàn)這種效應(yīng)的是一種簡單的彈簧裝置，電機的三個軛環(huán)通過彈簧和端板聯(lián)結(jié)，受離心力和彈簧力的共同作用，當(dāng)?shù)退贂r離心力不足以克服彈簧力，軛環(huán)不發(fā)生移動。當(dāng)轉(zhuǎn)速持續(xù)上升，離心力超過彈簧力時，軛環(huán)向外運動，直至貼緊轉(zhuǎn)子內(nèi)圈。

這種電機的工作原理是，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到臨界點時，軛部貼合，電機的反電動勢下降，不需要弱磁也能提速。實際測試下來：和軛部不能移動的對照組電機相比，高速段直軸電流明顯下降，這導(dǎo)致電機相電流下降60%，銅耗和電流的平方成正比，這也意味著，銅耗下降了84%。

自然漏磁式

通過電機內(nèi)部機械的方式達(dá)到變磁通的目的，固然不需要改變控制器的電路結(jié)構(gòu)和算法，但機械結(jié)構(gòu)可能存在可靠性的問題，因此需要反復(fù)驗證。如果不采用任何機械結(jié)構(gòu)，能達(dá)到同樣的目的，是電機工程師們追求的終極目標(biāo)。這就是自然漏磁式磁極結(jié)構(gòu)。

一般永磁同步電機設(shè)計思想 是盡量減小永磁體漏磁，以提高永磁體的利用率，增加磁通量供給。但在高速時，希望減少磁通量供給。如果能通過磁極結(jié)構(gòu)設(shè)計，在低速時漏磁小，高速時漏磁增多就能自然的達(dá)到這種要求。

實現(xiàn)的關(guān)鍵在于 電樞磁場漏磁路要永磁磁場漏磁路共路，如下圖所示，定子繞組產(chǎn)生的漏磁路如果經(jīng)過轉(zhuǎn)子極間表面閉環(huán)，而轉(zhuǎn)子永磁漏磁路也經(jīng)過轉(zhuǎn)子極間漏磁路閉環(huán)，那么轉(zhuǎn)子極間的磁橋就是兩個環(huán)路的共路部分，而兩個環(huán)路在磁橋部分的磁場方向是相反的。這意味作， 存在一個合適的定子電流，讓定子漏磁通和轉(zhuǎn)子漏磁通在磁橋處剛剛好抵消，此時永磁體漏磁量為零，磁鏈最大。另一方面，當(dāng)電流為0時，漏磁量最大，磁鏈最小，從而實現(xiàn)變磁通效果。

按照這個理論，任何帶極間磁橋的內(nèi)置式磁極結(jié)構(gòu)都或多或少具備一定的變磁通效果。但這個幅度比較小，不足以產(chǎn)生明顯的效果。需要特殊的設(shè)計才能擴大磁通差異量。日本 Nissan Motor 電動汽車實驗室，開發(fā)出來一款自然變磁通電機。在兩個磁極間設(shè)置了兩個特殊形狀的隔磁槽。這種設(shè)計，使得電樞繞組產(chǎn)生的q軸磁鏈和d軸磁鏈、永磁體磁鏈 共用較長的漏磁路，共用的漏磁路多，漏磁變化的比例就相應(yīng)變大，這使得輕載時和負(fù)載時主磁通差異量達(dá)到23%，已經(jīng)有足夠工程應(yīng)用價值了。

下圖為空載和負(fù)載的永磁體漏磁狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)負(fù)載時，漏磁量明顯小于空載時。

在低速爬坡時，電機負(fù)載大，需要較大的永磁磁鏈。當(dāng)中高速時，電機的轉(zhuǎn)矩下降，需要較小的磁鏈。變磁通結(jié)構(gòu)的設(shè)計效果符合該需求，如下圖所示：電機的永磁磁鏈和轉(zhuǎn)矩系數(shù)是隨著Iq的增加而增加的，并在當(dāng)達(dá)到飽和的臨界點后維持不變。

為了證實該電機的性能，該實驗室制作了一臺普通IPM電機作為對比。對比結(jié)果表面：這種變磁通電機在低速段轉(zhuǎn)矩輸出能力略小于普通電機，但在高速段具備明顯的優(yōu)勢，轉(zhuǎn)速提升23%，而且高速輸出功率數(shù)倍于普通電機。

在效率方面變磁通電機存在明顯的優(yōu)勢，由于需要的弱磁電流減小和主磁場減小，在中高速段的鐵耗和銅耗明顯下降，下面的MAP圖證明了這個結(jié)論。

為了進(jìn)一步驗證，該實驗室將電機做上車試驗，實際綜合路況測試下來，同樣的里程，能量消耗減小17%。

該電機的實際樣機和參數(shù)如下，其轉(zhuǎn)矩密度為26.6Nm/L,功率密度為3.93kW/L。

除了這種結(jié)構(gòu)，還有其它的自然漏磁結(jié)構(gòu)，他們都具備磁通隨轉(zhuǎn)速變小的效果，且都不需要控制器任何算法和電路改進(jìn)，國外的實踐也證明可以在EV領(lǐng)域中應(yīng)用。美中不足的是，這種磁 結(jié)構(gòu)必然導(dǎo)致Lq減小，磁阻轉(zhuǎn)矩下降，功率密度降低。在這個問題沒有解決之前，需要平衡效率和功率密度兩個指標(biāo)的優(yōu)先級。

【小結(jié)】變磁通電機是解決電機高低速性能平衡的有效辦法。永磁同步電機實現(xiàn)變磁通方法有很多，大致分為：

1利用記憶電機的原理改變極數(shù)或降低磁通量；

2利用機械結(jié)構(gòu)改變漏磁量，實現(xiàn)變磁通；

3利用自然漏磁的磁極設(shè)計，實現(xiàn)不同電機下磁通量差異；

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