基于通用工业定子平台的SynRM和PMa设计：一种从工业应用向电动汽车过渡的新设计方法

《Engineering Applications of Artificial Intelligence》：Design of SynRM and PMaSynRM using a common industrial stator platform: a new design methodology for transition from industrial applications to electric vehicles

同步 reluctance (SynRM) 和永磁辅助同步 reluctance (PMaSynRM) 电机设计方法，通过仅优化转子 laminations 而保持定子平台不变，实现效率升级。采用多目标遗传算法 (MOGA) 平衡扭矩、效率、磁体体积和转矩波动，结合有限元分析 (FEA) 验证电磁性能。实验表明，PMaSynRM 电机效率达 90.25%，功率因数 >0.89，且无需新增定子/绕线工装，成本效益显著。该技术适用于工业电机向高效电机及电动汽车的平滑过渡。

　　本研究探讨了一种同步磁阻（SynRM）和永磁辅助同步磁阻（PMaSynRM）电机的设计方法，该方法通过优化转子叠片结构，无需改变现有定子平台即可实现不同类型的电机设计。这种设计策略不仅能够降低生产工具成本，还为制造商在工业应用中向高效率电机技术的过渡提供了可行的路径。通过保留现有的定子结构，研究人员能够在相同的生产线上实现三种不同电机类型（感应电机IM、SynRM和PMaSynRM）的制造，从而提升了工业电机向电动车辆（EV）应用转换的可能性。

### 研究背景与意义

在当前的工业和全球背景下，电动机的能耗已成为全球电力消耗的重要组成部分，几乎占到了45%。这一数据凸显了提升电机效率的迫切需求。国际电工委员会（IEC）定义的效率等级标准为电机制造商提供了明确的性能指引，推动其开发更高效的产品。然而，实现高级别效率如IE4和IE5往往对传统鼠笼式感应电机（IM）来说并不总是可行的，因此，研究人员对替代电机拓扑结构产生了浓厚兴趣。

SynRM和PMaSynRM作为一种替代方案，具备无磁体设计的优点，如成本效益、供应链稳定性以及更高的能源效率。早期的理论研究主要集中在同步电机的磁反应分析上，而后来的研究则更多关注于转子分段和磁阻比等关键设计参数。自1990年代以来，Vagati、Staton、Matsuo和Miller等研究人员在降低转矩脉动、提升磁阻和优化磁阻结构方面进行了深入探索。随着对电机性能需求的提升，尤其是在电动汽车和铁路应用中，研究者们开始考虑装配约束和优化要求，以确保电机在实际应用中的可靠性和经济性。

### 设计与分析方法

在本研究中，参考电机是当前Gamak公司正在批量生产的IE2效率等级的90型四极1.5千瓦鼠笼式感应电机。该电机的定子具有36个槽，并设计用于400伏和50赫兹的额定电压和频率。研究人员选择这一电机作为设计基础，以最小化生产工具成本并最大化现有制造基础设施的利用率。在此基础上，通过优化转子叠片结构，研究人员实现了SynRM和PMaSynRM的设计，使不同类型的电机能够在相同的定子平台上运行。

为了实现这一目标，研究人员采用了一种基于多目标遗传算法（MOGA）的优化方法。通过考虑多个冲突的目标，如转矩生产、效率、磁体体积和转矩脉动，研究人员生成了帕累托最优解。转子几何结构的电磁性能评估通过二维有限元分析（FEA）进行，提供了磁通分布、转矩曲线和效率曲线等关键信息。这种分析方法使得研究人员能够系统地探索设计空间，以提升转矩密度、效率和功率因数，同时减少转矩脉动。

### 初步设计结果

在初步设计阶段，研究人员对转子的几何参数进行了广泛的参数扫描。这些参数包括转子位置、控制角度、桥厚度（W）、磁阻宽度（B0）、磁阻距离（H）、磁阻尖锐度（R0）、磁阻尖端半径（R1）以及第一个磁阻起始位置（Rb）。通过这些参数的优化，研究人员确定了最佳的转子几何结构，以实现较高的磁阻比和良好的电磁性能。

初步设计的结果表明，最佳的转子位置为0度，控制角度为31.32度，桥厚度为0.5毫米，磁阻宽度为4毫米，磁阻距离为1.5毫米，磁阻尖锐度为0毫米，磁阻尖端半径为0.3毫米，第一个磁阻起始位置为17毫米，磁阻间距为5.2毫米。这些参数的选择基于其对电机性能的正向影响，如提高转矩生产、减少转矩脉动和优化效率。

### 优化结果

通过MOGA优化，研究人员获得了多个设计方案，每个方案都针对不同的目标函数进行优化。目标函数包括效率与转矩的乘积、效率与转矩脉动的比值以及效率与转矩的乘积与转矩脉动的比值。这些目标函数的选择旨在平衡不同性能指标，如高效率和足够的转矩输出。

优化结果表明，第8种设计方案在效率、转矩和转矩脉动之间达到了良好的平衡。桥厚度被限制为0.5毫米，以确保机械安全性。此外，研究人员还进行了进一步的精度优化，以产生更适合批量生产的转子设计。通过调整磁阻距离（H）参数，研究人员分析了两种不同的变体（H = 1.0毫米和H = 1.5毫米），并选择了H = 1.0毫米的变体，因为其在电磁性能方面与第8种设计方案相似，同时提供了更坚固的机械结构。

### 磁体集成与PMaSynRM设计

在SynRM优化完成后，研究人员将磁体集成到转子结构中，以开发PMaSynRM设计。通过在磁阻集中区域嵌入磁体，研究人员能够同时利用磁阻转矩和同步转矩，以提高转矩密度和改善低速下的转矩特性。磁体的嵌入方式和位置是关键的设计因素，研究人员分析了七种不同的磁体放置场景，并选择了第七种方案作为参考配置。

磁体的类型包括钕铁硼（NdFeB）磁体和铁氧体磁体。NdFeB磁体具有较高的磁能密度，能够在较小的体积内产生更强的磁通，而铁氧体磁体则因其较低的成本和较高的热稳定性被用于成本效益导向的应用。磁体体积被限制在不超过总转子体积的12%，以确保其与转子磁阻结构的兼容性。

### 电机原型制造与实验验证

为了验证设计和分析结果，研究人员制造了两种不同的感应电机原型：一种代表目标PMaSynRM电机的封装尺寸（90型四极1.5千瓦，80毫米堆叠长度），另一种代表其目标效率等级（90型四极1.5千瓦，135毫米堆叠长度）。这两种电机在电磁性能和物理测试方面进行了比较分析，以评估其在实际应用中的表现。

实验结果表明，感应电机的额定转矩和效率与仿真结果存在约0.3%的偏差，主要原因是制造公差、叠片间隙和绕组电阻的变化。功率因数和空载电流的测量值与仿真环境中的理想磁性材料特性存在差异，这主要归因于生产过程中定子铁芯材料的磁化特性变化。额定电流的偏差约为2%，这可能是由于温度上升的模型误差、绕组端子接触电阻以及生产因素（如绕组头长度过长）引起的。额定速度的偏差约为0.2%，这与仿真中使用的理想铝材料特性和实际生产中的材料质量和内部结构有关。

这些实验结果验证了仿真环境的准确性，并为后续的SynRM和PMaSynRM设计提供了可靠的分析基础。

### 性能比较与分析

研究人员对八种不同的电机配置进行了比较分析，这些配置使用了不同的转子拓扑结构和叠片材料，但共享相同的定子平台（80毫米堆叠长度）和绕组结构。这些配置包括传统的感应电机（IE2和IE4）、SynRM和基于铁氧体和钕铁硼磁体的PMaSynRM。

分析结果表明，使用钕铁硼磁体的PMaSynRM配置在效率（90.25%）和功率因数（>0.89）方面表现最佳，符合IE5效率等级的标准。铁氧体磁体的PMaSynRM配置则在成本敏感的应用中提供了合理的性能，同时避免了稀土元素的使用。SynRM电机虽然没有磁体，但其低转矩脉动和高效率使其在环境友好型应用中具有吸引力。

感应电机（IM）在直接电网连接、低初始成本和广泛兼容性方面仍具有优势。然而，随着效率要求的提高，PMaSynRM和SynRM等新型电机技术正在逐步取代传统感应电机。本研究的结果表明，通过保留共同的定子平台，研究人员能够在同一生产线上制造三种不同的电机产品，从而降低了生产成本，提高了设计灵活性和系列生产的可能性。

### 材料与制造影响

在材料选择方面，低损耗M400钢的使用显著提高了SynRM和PMaSynRM的效率和功率因数。这一结果强调了叠片材料质量在高效率电机设计中的重要性。对于转子制造，SynRM需要精确实现磁阻几何结构，而PMaSynRM则需要额外的步骤来放置、定向和固定磁体。特别是铁氧体磁体的正确定位和绝缘需要仔细考虑，而钕铁硼磁体则对磁体装配和热管理提出了更严格的要求。

尽管制造过程存在差异，但通过共享定子平台，研究人员实现了模块化设计和生产标准化，这对电动机的开发过程具有重要意义。这种设计方法不仅降低了制造成本，还提高了生产灵活性和可扩展性。

### 变频驱动兼容性与应用领域

SynRM和PMaSynRM电机属于同步电机类别，通常不适用于直接电网连接，而是通过变频驱动（VFD）进行操作。这种设计特点使其在需要高效率、低转矩脉动和宽速度控制范围的工业应用中具有优势。PMaSynRM电机由于其磁体辅助结构，具有更高的功率因数和效率，使其在高功率应用中表现优异。此外，由于其转子中没有铜或铝导体，PMaSynRM电机减少了转子损耗，提供了热管理上的优势。

在电动汽车应用中，使用钕铁硼磁体的PMaSynRM电机因其高转矩密度、高效率和低损耗而脱颖而出。同时，无磁体的SynRM电机在需要避免稀土材料的工业应用中提供了成本效益和可持续性。感应电机（IM）虽然在直接电网连接和现有系统集成方面具有优势，但其效率较低，难以满足日益增长的效率要求。

### 结论

本研究提出了一种基于转子优化的电机设计方法，使得SynRM和PMaSynRM能够在现有的定子平台上实现。这种模块化设计方法不仅降低了生产成本，还提高了设计灵活性和系列生产的可能性。通过保留相同的定子叠片、堆叠长度和绕组结构，研究人员能够在同一生产线上制造三种不同的电机产品，从而实现了高效率电机技术的过渡。

研究结果表明，使用钕铁硼磁体的PMaSynRM配置在效率和功率因数方面表现最佳，适合高功率应用和电动汽车。铁氧体磁体的PMaSynRM配置则在成本敏感的应用中提供了合理的性能，同时避免了稀土元素的使用。无磁体的SynRM电机在环境友好型应用中具有吸引力，而感应电机（IM）在直接电网连接和现有系统集成方面仍具有优势。

本研究的成果为工业电机和未来电动汽车应用的模块化、可扩展和可制造的电机架构提供了坚实的基础。通过从单一定子平台衍生出三种不同的电机类型，研究人员实现了在成本效益、设计灵活性和系列生产方面的显著工程成就。