新能源汽車驅動永磁同步電機的設計

王顯廷

（北京勞動保障職業學院，北京 100000）

新能源汽車驅動永磁同步電機的設計

Design of driving permanent magnet synchronous motor for new energy vehicles

王顯廷

（北京勞動保障職業學院，北京 100000）

隨著國家對新能源汽車支持政策的出臺，新能源汽車將會成為未來市場的主力軍。實現新能源汽車產業健康發展的關鍵在于具備完善的驅動電機系統，而永磁同步電機具有效率高、功率密度大等特點，因此設計永磁驅動電機符合新能源汽車發展的要求。

新能源汽車；永磁電機；驅動

大力發展新能源汽車是當前環境污染治理的重要舉措，而實現新能源汽車普及的關鍵就是解決新能源汽車驅動問題。與其他類型電機相比，永磁不同電機的性能更加穩定、功率密度更高一級，穩定性更強，因此在未來新能源汽車電機發展中永磁同步電機將成為發展的主要趨勢。

因此為了更好地研究永磁同步電機的價值，本文在研究永磁同步電機的基礎上，提出了優化永磁同步電機的設計方案，以此更好地推動新能源汽車產業的發展。

1 新能源汽車驅動永磁同步電機設計的特點

縱觀汽車發展史，新能源汽車主要分為純電動汽車、混合動力電動車以及燃料電池電動車，雖然他們的種類不同，但是使用的牽引電機是相同的，目前新能源汽車使用的牽引電機主要分為直流、感應、永磁同步以及開關磁阻電機，而它們之間具有不同的優缺點（見表1）。機要滿足長時間持續工作的要求與在緊急加速和減速的工況下，保證電機短時間達到峰值工作點，所以基于其性能要求，在進行設計具有以下特點：一是電機設計要考慮其擴速能力和過載能力；二是新能源永磁同步電機要將設計工頻供電運行的電機設計計算量擴大；三是永磁同步電機設計不考慮控制策略對設計結果帶來的誤差。

2 永磁同步電機設計方法的分析

永磁同步電機設計主要包括電機電磁參數以及電機結構相關的參數，這主要是因為永磁同步電機的磁場是由永磁體激勵產生的，因此其會隨著材料、形狀以及加工工藝的變化而變化，因此在進行永磁同步電機設計時需要按照規范的方法進行。

（1）轉子磁路結構的合理設計。永磁電機設計的前提就是考慮轉子磁路結構，不同的磁路結構尋找對于驅動電機的影響是巨大的，顧名思義轉子磁路結構設計就是對永磁體進行分布設計以此提高電機的性

表1 驅動電機性能比較

通過表1分析，可以看出永磁同步電機將是新能源汽車驅動電機的主要發展趨勢，但是基于其存在的缺點，考慮到未來運行的實際路況，在進行驅動電機設計時需要解決以下兩個問題：一是長時間持續運行和短時間峰值運行的問題，也就是要保證永磁同步電能。具體到實踐設計中，要綜合考慮電機電感參數、漏磁系數以及永磁體用量等因素。例如不同轉子磁路結構的設計，電機的電感參數也就不同，因此在進行設計時一般采取內置式磁路結構，這樣就會提高電機轉矩輸出能。

（2）主要尺寸公式的分析。永磁同步電機設計需要考慮其設計尺寸，尺寸主要包括定子內外徑和電機長度，目前常用的尺寸公式為：

通過上述公司可以清楚的了解電機定子內徑與電磁功率之間的關系。

總體看，新能源汽車永磁同步電機設計的方法主要包括：等效磁路分析法、電磁場數值計算法、等效磁網格析法以及電磁場解析法等 。

3 新能源汽車驅動永磁同步電機設計方案

基于實踐，根據永磁體在轉子沖片上分布位置的不同，可以將永磁同步電機分為表面式和內置式電機，但是表面式永磁同步電機在運行過程中沒有磁阻轉矩，因此其不適應于新能源汽車，而內置式永磁電機的抗磁退能力強，因此其適用于新能源汽車中，本文就是以內置式永磁同步電機設計為例進行分析。

3.1 永磁同步電機的解析計算

（1）定轉子主要尺寸的計算。基于新能源汽車整體設計結構的限制，永磁同步電機必須要明確計算電機功率輸出能力與主要尺寸之間的解析關系，本文以平行齒平底槽為例（見圖2），解析定子內徑與定子外徑之間的關系。

圖2 平行齒平底槽示意圖

根據相關計算公式，得到的解析表達式為：

（2）定子槽型主要尺寸計算。根據上述的推導可以計算出定子內外徑的尺寸，然后進行槽型尺寸的計算，計算模型仍然以圖2為例：

其中Kfe——鐵芯疊壓率；

Btl——定子齒磁密（T）

Bjl——定子磁密（T）

（3）永磁體尺寸計算。永磁尺寸設計計算對于永磁同步電機的設計非常重要，其主要包括磁化方向厚度hm、磁化方向寬度bm以及軸向長度Lm，根據不同的永磁體部位，其計算表達式為：hm=kh×?；bm=kh×ι。

（4）繞組參數的研究。定子繞組是電機的重要組成部分，其主要是提供電流通路的，由于實踐中定子繞組的種類比較多，因此基于新能源汽車的需要，一般會采取三相雙層同心繞組，采取星型連接。之所以采取此種模式主要是因為其生產工藝比較簡單，而且便于散熱，同時可以改善交流繞組的磁動勢，提高其運行效率，降低諧波含量。

3.2 永磁同步電機解析計算結果

基于某款新能源汽車的技術指標要求，按照上述推導的計算公式，計算各個尺寸，并且對其進行試驗，試驗結果與樣機參數計算結果見表2。

表2 樣機參數計算值與實測值比較

通過表2的參數對比可以發現，樣機直軸電感Ld與交軸電感Lq的計算值都比實驗測試值小，這是由于樣機直交軸電感參數是在樣機靜態下進行實驗測量，而計算值則是樣機帶額定負載時考慮交叉耦合與飽和作用的飽和直、交軸電感。由于樣機負載飽和磁場比樣機靜態磁場磁場的飽和度增大很多，導致樣機直交軸電感的計算值比樣機直交軸電感實測值小。

3.3 永磁同步電機仿真分析與試驗在MATLAB 的Simulink 仿真環境下，根據前述永磁同步電機矢量控制策略，首先構造了如下的id=0的電流、速度閉環的仿真系統框圖，并建立了永磁同步電機磁場定向控制系統仿真模型［3］，如圖2所示。在仿真中，將電機的參數設置如下：給定電機轉速為1 000 r/min，負載轉矩TL=3N·m，轉子極對數p=3，定子電阻RS=0.2Ω，轉子磁鏈值=0.56wb，交直軸電感Ld=Lq=15.3e-3H，轉矩慣量J=2.1e-4kg·m2。通過前述永磁同步電機矢量控制策略，對仿真模型進行Clarke、Park坐標變換，并針對其進行仿真。相關仿真數據表明新能源汽車驅動用永磁同步電機滿足低速區大轉矩輸出要求，同時，在高速恒功率區樣機也具備較寬的弱磁擴速能力。

總之，電動汽車用永磁同步電機一般采用內置式磁路結構。

用場路結合的方法分析永磁同步電機的電磁性能， 能較好地兼顧計算精度和速度， 是工程設計中較為理想的分析方法。設計時，電機磁路結構應根據實際工況， 綜合考慮電機的弱磁能力、抗失磁能力、機械強度及磁阻轉矩的利用等具體情況進行選擇。

［1] 孟祥坤，張學義，徐進彬，趙玉真，張攀. 新能源汽車永磁同步驅動電機性能提升分析. 農業裝備與車輛工程，2015年03期.

［2] 符榮，竇滿峰. 電動汽車驅動用內置式永磁同步電機直交軸電感參數計算與實驗研究. 電工技術學報，2014年11期.

［3] 朱魯佳. 電動汽車用永磁同步電機驅動系統的高性能控制. 電機與控制應用，2015年02期.

（P-01）

U469.7

1009-797X（2016）04-0092-03

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10.13520/j.cnki.rpte.2016.04.036

王顯廷（1966-），男，本科學歷，高級工程師，從事汽車設計與汽車故障診斷工作。

2016-01-08