電動(dòng)車(chē)用永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)與分析

才立忠+張輝+饒界+汪坤+周安健

摘 要：為了得到一款驅(qū)動(dòng)效率和電磁噪聲都表現(xiàn)較優(yōu)的電機(jī)，本文采用最大轉(zhuǎn)矩電流比的控制方式以及減小銅耗的繞組方案等措施以提高效率，采用轉(zhuǎn)子四段斜極的結(jié)構(gòu)以降低電磁噪聲。對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了電磁仿真及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測(cè)試都表明該樣機(jī)具有較好的噪聲表現(xiàn)和較高的驅(qū)動(dòng)效率，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的合理性。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；電機(jī)噪聲；分段斜極；驅(qū)動(dòng)效率

中圖分類(lèi)號(hào)：TM351 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2017）05-0025-05

Design and Analysis of Permanent Magnet Synchronous Driving Motor Used in Electric Vehicles

CAI Li-zhong， ZHANG Hui， RAO Jie， WANG Kun， ZHOU An-jian

（ Chongqing Changan Automobile Co.，Ltd.， Chongqing401120， China ）

Abstract： In order to get a drive motor which has a higher driving efficiency and a better electromagnetic noise performance， the MTPA （maximum torque per ampere） control mode and the winding scheme which can reduce the power loss of copper wires were used to improve the driving efficiency， besides the rotor structure with four segments of oblique magnet poles was used to reduce the electromagnetic noise. And some electromagnetic simulations and experimental tests were done on the motor， and the results of the electromagnetic simulations and experimental tests showed that the motor prototype has a better electromagnetic noise performance and a higher driving efficiency， which verified the rationality of design scheme.

Key Words： permanent magnet synchronous motor； motor noise； segmented oblique pole；driving efficiency

引 言

電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有直流電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和永磁同步電機(jī)等，其中永磁同步電機(jī)因?yàn)榫哂泄β拭芏雀摺⑾到y(tǒng)效率高、調(diào)速范圍寬和控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛接受。目前市場(chǎng)主流產(chǎn)品中，應(yīng)用永磁同步電機(jī)的車(chē)型有通用 Volt、日產(chǎn) Leaf、豐田 Prius和上汽 E50、比亞迪“秦”、長(zhǎng)安逸動(dòng)EV等。在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，NVH特性[1，2]和續(xù)駛里程是非常重要的兩個(gè)性能參數(shù)。純電動(dòng)汽車(chē)是電動(dòng)汽車(chē)的一種，目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上最多，由于純電動(dòng)汽車(chē)采用電機(jī)取代發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，少了發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲，使車(chē)內(nèi)更加安靜，也正因此凸顯了傳統(tǒng)車(chē)中以往并不明顯的噪音。電機(jī)作為整車(chē)的驅(qū)動(dòng)源，也是整車(chē)振動(dòng)和噪音的主要來(lái)源。電磁噪聲是永磁同步電機(jī)噪聲的主要來(lái)源之一[3]，由于蠕行狀態(tài)下的車(chē)速較低，路噪和風(fēng)噪較低，因此蠕行工況下的高階電磁噪音比較受客戶(hù)和整車(chē)廠的關(guān)注。電動(dòng)汽車(chē)的布置空間限制了電池的容量，因此電機(jī)的驅(qū)動(dòng)效率對(duì)續(xù)駛里程至關(guān)重要，電機(jī)的功率損耗主要來(lái)源于鐵芯損耗、繞組損耗和實(shí)體損耗等，降低這些損耗有助于提高電機(jī)的驅(qū)動(dòng)效率，增加續(xù)駛里程。

目前市場(chǎng)上的電動(dòng)汽車(chē)中，純電動(dòng)汽車(chē)大多采用經(jīng)典的48槽8極永磁同步電動(dòng)機(jī)，例如逸動(dòng)EV、日產(chǎn)Leaf、比亞迪“秦”等驅(qū)動(dòng)電機(jī)[4]。因分?jǐn)?shù)槽繞組電機(jī)勢(shì)磁分布曲線(xiàn)中包含的諧波比整數(shù)槽繞組多，不僅有奇次諧波，還有偶次諧波和低次諧波，會(huì)產(chǎn)生單邊磁拉力，附加轉(zhuǎn)矩和雜散損耗，使電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪音，運(yùn)行效率下降，因此對(duì)于小型驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)說(shuō)，應(yīng)盡量采用整數(shù)槽繞組的電機(jī)，對(duì)于整數(shù)槽繞組電機(jī)，噪聲階次與轉(zhuǎn)子極數(shù)相同，對(duì)于分?jǐn)?shù)槽繞組的電機(jī)，噪聲階次小于轉(zhuǎn)子極數(shù)。

為了得到一款適合純電動(dòng)汽車(chē)的高效率、低噪音的永磁同步電機(jī)，本文設(shè)計(jì)了一種永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)，采用48槽8極的整數(shù)槽繞組的極槽配合，以降低振動(dòng)和噪音，提高效率；合理設(shè)置繞組形式，定、轉(zhuǎn)子采用沖片疊加，減少繞組損耗和鐵芯損耗。利用Maxwell電磁仿真軟件仿真得到電機(jī)的各項(xiàng)性能參數(shù)，并制作樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的基本參數(shù)

本文采用A級(jí)純電動(dòng)轎車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為設(shè)計(jì)和分析對(duì)象。分解整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)需求得到電機(jī)的性能要求如表1所示：

轉(zhuǎn)矩是電機(jī)的一個(gè)重要性能參數(shù)，表征整車(chē)的動(dòng)力特性，轉(zhuǎn)矩也對(duì)電機(jī)的整體尺寸有一定的約束限制，峰值轉(zhuǎn)矩與定子鐵芯的長(zhǎng)度、內(nèi)徑和氣隙磁密、電負(fù)荷等參數(shù)之間的關(guān)系[5]如下

其中，Tem max —最大電磁轉(zhuǎn)矩（Nm），Bδ1 —?dú)庀洞琶芑ǚ担═），Lef —定子疊長(zhǎng)（cm）， Di12 —定子內(nèi)徑（cm），A—定子電負(fù)荷有效值（A/cm）。endprint