電動汽車驅動用永磁同步電機結構分析

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(中車永濟電機有限公司，山西永濟 044502)

0 引言

電動汽車以電能為動力能源，具有零排放、低噪聲和節能等優點，可以減小汽車尾氣對城市空氣污染。 因此，電動汽車的研發與推廣受到世界各國政府的高度重視[1]。內置式永磁同步電機以其結構簡單、 效率高、 弱磁調速性能優良等一系列優點，在電動汽車牽引電機行業的應用越來越廣泛[2]。電動汽車驅動電機的運行工況復雜多變，對于電動汽車的起動、加速、負荷爬坡等工況考慮，要求電機在低速運行時能夠提供大轉矩；對于最高車速和超車工況要求，要求電機在基速以上運行時具有較為寬廣的恒功率運行區間，也就是要求電機具有良好的弱磁擴速能力。并且要有高過載能力，以及較好的動態速度和轉矩響應。要求驅動電機在整個運行范圍內效率最優，損耗低，減少車載電池電能消耗，提高電動汽車續航里程，降低對車載電源的蓄電量的要求。

為了滿足低速大扭矩和高速恒功率區弱磁調速范圍寬的要求，在設計電機時，必須從電動汽車對驅動電機的性能要求出發，結合永磁同步電機的結構特點，采用場路結合設計的方法對電磁負荷、轉子結構、繞組型式以及尺寸等做合理的設計。盡量提高內置式永磁同步電機交軸電感Lq參數值，增大凸極率，充分利用由交、 直軸磁路不對稱產生的磁阻轉矩提高電機的過載能力和功率密度。合理確定額定轉速時的永磁同步電機的空載反電勢數值以匹配有限的逆變器直流側電壓所引起的電流調節器的飽和特性，擴大高速恒功運行弱磁擴速能力。

1 性能參數和結構設計

本文闡述的一款新能源汽車驅動用永磁同步電機采用鑄鋁機座和端蓋，冷卻方式為機座水冷。其主要性能參數表1所示。

表1 主要性能參數

永磁同步電機根據轉子結構的不同分為表面貼裝式永磁同步電機(SPMSM)與內置式永磁同步電機(IPMSM)。內置式永磁同步電機(IPMSM)又分為“一”字型、“V”字型、“U”字型、多層“U”型。如圖1所示。

圖1永磁同步電機轉子結構示意圖

結合電動汽車用永磁同步電機特點，對永磁體表貼式轉子結構和內置式轉子結構對比見表2。

表2 轉子結構對比

由于該電機設計要求中電機的弱磁擴速比為3.15，考慮到表貼式轉子結構弱磁擴速能力不強，所以采用內置式轉子磁路結構，而不采用表貼式轉子磁路結構。對于內置式轉子結構，“U”字型，多層“U”型加工制造難度大，而內置式“V”字型比內置式“一”字型轉子磁路結構有更高的凸極率及更強的聚磁效應。為了提高凸極比以增強電機的弱磁擴速能力和高速下轉矩輸出能力，本文采用“V”型內置式轉子結構。極對數的選取主要考慮電機的尺寸和損耗的要求。極對數多有利于減小電機軛部尺寸，但是與此同時會增加電機工作的電頻率，增大鐵芯損耗和變頻器開關損耗，增加成本。通過合理選擇分布和短距系數，整數槽分布式繞組結構可以有效抑制諧波電動勢。該電機最高轉速為 3000rpm，由永磁同步電機轉速與頻率的關系可知，取極對數為 6時，其最高頻率為 150Hz，該電機選用的極槽組合為 12 極 72 槽，選用整數槽分布式繞組，并采用短距繞組和定子鐵心斜槽使反電勢波形更加正弦化，從而減小齒槽轉矩、反電勢諧波和轉矩波動，提高電機電磁性能。

初步參數確定后，采用場路結合的方法對該電機的具體結構參數進行計算并優化，最終確定的該電機主要結構參數如表3所示。

表3 主要結構參數

2 仿真分析

本文設計采用了 ANSYS Maxwell 2D 軟件對電機性能進行有限元分析。它包括電場、靜磁場、渦流場合瞬態場等分析模塊，可計算力、轉矩、電感和損耗等，并且還可以通過強大的計算結果后處理功能，繪制磁力線和磁場強度的分布，給電機設計與分析帶來諸多便利。根據電機主要尺寸在 Maxwell 建立 2D 模型以驗證電磁方案的準確性。由于電機具有對稱結構，為了減小計算量和運行時間，只用畫出十二分之一模型，并把邊界條件設定為奇對稱主從邊界條件。

2.1 靜態電磁場仿真采

用ANSYS Maxwell 2D有限元進行電磁場計算的靜態磁密云圖，如圖 2 所示。其各部位磁密與磁路計算數值相符?？蛰d氣隙磁密波形如圖3所示，并對空載氣隙磁密進行FFT變換，獲得各次諧波賦值圖如圖4所示。

圖2磁密云圖和磁力線分布

圖3空載氣隙磁密波形

圖4空載氣隙磁密諧波分析

2.2 空載反電勢計算

為了準確計算考慮交叉耦合、以及飽和作用對電機性能以及電機參數的影響，對樣機進行了有限元瞬態電磁場計算。通過瞬態求解器，以額定轉速 950 r /min 驅動方式，計算出該電機繞組的空載線反電勢有效值約為212.87Vrms，樣機定子三相繞組的空載反電勢波形如圖 5 所示。

圖5空載線反電勢波形

2.3 負載仿真

根據永磁同步電機dq軸數學模型，內置式永磁同步電機由逆變器供電時，其端電壓方程和電磁轉矩表達式如下。

(1)

(2)

式中，Rs—電機定子相電阻；Ld、Lq—電機定子d、q軸電感；φf—永磁磁鏈；Pn—電機極對數；id、iq—永磁同步電機定子電流在d、q軸上的分量；β—定子電樞電流id超前q軸的電角度，為電流控制角。根據最大轉矩電流比(MTPA) 控制特性，電流大小一定，改變β角，有一個最佳的β可以使得電機在一定的定子電流下獲得最大輸出轉矩。本文對定子輸入電流is和定子電樞電流is超前于q軸的電角度β進行參數化掃描分析，確定額定轉矩時的定子輸入電流is為227.9Arsm和β為27°。對該電機進行帶載驅動瞬態電磁場計算，設定額定負載1005Nm，初始轉速950r/min。計算出該電機帶額定負載運行時的負載飽和磁場，由于電機帶額定負載運行時，電樞電流和永磁體共同作用，使得負載時氣隙磁密波形明顯增大，輸入電流為227.9Arsm，β為27°時電機的輸出轉矩波形如圖6所示，輸入電流波形如圖7所示。

圖6 額定轉矩波形

圖7 額定轉矩輸入電流波形

本文對峰值工況的定子輸入電流is和定子電樞電流is超前于q軸的電角度β進行參數化掃描分析，確定峰值電流和最佳電流控制角。對該電機進行峰值工況帶載驅動瞬態電磁場計算，設定峰值負載2800Nm，初始轉速682r/min。通過負載場計算，得到帶峰值負載時定子繞組的電流波形圖如圖8所示。輸入電流為705Arsm電機的輸出轉矩波形如圖9所示。

圖8 額定轉矩波形

對該電機整個轉速范圍內特性計算，恒轉矩控制區域采用最大轉矩電流比(MTPA)控制，當電機端電壓達到逆變器最高輸出電壓ulim后，采用弱磁控制。下面列出額定工況時整個轉速范圍內該電機特性，如表4所示。

表4 額定工況特性

2.4 效率MAP計算

效率MAP圖，又稱等高線圖或云圖，主要是反應在不同轉速、轉矩下驅動電機效率的分布情況。通過電機參數的適當調整可以調整驅動電機高效區在整個轉速、轉矩的分布情況，從而使驅動電機在整個運行范圍內效率最優，損耗最低，減少車載電池電能消耗，提高電動汽車續航里程。本文對該電機全轉速范圍進行效率計算，計算結果如圖10所示。由效率MAP可知，該電機在轉速600rpm～2400rpm且負載率大于50%的情況下，效率大于93%。此區域該電機運行的高效運行區域。

圖10 效率MAP圖

3 樣機試驗

為了驗證樣機設計與電磁場計算分析的準確性，本文對所研制的100kW電動汽車驅動用內置式永磁同步電機進行了試驗測試，實測空載反電勢有效值為210V，比有限元計算值212.87V稍微偏小。額定轉矩時的輸入電流和峰值轉矩時的輸入電流也與計算值基本吻合。樣機部分試驗數據對比如表5所示。

表5 樣機部分試驗數據

4 結語

本文研究 “V” 型內置式永磁同步電機結構，結合電機設計的性能指標要求，通過場路結合計算方法設計出一款額定輸出功率為100kW的電動汽車驅動用永磁同步電機，并完成了樣機加工與試驗測試工作，有限元仿真分析時考慮轉折轉速以內為最大轉矩電流比(MTPA) 控制，轉折轉速以上為弱磁控制進行電機特性仿真。樣機試驗數據表明，有限元仿真分析與電機在空載工況、額定帶載工況及過載工況數據的實測數據基本吻合。

[1] Zhu Z Q， Howe D． Electrical Machines and Drives for Electric， Hybrid， and Fuel Cell Vehicles[J]．IEEE Proc，2007， 95(4): 746-765.

[2] Kim Kichan， Lee Ju， Kim Heejun， Koo Daehyun． Multiobjective Optimal Design for Interior Permanent Magnet SynchronousMotor[J] ． IEEE Trans on Magnetics，2009，45(3): 1780-1783.

[3] 唐任遠. 現代永磁電機理論與設計[M]. 北京：機械工業出版社,2008.

[4] 陳世坤. 電機設計(第二版) [M]. 北京：機械工業出版社,2000.