永磁同步電機的選型及參數校驗

魏亞帥，朱德祥，李 營，曹國振

（海馬新能源汽車有限公司，河南 鄭州 451450）

為了有效緩解能源問題和環境壓力，除中國外，美、德、日、韓、法、英等世界上主要的汽車產銷國家也均推出了較為明確的新能源汽車發展規劃。中國針對純電動轎車驅動電機系統的技術戰略將進一步朝著輕量化、能源低碳化、提高使用效率等方向發展，如何全面有效且精確地使用驅動電機的性能是當前整車企業不斷探索的關鍵。

1 永磁同步電機

1.1 驅動電機類型

電動機按其工作電流分類，可分為直流電動機和交流電動機。長期以來，直流電動機由于成熟穩定的調速技術優點，廣泛應用在工業過程中，但其結構復雜、故障率高，不能滿足離散的動態環境。隨著新型電力電子器件的發明及推廣和計算機控制技術的發展，現階段的純電動轎車普遍選用交流電機驅動系統。

近年來，隨著第3代稀土永磁材料性能的不斷提高，具備剩磁高、矯頑力高、磁性能高等優點使其在工業中得到了廣泛的應用［1］。乘用車行業中，永磁同步電機具備功率因數高、效率高、啟動轉矩大、功率密度高及可靠性高等優點使其在驅動電機系統的使用中占有主導地位［2］。

1.2 永磁同步電機工作原理

長期以來，制約交流電機控制技術發展的是轉矩和磁鏈的耦合性，使其控制精度難以提升。20世紀60～70年代，K.Hasse和F.Blaschke提出了控制定子電流矢量技術，也叫矢量控制技術，實現了磁鏈和轉矩解耦，永磁同步電機也是采用此控制方式。經過幾十年的發展，永磁同步電機的控制技術逐步完善，控制技術的動態模型具體步驟如圖1所示。

圖1 動態模型具體步驟

矢量控制技術是通過調節電樞電流和磁場電流來控制電機。現在有些企業為了提高轉矩的響應速度，通過直接調節工作電壓來改變定、轉子磁鏈的夾角來控制電機的輸出轉矩即直接轉矩控制技術。近年來，中外科研人員對其改進技術也在不斷探索［3-4］。恒轉矩角、單位功率因數（UPF）、磁通與電流相量角控制、單位電流最優轉矩、恒功率損耗及最大效率等控制方法可根據需要疊加用于矢量控制中。現實中永磁同步電機的控制受到車載動力電池的最大電壓和最大電流的限制，在轉速增加到一定的數值后，需要削弱氣隙磁鏈來抑制感應反電動勢，也就是弱磁控制技術［5-6］。

依據控制策略及永磁同步電機自身特性，其在純電動轎車中的應用曲線可近似總結為基速以下恒轉矩控制、基速以上恒功率控制，如圖2所示。

圖2 轉矩（T）、頻率（f）及感應反電動勢（U）曲線圖

2 永磁同步電機的初步選型

永磁同步電機作為純電動轎車的驅動電機，普遍為S9工作制，在實際的整車開發過程中，考慮到成本、時間、穩定性等方面，優先針對各項性能已經得到驗證的驅動電機進行選型。

驅動電機是整車的動力源，是由驅動電機控制器按照整車控制器的要求進行控制運行。由整車參數可初步確定驅動電機的額定功率、峰值扭矩、峰值轉速3項參數，對其進行初步選型。

2.1 永磁同步電機額定功率的選型

轎車在正常行駛的過程中，主要承受整車行駛時的空氣阻力、滾動阻力、加速阻力、坡道阻力，驅動電機應滿足整車在各種行駛工況下的驅動力需求。

驅動電機的額定功率需要滿足整車可持續行駛的最大需求功率，當車速達到最高目標轉速時，此時需要的額定功率為最高額定功率需求。

式中：PN——驅動電機額定功率，kW；ηT——動力傳動系統機械效率；mtest——整車試驗質量，kg；g——重力加速度，m／s2；f——滾動阻力系數；umax——整車最高車速，km／h；ρ——空氣密度，kg／m3；CD——空氣阻力系數；A——迎風面積，m2。

2.2 驅動電機峰值轉速的選型

驅動電機的最高轉速需要高于最高目標車速需求。

式中：nmax——驅動電機峰值轉速，r／min；ig——減速器減速比；io——主減速比；r——輪胎滾動半徑，m。

2.3 驅動電機峰值扭矩的選型

整個行駛工況下，轎車在加速和爬坡兩種情形所需的驅動力最大。

以車速ui爬坡度i所需要的驅動力由下式可得。

式中：Fi——汽車爬坡驅動力需求，Nm；mmax——汽車滿載質量，kg；a——坡度角；ui——爬坡車速，km／h。

前期進行驅動電機的初步選型時，并不能確定整車的加速度曲線，故加速性能不能進行準確計算，可將其假設為勻加速運動對驅動電機峰值扭矩進行初步計算選型。

式中：Fa——汽車加速驅動力需求，Nm；δ——汽車旋轉質量系數；ua——汽車行駛末速度，m／s。

滾動阻力系數計算公式：

由圖3可知f隨速度的增加而增加，當速度為100 km／h時為最大值0.014 3。由于驅動電機的真實運行狀況為加速度逐步減小的加速過程，所以令f=0.014 3，可根據百公里加速時間計算出需求的加速驅動力。

圖3 f在0—100 km／h下曲線圖

取汽車爬坡驅動力需求和加速驅動力需求的最大值為整車所需的峰值驅動力，驅動電機的峰值扭矩需求Tmax。

由此3項參數可對驅動電機進行初步選型，但此時選型出的驅動電機并不一定是最精確的，需要結合驅動電機控制器和控制策略對其進行校驗調整。

3 驅動電機參數校驗

驅動電機的參數校驗環節可最終精確展現驅動電機的動力性能，從根本上判斷方案的合理性。本文以某車型為例，對整個校驗過程進行說明。

3.1 最高轉速校驗

轎車行駛在最高車速時，驅動電機轉速為最高轉速區域，此時電機控制器為了降低感應反電動勢，采用弱磁控制技術，驅動電機輸出轉矩會隨轉速的增加而減小，但應不小于車輛行駛需求轉矩。

由圖4可看出，在整個行駛工況中驅動力始終大于行駛阻力整車的滾動阻力和空氣阻力之和，在汽車的各個長時間行駛工況中，都能滿足動力需求。

圖4 驅動力校驗曲線圖

3.2 最大爬坡度校驗

整車企業針對爬坡度要求的目標車速一般設置為20km／h、30 km／h、60 km／h，可根據驅動電機的輸出特性，將爬坡度的計算公式分為兩種情況，見下式。

式中：a——爬坡角度，爬坡度為i=tan（a）；ui——汽車行駛速度，km／h；Tmax——驅動電機峰值扭矩，Nm；Pe——驅動電機峰值功率，kW。

由圖5可精確判斷驅動電機提供整車的爬坡性能。隨著車速的增加，整車的爬坡性能下降顯著。

若汽車銷售的市場為崎嶇山路路況，對整車的爬坡性能要求就比較嚴格，應適配峰值功率較大的驅動電機。

3.3 驅動電機加速時間校驗

驅動電機能夠輸出的轉矩在整個運行區間與轉速相關。汽車行駛過程中受到的阻力是一個隨速度而變化的離散值。

由圖6可知，基于驅動電機控制器的控制策略，整車的加速度為一個不規則的曲線，其加速運動是一個復雜的過程。

圖5 汽車的爬坡度校驗曲線圖

圖6 汽車的加速度曲線圖

將汽車的加速運動分為兩種情況進行分析：一種是車速在基速以下，一種是車速在基速以上。通過MATLAB對其加速時間進行積分運算，可精準計算出驅動電機的加速時間 ，從而精準計算出整車的動力性能。

當車速在基速以下時：

整車的加速運動曲線如圖7所示，可判斷整車在各個時間點能夠達到的速度，對驅動電機能否滿足整車的加速運動需求進行精確分析。

永磁同步電機的實際狀態和圖2的狀態有差異，可對其進行臺架試驗，將實測的MAP數據通過MATLAB進行計算分析，確保方案的真實合理性。

圖7 汽車的加速運動曲線圖

4 小結

由驅動電機的校驗結果，可準確展現整車的動力性能效果。根據項目開發方向，選擇合適的永磁同步電機控制策略。也可根據項目開發需要，對永磁同步電機進行減少匝數／增加匝數、加長鐵心長度等方面的調節來改善性能，從而最全面、精確地對其進行使用，可達到提高效率減輕整車質量的效果。