新能源車用電機設(shè)計與研究

0 引言

隨著節(jié)能減排的推廣，新能源電動汽車日益普及。主驅(qū)動系統(tǒng)為電動汽車的核心部件，給車輛提供動力，具有極其重要的研究意義。

城市用輕型低速電動汽車具有典型的低速大扭矩、高速小扭矩系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用電機匹配變速箱方式驅(qū)動，且配有變頻器，具有很寬的調(diào)速范圍。常見的電機類型有交流感應(yīng)電機、直流電機、永磁電機、開關(guān)磁阻電機。隨著人們生活水平的提高，對電動汽車的性能要求也越來越高，永磁同步電機具有結(jié)構(gòu)緊湊、高效節(jié)能、低噪聲、高可靠性等優(yōu)點，因而在汽車行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。永磁電機在功率密度、效率方面性能優(yōu)越，可靠性及可控性較好，但開發(fā)成本相對較高，對制造工藝的要求也較高。綜合各方面分析，在新能源汽車領(lǐng)域，永磁電機無論是性能還是在節(jié)能環(huán)保方面都具有較強的競爭力，是當前電動汽車行業(yè)應(yīng)用最廣泛也最有前景的電機類型[]。

1 主驅(qū)系統(tǒng)

新能源車用主驅(qū)系統(tǒng)由電機驅(qū)動系統(tǒng)、電池系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)構(gòu)成。其中電機驅(qū)動系統(tǒng)包括控制器、電機、變速器和車輪，是整個系統(tǒng)的核心。電池系統(tǒng)包括電池管理、充電機和電池組。輔助系統(tǒng)包括輔電、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和智能儀表。電機控制器接收系統(tǒng)加速器和剎車信號，控制電機按照要求運行，通過變速器和車輪傳遞動力，驅(qū)動整車按照要求行駛。系統(tǒng)通過CAN總線查詢控制器、電機和電池的狀態(tài)，做出相應(yīng)指令并在智能儀表上顯示相關(guān)結(jié)果。電動車主驅(qū)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

目前，電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)通常采用兩種控制方法：磁場定向矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。其中，磁場定向矢量控制具有類似直流電機的轉(zhuǎn)矩控制特性，得到了廣泛應(yīng)用。

2 主驅(qū)電機設(shè)計

車用主驅(qū)電機設(shè)計通常根據(jù)應(yīng)用場合，從電源電壓、控制方式、安裝空間、防護等級等方面按照要求展開，按電源電壓、額定功率、轉(zhuǎn)速、扭矩等，選擇合適的電機類型，確定技術(shù)路線。永磁同步電機按照轉(zhuǎn)子磁體的安裝形式區(qū)分，通常有內(nèi)置式和表貼式。內(nèi)置式為永磁體安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部，如圖2所示，其英文為Interior Permanent MagnetSynchronousMotor，簡稱為IPMSM或IPM。表貼式為永磁體安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯表面，如圖3所示，其英文為SurfacePermanentMagnetSynchronousMotor，簡稱為SPMSM或SPM。

新能源車用主驅(qū)電機通常采用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)。根據(jù)內(nèi)置式永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩公式可知，其電磁轉(zhuǎn)矩 （T_e） 由磁阻轉(zhuǎn)矩和永磁轉(zhuǎn)矩組成。公式中前一部分為永磁轉(zhuǎn)矩，后一部分為磁阻轉(zhuǎn)矩。

式中： P 為電機的極對數(shù)； λ_pm 為永磁體產(chǎn)生的磁鏈； L_d 和 L_q 分別為直軸 （d 軸）和交軸 （q 軸）電感； I_d 和 I_q 分別為直軸和交軸電流。

內(nèi)置式電機凸極比大，交直軸電感差值大，能有效利用磁阻轉(zhuǎn)矩，提升電機輸出轉(zhuǎn)矩，進而提升電機轉(zhuǎn)矩密度，達到高效節(jié)能的優(yōu)良效果；其過載能力比表貼式更強；同時，由于IPM電機磁阻效應(yīng)的存在，電機的弱磁調(diào)速范圍更寬。表貼式永磁同步電機交直軸電感幾乎相等，沒有磁阻轉(zhuǎn)矩。在電機高速運行時，表貼式永磁同步電機的磁鋼有脫落風(fēng)險。而內(nèi)置式由于磁鋼在轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部，能有效固定，其可靠性更高。

3 IPMSM性能分析

根據(jù)電機技術(shù)指標要求，電源電壓DC144V，額定功率 8kW ，額定轉(zhuǎn)矩 19N?m ，額定轉(zhuǎn)速 4000r/min ，相數(shù)3相，設(shè)計了一款I(lǐng)PM電機。該主驅(qū)電機為交流永磁同步電機，控制方案采用磁場定向控制技術(shù)。

3.1 電機模型尺寸

電機的極對數(shù)由電機的額定轉(zhuǎn)速及相應(yīng)的基波電頻率共同決定，其中，電機的額定轉(zhuǎn)速由用戶根據(jù)不同應(yīng)用場合提出要求。在變頻器頻率允許的情況下，電機采用較多的極對數(shù)可以使得電機繞組的端部長度縮短，進而減小電機的定子電阻，降低電機銅耗[2]。

研究表明，磁阻轉(zhuǎn)矩是內(nèi)置式電機的固有特性，利用這一特性，通過提高凸極比增加轉(zhuǎn)矩輸出。同時，提高弱磁能力成為電動汽車驅(qū)動與發(fā)電領(lǐng)域的研究熱點[3]。因此，本文采用內(nèi)置V字型設(shè)計。在新能源車行業(yè)，電機48槽8極、24槽4極都是常見的槽極配合，該類整數(shù)槽電機NVH性能更優(yōu)，更適應(yīng)對振動噪聲環(huán)境要求高的場景。相較而言，24S4P電機更適合預(yù)算有限、成本更低的場合，其體積和重量更小，設(shè)計更緊湊，效率也更高，適用于安裝空間有限的環(huán)境。根據(jù)項目需求，本方案采用4極24槽電機，電機模型如圖4所示，該IPM的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

電機繞線方式如圖5所示，采用雙層整距繞組，跨距為5。

3.2 性能分析

經(jīng)仿真計算，電機額定工況8kW，轉(zhuǎn)速為4 000r/min 時，額定電流為40A，輸出轉(zhuǎn)矩約為 19N?m 。轉(zhuǎn)矩曲線如圖6所示，電流曲線如圖7所示，電機輸出轉(zhuǎn)矩、額定功率等性能均符合要求。

額定工況下，電機的場圖及磁力線布局如圖8所示，磁密和磁力線走向均符合設(shè)計要求。

優(yōu)化電機電磁振動與噪聲特性。電磁場、結(jié)構(gòu)場以及聲場等多個物理場之間耦合作用，使得乘用車內(nèi)置式永磁同步電機產(chǎn)生電磁振動和電磁噪聲[5]，需從激勵振力出發(fā)，確定電磁力波的空間和時間階次。

4 結(jié)束語

本文基于新能源車用主驅(qū)電機的基本需求，設(shè)計了一款內(nèi)置式V字型永磁同步電機；介紹了車用電機的設(shè)計方法及內(nèi)置式永磁同步電機的特點；建立了IPM電機模型，經(jīng)分析，其性能、功率、效率、扭矩等滿足設(shè)計需求，為下一步電機性能優(yōu)化、樣機制造奠定了基礎(chǔ)。若需進一步優(yōu)化電機轉(zhuǎn)矩脈動，改善NVH等，可以在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計。可采用定、轉(zhuǎn)子沖片參數(shù)化修形，定子斜槽或轉(zhuǎn)子斜極等方案，削弱氣隙諧波及畸變率，以進一步優(yōu)化并提升電機性能。

內(nèi)置式永磁同步電機（IPMSM比表貼式結(jié)構(gòu)具有更高的功率密度，且對永磁體保護效果更好，但IPMSM的轉(zhuǎn)矩脈動較大，會引起振動且噪聲嚴重，影響了電機性能[4。經(jīng)仿真分析，本方案電機性能能滿足運行工況。若需進一步提升性能，需考慮磁橋等特殊結(jié)構(gòu)，進行新的方案優(yōu)化。同時，可進一步研究并

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