新能源汽車驅(qū)動永磁同步電機(jī)的設(shè)計

王顯廷

（北京勞動保障職業(yè)學(xué)院，北京 100000）

新能源汽車驅(qū)動永磁同步電機(jī)的設(shè)計

Design of driving permanent magnet synchronous motor for new energy vehicles

王顯廷

（北京勞動保障職業(yè)學(xué)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(xiàn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵在于具備完善的驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)，而永磁同步電機(jī)具有效率高、功率密度大等特點(diǎn)，因此設(shè)計永磁驅(qū)動電機(jī)符合新能源汽車發(fā)展的要求。

新能源汽車；永磁電機(jī)；驅(qū)動

大力發(fā)展新能源汽車是當(dāng)前環(huán)境污染治理的重要舉措，而實現(xiàn)新能源汽車普及的關(guān)鍵就是解決新能源汽車驅(qū)動問題。與其他類型電機(jī)相比，永磁不同電機(jī)的性能更加穩(wěn)定、功率密度更高一級，穩(wěn)定性更強(qiáng)，因此在未來新能源汽車電機(jī)發(fā)展中永磁同步電機(jī)將成為發(fā)展的主要趨勢。

因此為了更好地研究永磁同步電機(jī)的價值，本文在研究永磁同步電機(jī)的基礎(chǔ)上，提出了優(yōu)化永磁同步電機(jī)的設(shè)計方案，以此更好地推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 新能源汽車驅(qū)動永磁同步電機(jī)設(shè)計的特點(diǎn)

縱觀汽車發(fā)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(jī)是相同的，目前新能源汽車使用的牽引電機(jī)主要分為直流、感應(yīng)、永磁同步以及開關(guān)磁阻電機(jī)，而它們之間具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)（見表1）。機(jī)要滿足長時間持續(xù)工作的要求與在緊急加速和減速的工況下，保證電機(jī)短時間達(dá)到峰值工作點(diǎn)，所以基于其性能要求，在進(jìn)行設(shè)計具有以下特點(diǎn)：一是電機(jī)設(shè)計要考慮其擴(kuò)速能力和過載能力；二是新能源永磁同步電機(jī)要將設(shè)計工頻供電運(yùn)行的電機(jī)設(shè)計計算量擴(kuò)大；三是永磁同步電機(jī)設(shè)計不考慮控制策略對設(shè)計結(jié)果帶來的誤差。

2 永磁同步電機(jī)設(shè)計方法的分析

永磁同步電機(jī)設(shè)計主要包括電機(jī)電磁參數(shù)以及電機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)的參數(shù)，這主要是因為永磁同步電機(jī)的磁場是由永磁體激勵產(chǎn)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(jìn)行永磁同步電機(jī)設(shè)計時需要按照規(guī)范的方法進(jìn)行。

（1）轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計。永磁電機(jī)設(shè)計的前提就是考慮轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，不同的磁路結(jié)構(gòu)尋找對于驅(qū)動電機(jī)的影響是巨大的，顧名思義轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計就是對永磁體進(jìn)行分布設(shè)計以此提高電機(jī)的性

表1 驅(qū)動電機(jī)性能比較

通過表1分析，可以看出永磁同步電機(jī)將是新能源汽車驅(qū)動電機(jī)的主要發(fā)展趨勢，但是基于其存在的缺點(diǎn)，考慮到未來運(yùn)行的實際路況，在進(jìn)行驅(qū)動電機(jī)設(shè)計時需要解決以下兩個問題：一是長時間持續(xù)運(yùn)行和短時間峰值運(yùn)行的問題，也就是要保證永磁同步電能。具體到實踐設(shè)計中，要綜合考慮電機(jī)電感參數(shù)、漏磁系數(shù)以及永磁體用量等因素。例如不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的設(shè)計，電機(jī)的電感參數(shù)也就不同，因此在進(jìn)行設(shè)計時一般采取內(nèi)置式磁路結(jié)構(gòu)，這樣就會提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能。

（2）主要尺寸公式的分析。永磁同步電機(jī)設(shè)計需要考慮其設(shè)計尺寸，尺寸主要包括定子內(nèi)外徑和電機(jī)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(jī)定子內(nèi)徑與電磁功率之間的關(guān)系。

總體看，新能源汽車永磁同步電機(jī)設(shè)計的方法主要包括：等效磁路分析法、電磁場數(shù)值計算法、等效磁網(wǎng)格析法以及電磁場解析法等 。

3 新能源汽車驅(qū)動永磁同步電機(jī)設(shè)計方案

基于實踐，根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子沖片上分布位置的不同，可以將永磁同步電機(jī)分為表面式和內(nèi)置式電機(jī)，但是表面式永磁同步電機(jī)在運(yùn)行過程中沒有磁阻轉(zhuǎn)矩，因此其不適應(yīng)于新能源汽車，而內(nèi)置式永磁電機(jī)的抗磁退能力強(qiáng)，因此其適用于新能源汽車中，本文就是以內(nèi)置式永磁同步電機(jī)設(shè)計為例進(jìn)行分析。

3.1 永磁同步電機(jī)的解析計算

（1）定轉(zhuǎn)子主要尺寸的計算?；谛履茉雌囌w設(shè)計結(jié)構(gòu)的限制，永磁同步電機(jī)必須要明確計算電機(jī)功率輸出能力與主要尺寸之間的解析關(guān)系，本文以平行齒平底槽為例（見圖2），解析定子內(nèi)徑與定子外徑之間的關(guān)系。

圖2 平行齒平底槽示意圖

根據(jù)相關(guān)計算公式，得到的解析表達(dá)式為：

（2）定子槽型主要尺寸計算。根據(jù)上述的推導(dǎo)可以計算出定子內(nèi)外徑的尺寸，然后進(jìn)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(shè)計計算對于永磁同步電機(jī)的設(shè)計非常重要，其主要包括磁化方向厚度hm、磁化方向?qū)挾萣m以及軸向長度Lm，根據(jù)不同的永磁體部位，其計算表達(dá)式為：hm=kh×?；bm=kh×ι。

（4）繞組參數(shù)的研究。定子繞組是電機(jī)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(chǎn)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(yùn)行效率，降低諧波含量。

3.2 永磁同步電機(jī)解析計算結(jié)果

基于某款新能源汽車的技術(shù)指標(biāo)要求，按照上述推導(dǎo)的計算公式，計算各個尺寸，并且對其進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果與樣機(jī)參數(shù)計算結(jié)果見表2。

表2 樣機(jī)參數(shù)計算值與實測值比較

通過表2的參數(shù)對比可以發(fā)現(xiàn)，樣機(jī)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(jī)直交軸電感參數(shù)是在樣機(jī)靜態(tài)下進(jìn)行實驗測量，而計算值則是樣機(jī)帶額定負(fù)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(jī)負(fù)載飽和磁場比樣機(jī)靜態(tài)磁場磁場的飽和度增大很多，導(dǎo)致樣機(jī)直交軸電感的計算值比樣機(jī)直交軸電感實測值小。

3.3 永磁同步電機(jī)仿真分析與試驗在MATLAB 的Simulink 仿真環(huán)境下，根據(jù)前述永磁同步電機(jī)矢量控制策略，首先構(gòu)造了如下的id=0的電流、速度閉環(huán)的仿真系統(tǒng)框圖，并建立了永磁同步電機(jī)磁場定向控制系統(tǒng)仿真模型［3］，如圖2所示。在仿真中，將電機(jī)的參數(shù)設(shè)置如下：給定電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=3N·m，轉(zhuǎn)子極對數(shù)p=3，定子電阻RS=0.2Ω，轉(zhuǎn)子磁鏈值=0.56wb，交直軸電感Ld=Lq=15.3e-3H，轉(zhuǎn)矩慣量J=2.1e-4kg·m2。通過前述永磁同步電機(jī)矢量控制策略，對仿真模型進(jìn)行Clarke、Park坐標(biāo)變換，并針對其進(jìn)行仿真。相關(guān)仿真數(shù)據(jù)表明新能源汽車驅(qū)動用永磁同步電機(jī)滿足低速區(qū)大轉(zhuǎn)矩輸出要求，同時，在高速恒功率區(qū)樣機(jī)也具備較寬的弱磁擴(kuò)速能力。

總之，電動汽車用永磁同步電機(jī)一般采用內(nèi)置式磁路結(jié)構(gòu)。

用場路結(jié)合的方法分析永磁同步電機(jī)的電磁性能， 能較好地兼顧計算精度和速度， 是工程設(shè)計中較為理想的分析方法。設(shè)計時，電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)實際工況， 綜合考慮電機(jī)的弱磁能力、抗失磁能力、機(jī)械強(qiáng)度及磁阻轉(zhuǎn)矩的利用等具體情況進(jìn)行選擇。

［1] 孟祥坤，張學(xué)義，徐進(jìn)彬，趙玉真，張攀. 新能源汽車永磁同步驅(qū)動電機(jī)性能提升分析. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2015年03期.

［2] 符榮，竇滿峰. 電動汽車驅(qū)動用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)直交軸電感參數(shù)計算與實驗研究. 電工技術(shù)學(xué)報，2014年11期.

［3] 朱魯佳. 電動汽車用永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的高性能控制. 電機(jī)與控制應(yīng)用，2015年02期.

（P-01）

U469.7

1009-797X（2016）04-0092-03

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.04.036

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

2016-01-08