電動汽車永磁同步電機設(shè)計

范 銳

（佳木斯電機股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002）

1 研究電動汽車永磁同步電機設(shè)計的背景和意義

19 世紀(jì)中后期，電動汽車和燃料汽車相繼出現(xiàn)。在隨后的幾十年里，電動汽車由于行駛距離短而難以解決，被發(fā)展越來越快的內(nèi)燃機車所取代。此后燃料汽車的發(fā)展對汽車的發(fā)展起了主導(dǎo)作用。直到20 世紀(jì)50 年代，隨著內(nèi)燃機開發(fā)帶來的問題逐漸暴露，電動汽車的發(fā)展開始恢復(fù)。到目前為止，燃油車的數(shù)量巨大，而且還在增加。燃油車消耗大量石油。但是，中國石油的對外依存度仍然很高，石油供應(yīng)存在隱患。同時，燃油車排放大量污染物，使環(huán)境空氣質(zhì)量惡化，損害人體健康，加劇溫室效應(yīng)。據(jù)統(tǒng)計，我國部分城市燃油車排放的污染物占大氣污染總負荷的1.5%以上，汽車尾氣污染問題嚴(yán)重。因此，消除高能耗、重污染汽車，加快交通能源轉(zhuǎn)換是必然的選擇。

新能源汽車的發(fā)展受到我國政府的高度重視，我國制定了“三縱三橫”的新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式，“三縱”主要指純電動汽車、混合動力汽車、電池汽車為主的新能源汽車種類?！叭龣M”主要指驅(qū)動電機、動力電池、多能源動力總成電控三大核心零部件系統(tǒng)。2012 年初，國務(wù)院正式頒布了汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，確定純電動驅(qū)動為行業(yè)主要戰(zhàn)略方向。2013 年至2015 年間，國家加強培育政策后，新能源汽車開始在全國推廣。工業(yè)化部門和信息化部門提出了一項重要決議，加快禁止燃油使用汽車的能源優(yōu)化建議，并且設(shè)立燃油車禁區(qū)，并根據(jù)示范情況調(diào)整燃油車退出日程。電動汽車開發(fā)似乎已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略，隨著該計劃的順利實施，電動汽車的發(fā)展迫在眉睫，電動汽車進入發(fā)展的新時代。

電動汽車結(jié)構(gòu)簡單，能量轉(zhuǎn)換效率高，舒適度好，噪聲低，污染物不直接排放。普及電動汽車已成為交通能源變化的重要方向[1]。為了區(qū)別于傳統(tǒng)燃油汽車，電動汽車由于其先進的技術(shù)被劃分為新能源汽車。此外，新能源汽車還包括混合油田動力汽車、電池電動燃料汽車等。中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)開始于2000 年，2009 年以后，國家相繼出臺了各種新能源汽車支持和優(yōu)惠補貼政策，表明了國家對新能源汽車開發(fā)的重視。與燃氣汽車相比，目前電動汽車的比例仍然很低，但電動汽車的發(fā)展前景正在改善。技術(shù)進步將促進電動汽車?yán)m(xù)航里程的增加和減少，更多的人將選擇電動汽車作為自己的駕駛工具。

電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要性能優(yōu)良的驅(qū)動電機的支持，電動汽車驅(qū)動電機的設(shè)計和開發(fā)的相關(guān)項目，已經(jīng)成為新能源汽車行業(yè)的重要研究方向?？捎糜隍?qū)動電動汽車的電機主要有交流感應(yīng)電機、永磁同步電機、無刷直流電機、開關(guān)磁阻電機等。從驅(qū)動電機的位置來看，這些電機大多數(shù)是集中驅(qū)動形式，也有車輪電機驅(qū)動、輪轂電機驅(qū)動等分布式驅(qū)動形式，但由于很難解決差動問題，所以沒有得到廣泛的應(yīng)用。目前，在轎車領(lǐng)域，以永磁同步電機為驅(qū)動電機的集中驅(qū)動是汽車企業(yè)最流行和廣泛使用的形式。作為電動汽車的核心部件之一，其性能直接影響駕駛體驗[2]。一方面，人們需要汽車有舒適的駕駛經(jīng)驗，馬達扭矩小，運行噪聲低，在一定速度下不會出現(xiàn)共振問題。另一方面，電動車的續(xù)航里程是必不可少的，這往往令人擔(dān)憂。除了增加電池容量外，電機的效率也很重要。最后，電動汽車要有強大的性能。因為加速和爬坡能力好，所以高扭矩輸出和更好的過載能力是對電機的另一個要求。永磁同步電機具有過載能力、功率密度、功率效率、調(diào)速性能等優(yōu)點，適合電動車驅(qū)動。

目前，國內(nèi)銷售的電動車用永磁同步電機中，國產(chǎn)電機接近一半。比率不低，但與美國、日本、德國等高端電機相比，國產(chǎn)電機在最大出口扭矩和最大轉(zhuǎn)速方面仍然存在差距。定居中國的新能源汽車企業(yè)和合資或外資等核心電機企業(yè)仍然對中國本土電動汽車產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重大影響。因此，目前對永磁同步電機性能和效率的研究、設(shè)計和優(yōu)化將逐步趕上和超過國外技術(shù)，為了促進我國永磁同步電機的發(fā)展，我國永磁同步電機在新能源汽車市場中所占的比重對促進我國電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、產(chǎn)業(yè)的競爭力和交通能源的轉(zhuǎn)換具有重要意義。

2 電動汽車永磁同步電機的研究現(xiàn)狀

永磁同步電機屬于永磁電機，永磁電機的開發(fā)與永磁材料的開發(fā)密切相關(guān)，早期直流電機使用的是永磁材料，但當(dāng)時永磁材料的剩磁及磁校正力都很低，因此制造的電機性能非常差。直到1982 年日本發(fā)明了永磁材料，永磁電機的發(fā)展進入了一個新的階段，能源和環(huán)境問題引起了人們的關(guān)注，電動汽車和永磁同步電機的發(fā)展再次活躍起來。日本、德國、法國、美國等國家和中國對永磁同步電機進行了深入研究，取得了相當(dāng)大的成果，多個國家推出了多種永磁同步電機，正在不斷升級。

3 電動汽車永磁同步電機的發(fā)展

德國和法國對永磁同步電機的研究也很早就開始了，早些時候?qū)⒂来烹姍C應(yīng)用于電動汽車。德國大眾奧迪混合動力汽車使用的永磁同步電動機、最大扭矩211N/m、最大功率40 千瓦，德國寶馬在電動汽車中使用了很多交流感應(yīng)電動機，但也開發(fā)了永磁同步電動機。2013 年寶馬汽車的混合動力汽車使用了最大扭矩250N/m、最大功率125kW、最大速度11400r/min 的永磁同步電動機。目前德國的電動汽車永磁同步電機供應(yīng)商有西門子、大陸集團、博世、蔡依富等。

美國的電動汽車常用交流感應(yīng)電機，對永磁同步電機的研究起步晚了一些。美國國家橡樹嶺研究所于2007 年開發(fā)了混合磁永磁同步電動機，額定功率33千瓦，最高功率50 千瓦，最高速度16000r/min。美國通用航空公司（AMERICAN AIRLINES）2016 年推出的電動汽車采用永磁同步電機，最大扭矩為360N/m，最大轉(zhuǎn)速為8810r/mm，美國電動汽車和能源公司特斯拉于2018 年3 月推出了第一款配備永磁同步電機的TESLA。安裝在這輛車上的永磁同步電動機的最大速度達到192 千瓦/min。

按照政府大力推進新能源汽車發(fā)展的政策，我國永磁同步電機技術(shù)進步迅速，多年來，我國自有品牌的永磁同步電機已占我國電動汽車電機配套供應(yīng)的很大一部分，高于其他任何國家。國內(nèi)多所高校開展了哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)等永磁電機研究，部分開發(fā)的電機已應(yīng)用于新能源汽車。國內(nèi)一些汽車企業(yè)和電機制造商也在永磁同步電機開發(fā)方面取得了顯著成果。比亞迪是國內(nèi)領(lǐng)先的新能源轎車企業(yè)，制造汽車和永磁同步電機的技術(shù)都很先進，生產(chǎn)的電動汽車幾乎都是家里生產(chǎn)的永磁同步電機。另外，國內(nèi)其他電動汽車也大量采用上汽榮威、北京現(xiàn)代、廣汽新能源等永磁同步電機。國內(nèi)永磁同步電機供應(yīng)商有比亞迪、北汽新能源、精密電氣、聯(lián)合汽車電子等[3]。

中國電動汽車實現(xiàn)自動機械功能自給自足的原因之一是政府的政策支持，與我國稀土資源的優(yōu)勢有關(guān)。永磁同步電機的核心材料是永磁體，現(xiàn)階段，性能優(yōu)良的永磁材料是鈷、鋁、鎳等部分合金永磁材料，制造這種永磁材料需要稀土資源，我國稀土資源豐富，開采冶煉技術(shù)處處于世界領(lǐng)先水平，2018 年稀土冶煉分離產(chǎn)量為世界總產(chǎn)量的86%，國外核心電機企業(yè)和車輛企業(yè)對本土新能源汽車企業(yè)的影響很大。隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對永磁同步電機的研究也將進一步深入。

4 電磁設(shè)計方法

永磁同步電機的設(shè)計主要有兩種類型的參數(shù)設(shè)計：結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁參數(shù)。結(jié)構(gòu)參數(shù)的外形設(shè)計是為了滿足汽車空間的要求，轎車的體積相對較小，空間寶貴，除了安裝電機外，還需要安裝電池、控制器等主要部件。如果占用空間過大，就會緊緊抓住車輛內(nèi)的空間，影響乘員的舒適度，因此各結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能壓縮體積，增加功率密度，從而影響永磁同步電機結(jié)構(gòu)參數(shù)的內(nèi)部大小。電磁參數(shù)的確定比較復(fù)雜，參數(shù)多，關(guān)系復(fù)雜，受結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，材料和加工方法的差異也影響電磁參數(shù)，轉(zhuǎn)子磁場由永磁體產(chǎn)生，永磁體的位置、排列也影響電磁參數(shù)。目前永磁電機的電磁設(shè)計方法主要有三種：磁路法、電磁場解釋算法、場耦合法。

4.1 磁路方法

磁路方法采用基本策略將“場”轉(zhuǎn)換為“路”，將電機內(nèi)的永磁磁場和定子磁場分為多段，視為線性磁路，將永磁體視為磁動態(tài)電源，簡化為磁路，重新計算。要糾正計算中的錯誤，必須引入修正系數(shù)。電機磁場復(fù)雜的情況下，很難準(zhǔn)確計算結(jié)果，大量使用經(jīng)驗數(shù)據(jù)。如果計算結(jié)果不符合要求，則必須重復(fù)計算。因此，磁路方法更多地應(yīng)用于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的電機設(shè)計中，對設(shè)計師有較高的經(jīng)驗要求，因此在永磁同步電機設(shè)計中單純使用磁路方法是不合適的。后期有一種分析方法，首先對網(wǎng)格進行分割，然后應(yīng)用磁路方法，結(jié)果更準(zhǔn)確，但網(wǎng)格的定性分割也不可避免地導(dǎo)致計算錯誤。

4.2 電磁場求解算法

在電磁場解析方法中，電磁場解析方法采用微分方程的解析方法對電磁場進行解析，在規(guī)定的邊界條件下用函數(shù)管系統(tǒng)生成的偏導(dǎo)數(shù)代替解析值，在特定情況下比較有效。電磁場數(shù)值計算方法將分析區(qū)域劃分為單元，分析單元節(jié)點的值，計算精度與網(wǎng)格密度成正比，但網(wǎng)格越密，計算時間越長。

4.3 場路結(jié)合法法

場耦合方法充分發(fā)揮了場精度高、道路計算快的優(yōu)點，說明了精度和效率。一般來說，首先以路算結(jié)果建模，然后通過分析驗證，減少對經(jīng)驗的依賴。

5 永磁同步電機的設(shè)計內(nèi)容和流程

永磁電機的設(shè)計內(nèi)容與傳統(tǒng)電機設(shè)計相似，根據(jù)需要進行凸率、磁截止措施、熱冷卻等特殊設(shè)計。

通常，設(shè)計內(nèi)容包括以下方面：

1.確定設(shè)計目標(biāo)。根據(jù)電力、電壓、轉(zhuǎn)速等應(yīng)用要求，選擇合適的電機類型，并考慮冷卻方法和電磁負載。電壓的高低會影響絕緣的厚度，從而影響散熱效率，因此為了保證絕緣的可靠性，必須合理設(shè)置電磁負載，以符合適當(dāng)?shù)纳嵴?，防止線圈短路。

2.粗馬達體積。根據(jù)電機設(shè)計的規(guī)律，只要電磁載荷不變，電機的輸出扭矩就與電機的體積和重量呈正相關(guān)。通過體積分配電機的固定、轉(zhuǎn)子、空氣間隙等主要尺寸[4]。

3.槽數(shù)極數(shù)的選擇。根據(jù)備用電機尺寸和轉(zhuǎn)速要求，選擇定子槽數(shù)和轉(zhuǎn)子極數(shù)。插槽數(shù)選擇應(yīng)在合理范圍內(nèi)，插槽數(shù)少則每極插槽數(shù)少，繞組分布少，齒諧波電動勢大，插槽數(shù)多則插槽數(shù)少，分界線復(fù)雜，槽內(nèi)導(dǎo)體電流承載能力小。極數(shù)的多少會影響轉(zhuǎn)速，低速電機會有更多的磁極，高速電機傾向于極數(shù)較少。

4.固定、轉(zhuǎn)子設(shè)計。包括電工和磁鋼選擇、定子型選擇、轉(zhuǎn)子永磁布置設(shè)計等。目前出現(xiàn)了很多軟磁材料，比較了材料選擇的性能特性和成本。

5.計算電磁特性。確認(rèn)設(shè)計方案滿足目標(biāo)要求，并根據(jù)偏差修改設(shè)計。

6.性能檢查。為了保證電機的可靠性和穩(wěn)定性，必須檢查電機的機械強度和溫度上升。

6 總結(jié)

本文圍繞電動汽車關(guān)于永磁同步電機的設(shè)計與分析，分析梳理了永磁同步電機的磁路特性和電機設(shè)計方法，總結(jié)了電動汽車永磁同步電機的產(chǎn)品現(xiàn)狀及相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀。通過梳理國內(nèi)外電動汽車永磁同步電機的演變和性能水平，概述和分析了國內(nèi)外電動汽車永磁同步電機的設(shè)計、仿真、優(yōu)化等研究現(xiàn)狀。

綜合來看，本次設(shè)計的永磁同步電機各性能參數(shù)達到了設(shè)計目標(biāo)。這次設(shè)計也存在一些問題，對電機的運行做出了更加理想化的假設(shè)，使設(shè)計結(jié)果和實際應(yīng)用成為可能。

7 展望

永磁同步電機的設(shè)計是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及多學(xué)科、多方面的知識，此次設(shè)計僅從電機參數(shù)方面出發(fā)，設(shè)計電機的電磁參數(shù)，主要考慮理想情況的結(jié)果，實際情況受多種因素的影響，可能導(dǎo)致結(jié)果和理論設(shè)計的差異。設(shè)計從滿足參數(shù)出發(fā)，對可制造情況考慮不足，可能會出現(xiàn)不利于實際制造的設(shè)計。在電機效率方面，不考慮電動鋼板厚度的影響，實際上用于電機制造的電動鋼板更薄，從而減少渦流損失。對于仿真，實際的電機控制方法不適用，電機仿真運行效果與實際情況不同。因此，后期工作中要多了解相關(guān)方面的知識，綜合考慮設(shè)計思路，根據(jù)實際情況對電機進行針對性優(yōu)化，使設(shè)計結(jié)果更接近實際情況。另外，還需要進行電機強度檢查和溫度檢查，但此次設(shè)計沒有進行。電動汽車的性能取決于電機、電池、電控技術(shù)的共同發(fā)展，對電機的優(yōu)化、性能、效率的挑戰(zhàn)也將加深。