新能源汽車電驅(qū)后橋永磁同步電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙夕長(zhǎng)，林 東

新能源汽車電驅(qū)后橋永磁同步電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙夕長(zhǎng)1，林 東2

（1.奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241009；2.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是新能源汽車動(dòng)力總成關(guān)鍵部件之一，其性能指標(biāo)直接影響汽車動(dòng)力輸出品質(zhì)。參考某款新能源汽車整車性能指標(biāo)，選用永磁同步電機(jī)作為電動(dòng)后橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過計(jì)算獲得電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩等關(guān)鍵參數(shù)，基于電機(jī)的性能參數(shù)對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行選定，基于MotorCad軟件利用參數(shù)化方法以降低齒槽轉(zhuǎn)矩峰值作為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)電機(jī)永磁體厚度、寬度以及氣隙長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并得到電機(jī)的效率MAP圖和外特性圖，結(jié)果表明齒槽轉(zhuǎn)矩相比于優(yōu)化前有較為顯著的降低，選取中國(guó)乘用車行駛工況（CLTC-P）進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了永磁同步電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性。

電動(dòng)后橋；永磁同步電機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；參數(shù)優(yōu)化

為了緩解傳統(tǒng)燃油汽車對(duì)環(huán)境的污染，發(fā)展新能源汽車成為了最好的解決方案[1]。驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為新能源汽車重要部件，它直接影響新能源汽車的行駛性能。而永磁同步電機(jī)相比于其他類型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)：功率效率高、轉(zhuǎn)速密度高和調(diào)速范圍較寬[2-3]，因此，開發(fā)和推廣永磁同步電機(jī)勢(shì)在必行[4]。

永磁同步電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)是新能源汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一，基于電機(jī)相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)已成為熱點(diǎn)問題，溫嘉斌等[5]基于田口法，建立正交矩陣，優(yōu)化了齒槽轉(zhuǎn)矩。高鋒陽(yáng)等[6]通過對(duì)轉(zhuǎn)子開輔助槽方法，降低了齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。司紀(jì)凱等[7]利用田口法對(duì)電機(jī)多目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，齒槽轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)得到明顯降低。左曙光等[8]通過改變徑向變極弧系數(shù)，有效地降低了電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。劉露等[9]提出了一種加裝凸形極靴的磁極新型結(jié)構(gòu)，使得齒槽轉(zhuǎn)矩和損耗得到大幅下降。李曉峰等[10]提出了一種利用參數(shù)分層與響應(yīng)法結(jié)合方法，降低了齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。但上述方法不足之處在于沒有考慮將電機(jī)匹配在整車上展開進(jìn)一步的驗(yàn)證。

參考某款新能源汽車整車參數(shù)，對(duì)永磁同步電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩等關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算匹配，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)選定，利用MotorCad有限元軟件對(duì)初步方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證，采用參數(shù)化方法以降低齒槽轉(zhuǎn)矩峰值作為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)電機(jī)永磁體厚度、寬度以及氣隙長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并選取中國(guó)乘用車行駛工況（China Light-duty vehicle Test Cycle-Passenger, CLTC-P）進(jìn)行仿真分析。

1 電機(jī)參數(shù)確定

永磁同步電機(jī)性能參數(shù)主要包括額定功率、峰值功率、額定轉(zhuǎn)速和峰值轉(zhuǎn)速[11]。其值一般是根據(jù)汽車動(dòng)力性參數(shù)確定，新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)主要是通過汽車最高速度、最大爬坡度和加速性能來確定。表1是某款新能源汽車的整車參數(shù)和性能指標(biāo)。

為保證該車型在各種工況下的后備功率，選用驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率為102 kW，額定功率為45 kW，同時(shí)根據(jù)最高車速和加速時(shí)間以及參考市場(chǎng)上其他相似車型，驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速定為12 000 r/min，驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)如表2所示。

表1 整車參數(shù)與性能指標(biāo)

參數(shù)數(shù)值 滿載質(zhì)量/kg1 656 迎風(fēng)面積/m22.432 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)1.1 空氣阻力系數(shù)0.345 滾動(dòng)阻力系數(shù)0.014 輪胎滾動(dòng)半徑/m0.30 傳動(dòng)效率0.95 最高車速/(km/h)150 100 km/h加速時(shí)間10 爬坡性能30%（20 km/h）

表2 電機(jī)參數(shù)

參數(shù)數(shù)值 額定功率/kW45 峰值功率/kW102 額定轉(zhuǎn)速/(r/min)5 000 最高轉(zhuǎn)速/(r/min)12 000 額定轉(zhuǎn)矩/(Nm)85 峰值轉(zhuǎn)矩/(Nm)220

2 電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)選定

通過磁路法初步計(jì)算出電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子尺寸等結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后利用MotorCad仿真軟件對(duì)于初始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析。

2.1 電機(jī)基本結(jié)構(gòu)尺寸

永磁同步電機(jī)尺寸的設(shè)計(jì)，主要通過永磁同步電機(jī)的額定功率、電磁負(fù)荷來確定定子內(nèi)徑和鐵芯軸向有效長(zhǎng)度，其關(guān)系式為

式中，為電機(jī)定子內(nèi)徑；為鐵芯軸向有效長(zhǎng)度；0為額定轉(zhuǎn)速；為電機(jī)額定功率；P為計(jì)算極弧系數(shù)；Nm為氣隙磁場(chǎng)波形系數(shù)；dp為繞組系數(shù)；為線負(fù)荷；δ為電機(jī)氣隙磁密。

雖然電機(jī)的功率與電負(fù)荷、磁負(fù)荷等相關(guān)，但電機(jī)的尺寸參數(shù)也受到整車布置空間影響，所以在實(shí)際確定電機(jī)尺寸時(shí)，要將理論與實(shí)際安裝空間相結(jié)合，進(jìn)行綜和考慮，因此，定子外徑為1=185 mm；定子內(nèi)徑為=125 mm。

永磁同步電機(jī)采用內(nèi)置式“V”型，極對(duì)數(shù)選用4，定子槽數(shù)為48槽。槽型采用平行齒型，如圖1所示。其中=2 mm；1=3 mm；2=4 mm；1=21 mm；=27°。

圖1 定子槽型

接下來確定永磁體的尺寸，其尺寸主要包括軸向長(zhǎng)度M、厚度M、寬度M，其中軸向長(zhǎng)度M與電機(jī)的鐵芯長(zhǎng)度相等或稍短，無(wú)需考慮。因此，只需考慮永磁體的厚度與寬度，適用于內(nèi)置式V型轉(zhuǎn)子磁路的永磁體尺寸的估算公式為

式中，S為飽和系數(shù)，其值范圍為1.05～1.3；α為與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有關(guān)的安全系數(shù)，其值范圍為0.7～1.2；m0為永磁體空載工作點(diǎn)；為氣隙大小長(zhǎng)度；0為空載時(shí)漏磁系數(shù)，其值范圍為1～1.5；δ1為氣隙磁密基波幅值；1為極距；ef為鐵芯軸向有效長(zhǎng)度；r為永磁體剩磁密度；φ為氣隙磁通的波形系數(shù)。永磁同步電機(jī)的主要尺寸參數(shù)如表3所示。

表3 電機(jī)尺寸參數(shù)

參數(shù)數(shù)值 定子外徑/mm185 定子內(nèi)徑/mm125 氣隙長(zhǎng)度/mm0.8 永磁體寬度/mm16.5 永磁體厚度/mm5.5 永磁體材料N38UH 槽數(shù)48 極對(duì)數(shù)4

2.2 有限元仿真分析

表4是利用MotorCad對(duì)電機(jī)有限元分析的各項(xiàng)性能指標(biāo)，可以看出各項(xiàng)性能指標(biāo)是符合設(shè)計(jì)電機(jī)的要求，但其齒槽轉(zhuǎn)矩值有點(diǎn)過大。

表4 電機(jī)性能指標(biāo)

參數(shù)數(shù)值 平均轉(zhuǎn)矩/(Nm)88.15 齒槽轉(zhuǎn)矩/(Nm)6.53 輸出功率/W45403 電機(jī)效率/%96.76 功率因數(shù)0.94

3 電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

為了進(jìn)一步削弱電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩，同時(shí)保證電機(jī)的效率處于較高的水平，將采用參數(shù)優(yōu)化方法對(duì)電機(jī)永磁體寬度、厚度及氣隙長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 電機(jī)永磁體尺寸優(yōu)化

永磁體的作用是給電機(jī)轉(zhuǎn)子提供恒定的磁場(chǎng)，其大小直接影響電機(jī)的性能，因此合理的優(yōu)化永磁體尺寸至關(guān)重要。經(jīng)過綜合考慮后，選取永磁體寬度范圍為10～18 mm，厚度范圍為3.5～6 mm，進(jìn)行參數(shù)化分析。

永磁體寬度與電機(jī)性能指標(biāo)關(guān)系如圖2所示，可以看出隨著永磁體寬度的增加，齒槽轉(zhuǎn)矩也在不斷增加，電機(jī)輸出功率也隨著永磁體寬度增加而增加。永磁體寬度在10～15 mm之間時(shí)，電機(jī)的效率隨永磁體寬度增大而增大，但當(dāng)永磁體寬度大于15 mm時(shí)，電機(jī)的效率保持不變，甚至開始降低。永磁體寬度的選取首先要滿足其齒槽轉(zhuǎn)矩較小同時(shí)也要使得效率處于較高水平，利用參數(shù)法對(duì)永磁體寬度進(jìn)行不斷調(diào)整，最終永磁體寬度選取15.8 mm。與選取永磁體寬度類似，永磁體厚度與各項(xiàng)指標(biāo)關(guān)系與寬度相似，永磁體厚度選取5 mm。

圖2 永磁體寬度與電機(jī)性能指標(biāo)關(guān)系

3.2 氣隙長(zhǎng)度優(yōu)化

永磁同步電機(jī)的氣隙與電機(jī)性能密切相關(guān)，氣隙長(zhǎng)度的選擇，既要考慮制作的工藝性，也要考慮電機(jī)的弱磁擴(kuò)速能力，氣隙過小，對(duì)于電機(jī)的制造工藝要求更高，氣隙過大，會(huì)使得電機(jī)的漏磁越大，效率變低。

設(shè)定氣隙長(zhǎng)度范圍為0.5～1.5 mm，氣隙長(zhǎng)度與電機(jī)性能指標(biāo)關(guān)系如圖3所示，可以看出隨著氣隙長(zhǎng)度的增加，齒槽轉(zhuǎn)矩、電機(jī)的輸出功率也在不斷下降，電機(jī)效率隨著氣隙長(zhǎng)度的增加，也在不斷的增加，但變化的范圍并不大，同樣的利用參數(shù)法不斷調(diào)整，同時(shí)也要保證其額定功率超過45 kW。最后此氣隙長(zhǎng)度選取0.6 mm。

圖3 氣隙長(zhǎng)度與電機(jī)性能指標(biāo)關(guān)系圖

3.3 性能驗(yàn)證

根據(jù)參數(shù)優(yōu)化所選取的永磁體厚度、寬度以及氣隙長(zhǎng)度，重新建立電機(jī)模型，進(jìn)行計(jì)算分析，優(yōu)化后的齒槽轉(zhuǎn)矩與優(yōu)化前的對(duì)比如圖4所示。表5為優(yōu)化后電機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。由圖4和表5可以看出經(jīng)過優(yōu)化后永磁同步電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩由原來的6.53 Nm變成了現(xiàn)在的5.71 Nm，降低了13.02%，其余的指標(biāo)比原來的略有下降，但電機(jī)的效率和功率因數(shù)仍處于較高的水平，平均轉(zhuǎn)矩以及輸出功率也都符合電機(jī)設(shè)計(jì)的指標(biāo)。

圖4 氣隙長(zhǎng)度與電機(jī)性能指標(biāo)關(guān)系

表5 優(yōu)化后電機(jī)性能指標(biāo)

參數(shù)數(shù)值 平均轉(zhuǎn)矩/(Nm)87.55 齒槽轉(zhuǎn)矩/(Nm)5.71 輸出功率/W45 001 電機(jī)效率/%96.74 功率因數(shù)0.94

將Motor-CAD-Emag模塊建立的電機(jī)模型導(dǎo)入Motor-CAD-Lab模塊獲得電機(jī)的效率MAP圖。如圖5所示，可以看出額定轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，最高轉(zhuǎn)速能達(dá)到12 000 r/min，符合電機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)。且電機(jī)調(diào)速范圍較寬，效率在90%以上占比為81.79%，同時(shí)電機(jī)的最高效率達(dá)到了96.88%，在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持96%效率。

圖5 電機(jī)效率MAP

4 典型循環(huán)工況分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所優(yōu)化設(shè)計(jì)的電機(jī)，選取CLTC-P工況，對(duì)匹配永磁同步電機(jī)的新能源汽車進(jìn)行循環(huán)工況仿真驗(yàn)證。

CLTC-P工況測(cè)試時(shí)間為1 800 s，其中怠速時(shí)間長(zhǎng)、速度波動(dòng)大，運(yùn)行工況更加符合中國(guó)交通實(shí)際情況。

圖6為電機(jī)在此工況下運(yùn)行時(shí)各項(xiàng)性能指標(biāo)?？梢钥闯觯斯r下電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩變化較為劇烈，從圖6(a)可以看出，所需最大轉(zhuǎn)矩為145 Nm，小于所設(shè)計(jì)電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩。從圖6(b)可以看出，在此工況下電機(jī)的最大效率為96.61%，整個(gè)過程的平均效率為94.20%。由此可以看出，所設(shè)計(jì)的電機(jī)在此工況下有著較好的性能。

5 結(jié)論

參考某款新能源汽車整車參數(shù)，設(shè)計(jì)的電機(jī)通過MotorCad有限元仿真分析，其性能參數(shù)基本符合設(shè)計(jì)要求。采用參數(shù)化方法對(duì)設(shè)計(jì)的電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，在滿足基本性能的前提下，齒槽轉(zhuǎn)矩相比于優(yōu)化前下降了13.02%；通過電機(jī)效率MAP圖，可以看出設(shè)計(jì)的電機(jī)調(diào)速范圍較寬，且在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持96%的效率，可以提高該車型的續(xù)航能力。在CLTC-P工況下進(jìn)行電機(jī)性能的檢驗(yàn)，仿真結(jié)果表明本文所優(yōu)化設(shè)計(jì)的電機(jī)能滿足選定車型的行駛性能。

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Optimization Design of New Energy Vehicle Electric Drive Rear Axle Permanent Magnet Synchronous Motor

ZHAO Xichang1, LIN Dong2

( 1.Chery Automobile Company Limited, Wuhu 241009,China; 2.School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China )

The drive motor is one of the key components of the powertrain of new energy vehicles, and its performance index directly affects the quality of vehicle power output. With reference to the performance indicators of a new energy vehicle, permanent magnet synchronous motor is selected as the electric rear axle drive motor. The power, speed, torque and other key parameters of the motor are obtained through calculation. Based on the performance parameters of the motor, the motor structure parameters are selected. Based on MotorCad software, parametric method is used to reduce the peak of tooth groove torque as the optimization objective, the thickness, width and air gap length of the motor permanent magnet are optimized, and the efficiency MAP and external characteristic diagram of the motor are obtained. The results show that the cogging torque is significantly reduced compared with that before optimization. By selecting the driving China light-duty vehicle test cycle-passenger (CLTC-P) for simulation analysis, the rationality of the optimization design of permanent magnet synchronous motor is verified.

Electric rear axle; Permanent magnet synchronous motor; Structure design; Parameter optimization

U463

A

1671-7988(2023)20-10-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.003

趙夕長(zhǎng)（1978－），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾履茉雌嚰夹g(shù)，E-mail:740661569@qq.com。

安徽理工大學(xué)環(huán)境友好材料與職業(yè)健康研究院（蕪湖）研發(fā)專項(xiàng)（ALW2021YF05）。