電動汽車用調速永磁同步電動機分析與設計

陳文敏，劉征艮，劉 海

(廣東省東莞電機有限公司，東莞523141)

0 引 言

隨著現代社會環境問題的日益突出，低污染、高效率的純電動汽車已經成為現代汽車發展的趨勢。由于汽車運行的特殊環境，對電動汽車電機的設計要注意以下三個要求:(1)電機起動力矩大，轉矩波動小，過載能力強，能夠在比較寬的速度范圍內實現恒定功率的輸出;(2)電機的功率密度大，可以滿足電動汽車內部狹窄空間的安裝要求;(3)電機抗高溫、顛簸能力強，能夠適應各種復雜惡劣的環境［1］。

內置式調速永磁同步電動機以其效率高、功率密度大、體積小、弱磁擴速能力良好等優點，成為了純電動汽車驅動電機的首選。本文根據汽車的實際運行工況，設計了一款用于驅動純電動汽車的內置式調速永磁同步電動機，其額定功率PN=30 kW，最大功率Pmax=65 kW，額定轉速nN=3 000 r/min，最高轉速nmax=7 000 r/min，單臺電機運行，可驅動2 000 kg 的小汽車。

1 內置式永磁同步電動機電磁設計

電磁設計的任務包括根據電機的性能指標確定主要尺寸、轉子結構、估算并選擇永磁體的尺寸、選用材料、設計定轉子沖片、選擇繞組連接方式、確定線圈匝數及熱平衡計算等，然后對初始方案進行計算，計算值不符合設計的技術指標則要返回相關步驟調整相關參數進行迭代，計算值符合技術指標則繼續往下計算，直到計算結果符合技術指標為止，相關流程如圖1 所示。

圖1 電機設計流程圖

1.1 確定電機主要尺寸

電機的主要尺寸是電樞直徑Di1和電樞長度leff，其尺寸可以通過基本關系式來確定:

式中:P'為計算功率;α 為計算極弧系數;A 為電負荷;Bδ為氣隙磁密基波幅值;n 為轉速。

為了提高汽車電機的起動和加速能力，電機最大轉矩Tmax要為額定轉矩TN的2.5 倍以上。永磁同步電動機最大轉矩Tmax與電磁負荷、電機主要尺寸有以下關系:

永磁材料采用高性能釹鐵硼，Bδ可達到0.85 T，該電機采用強迫水冷系統，電負荷A 可取35 A/cm。同時考慮到電動汽車內部的安裝空間，最終取Di1=115 mm，leff=200 mm。

1.2 轉子結構選擇

傳統的永磁同步電動機采用表貼式，每一塊永磁體對于一個極。本文設計的永磁電機磁鋼按“V”型結構放置，由兩塊永磁體組成一個極。此結構能有效增加勵磁，具有比較大的凸極率，可有效提高電機的弱磁擴速能力［2］。電機截面結構如圖2 所示。

圖2 電機結構圖

1.3 永磁體尺寸的設計

適合調速的永磁同步電動機使用的永磁材料只有稀土永磁材料，即釤鈷永磁和釹鐵硼永磁。相對于釤鈷永磁來說，釹鐵硼永磁材料溫度系數高，居里溫度低，但是剩磁高，價格便宜，更適合民用。永磁材料的厚度hM與氣隙δ 的大小直接相關。由于永磁材料是永磁電機的磁動勢來源，因此hM的選擇應從永磁電機的磁勢平衡關系出發，先給定一個估計值，再根據永磁電機的電磁性能再進行相應的調整;此外hM的大小還決定了永磁電機的抗去磁能力，因此還要根據電樞反應去磁的計算結果來最終決定hM的取值。為了調整永磁電機的性能，還需要調整永磁材料的磁化寬度bM，bM直接決定了永磁材料的供磁面積。對于內置式徑向結構的轉子，永磁材料的尺寸計算公式［3］:

式中:系數Ka與轉子的結構相關，一般可取0.7 ～1.2，σ0為永磁電機空載漏磁系數，內置式永磁電機可取1. 2 ～1. 4，Kt為永磁電機飽和系數，一般取1.05 ～1.2。根據估算結果初步給定值為bM=70 mm，hM=5.6 mm。

1.4 轉子隔磁橋的設計

內置式永磁同步電動機的永磁體插在轉子鐵心內部，漏磁比較大，永磁體的利用率比表貼式的低，必須采取相應的隔磁措施。隔磁使轉子的結構趨于復雜，機械強度變差，沖模的使用壽命縮短，因此在保證隔磁效果的前提下，隔磁措施越簡單越好。

本文采用空氣和隔磁橋進行隔磁，如圖3 所示。圖中隔磁橋很窄，通過較小的磁通就讓其達到飽和，從而限制漏磁，達到隔磁的效果。隔磁橋的寬度越小，隔磁效果越明顯，磁鋼的利用率越高，但機械強度越差，容易造成鐵心變形［4］。通常隔磁橋寬度取0.8 ～1.5 mm，本文取1 mm。

圖3 轉子隔磁橋

1.5 轉子偏心距的確定

內置式永磁同步電動機可采用不均勻氣隙的方法來降低齒槽轉矩，使氣隙磁密盡量正弦化，同時還可以使繞組反電勢盡可能接近正弦波，降低輸出轉矩波動，提高電機的性能［5］。如圖4 所示，轉子外表面與定子內表面的圓弧不同圓心，兩者之間存在一個偏心距h ，最大氣隙δmax，最小氣隙δmin。滿足R2=R1+h+δmin。

圖4 永磁電機的偏心氣隙

根據有限元的分析結果，不同的偏心距對于齒槽轉矩值和空載氣隙磁密諧波畸變率如圖5、圖6所示。

圖5 齒槽轉矩與轉子偏心距關系

圖6 氣隙磁密諧波畸變率與轉子偏心距關系

由圖5、圖6 可知，轉子偏心距不是越大越好，在偏心距h=18 mm 時齒槽轉矩最小，h =16 mm 時諧波畸變率最小;氣隙磁密的正弦度最好。綜合考慮，本文取偏心距h=17 mm。

1.6 繞組的確定

空載反電勢E0是永磁同步電動機一個非常重要的參數，由永磁體產生的空載氣隙基波磁通在電樞繞組中感應生成。E0的大小對永磁電機性能有很大的影響，合理設計的永磁電機，E0與額定電壓的比值均在合理的范圍內［6］。當永磁電機的其它尺寸參數已經確定時，通過空載反電勢來確定繞組匝數、連接方式、線規等就成為永磁電機設計的關鍵。

本文中電動汽車所攜帶的驅動系統所能提供的最大交流電壓為230 V。一般永磁同步電動機額定點空載反電勢要求盡可能接近并略小于工作電壓，但電動汽車電機運行的速度范圍比較寬，因此，一般取較小值以滿足擴速要求。本文計算了在單層繞組、2 路并聯時，不同匝數分別對應的空載反電勢E0、空載電流I0、額定電流IN、最高轉nmax，分別如表1、表2 所示。

表1 Y 接法時不同匝數對應參數

表2 △接法時不同匝數對應參數

由表1、表2 可知，隨著匝數的增加，空載反電勢上升，空載電流和額定電流下降，最高轉速也隨之下降。綜合各項指標，本文的繞組采用△接法、10匝的方案。具體尺寸參數如表3 所示。

表3 電動機的具體尺寸參數

2 永磁電機電磁方案仿真

2.1 空載漏磁系數的計算

由于本文采用磁鐵內置的方式，漏磁比永磁體表貼時要大，因此空載漏磁系數是衡量永磁電機設計合理與否的一個重要參數。利用有限元軟件對電動汽車電機進行漏磁仿真計算，結果如圖7 所示。

圖7 永磁電機空載漏磁示意圖

從圖7 可以看到，轉子中有一部分磁力線沒有穿過氣隙與定子繞組交鏈產生力矩，而是從磁鐵N極出來后穿過隔磁橋及加強筋回到S 極。通過計算可以求出空載漏磁系數σ0=1.26。

2.2 空載反電勢

永磁電機空載反電勢波形的正弦程度對電機有非常重要的作用。一般來說，反電勢的正弦度越好，輸出的轉矩脈動越小，電機就越平穩。

本文在額定點的反電勢及其傅里葉分解圖如圖8、圖9 所示。由圖可得反電勢的波形比較接近正弦波，諧波畸變率為11.8%。

圖8 空載反電勢波形

圖9 空載反電勢傅里葉分解

2.3 輸出轉矩

輸出轉矩的平穩程度是電動汽車電機的一個重要指標，直接關系到電動汽車的振動狀況及乘車的舒適性。本文通過一系列的優化方式，使電機的輸出轉矩脈動非常小，基本上接近直線，如圖10 所示，能夠滿足電動汽車的設計要求。

圖10 永磁電機在額定點的輸出轉矩

3 試制樣機及相關實驗

根據設計參數，制作了樣機并進行裝車實驗，如圖11、圖12 所示。

圖11 電機樣機

圖12 電動汽車樣機

以測功機為負載，在矢量控制方式下對樣機進行轉矩轉速特性測試，結果如圖13 所示。可見，樣機的低速轉矩大，恒功率運行范圍廣，從而使整車具有強加速能力及低速爬坡能力，又具有比較高的行駛速度。

圖13 電機轉矩轉速特性圖

4 結 語

本文設計一款驅動電動汽車的PN=30 kW，nN=3 000 r/min 調速永磁同步電動機，根據設計指標計算出電機的主要尺寸，對轉子結構、永磁體尺寸、隔磁措施進行了分析，并根據電機在額定工況的反電勢及超速性能，確定電樞繞組的連接方式和匝數。對電機的空載漏磁系數、空載反電勢的諧波畸變率、輸出轉矩等參數進行了仿真，最后制作了樣機并進行了裝車實驗。測試結果表明該電機符合電動汽車的設計要求，為下一步的電機優化工作打下基礎。

［1］ 陳清泉，孫逢春.現代電動汽車技術［M］.北京:北京理工大學出版社，2002.

［2］ 魏亮，王艾蒙，李和明.電動機車驅動永磁同步電機設計和控制系統的研究［J］.電力科學與工程，2009(6):32 -36.

［3］ 胡巖，武建文，李德成.小型電動機現代實用設計技術［M］. 北京:機械工業出版社2008.

［4］ 王秀和.永磁電機［M］. 北京:中國電力出版社，2007.

［5］ 谷偉光. 混合動力汽車用永磁同步電動機設計與研究［D］.天津:天津大學，2009.

［6］ 唐任遠.現代永磁電機理論與設計［M］.北京:機械工業出版社，1997.

［7］ 代穎.電動車驅動用永磁同步電機的研究［D］. 哈爾濱:哈爾濱工業大學，2004.