電動汽車用永磁同步電機的選型研究

李周清，李婷婷，紀小莊

(1.華域汽車電動系統有限公司，上海201202;2.上海捷能汽車技術有限公司，上海201804)

0 引 言

改革開放30 年來，中國的經濟發展取得了舉世矚目的成績，但粗狂式的發展模式不可避免地帶來了自然資源枯竭和環境惡化的后遺癥。為改善這一現狀，國家的在汽車行業推出了863 計劃。在此政策的支持下，傳統汽車企業在新能源領域取得了長足的進步。Start_Stop 技術、BSG 技術、增程器技術、純電動技術等在汽車上逐步應用。這些技術要實現節能效果無非是從兩方面著手:一方面，電驅動系統配合燃油系統工作，減少燃油使用量;另一方面，直接使用電驅動系統，不使用燃油。這樣電驅動系統成為新能源汽車節能的關鍵部件。

眾所周知，車用電驅動系統主要分為直流電動機系統、交流感應電動機系統、開關磁阻電動機系統和永磁同步電動機系統4 大類。

直流電動機系統在早期的電動汽車研發中使用過。它具有起動力矩大、運轉平順、控制系統較簡單等優點，但采用了換向器和電刷，致使電機在使用維護性、過載能力、電機轉速不能過高等方面受到限制。在目前新研制的電動汽車上已基本不再采用。

交流感應電動機系統在傳統工業上應用較多，其功率覆蓋寬廣、工藝成熟、環境適應性強，維護簡單方便，可靠性高。但缺點是控制系統復雜、效率及功率密度偏低;同時控制系統成本過高，這樣導致整個系統成本相對較高。典型應用案例為特斯拉電動跑車，它極大地改變了眾人對異步電動機的偏見。同時對應那些有足夠的布置空間的公交汽車來說，也有較普遍的應用。

開關磁阻電動機系統是一種有巨大開發潛力的新型電動機。其顯著特點:結構非常簡單，基本不需要維護且可靠性好;電機可以運行極高轉速，不存在高轉速下對控制器件的耐壓沖擊;電機整體效率介于交流感應電動機與永磁同步電動機之間，在寬廣的轉速范圍仍可以保持高效率，同時還不需要使用價格昂貴的稀土材料。其缺點是轉矩波動大、噪聲大等。

永磁同步電動機系統應用最為廣泛。系統效率高、高效率區間覆蓋寬、振動和噪聲低、動態響應快、控制系統相對簡單、功率密度高等優點。缺點是需要使用稀土材料，稀土是國家戰略資源，其成本波動風險較大。目前市場主流開發的產品中，應用它的車型有通用Volt、日產Leaf、豐田Prius 和Lx200、寶馬i8、上汽E50、比亞迪“秦”和電動大巴K9 等。

隨著大量研發資金的投入，相信在不久，將會有更多的企業推出使用永磁同步電動機的新能源汽車。據了解，在批量生產的電動汽車中，純電動汽車大多采用經典的48 槽8 極永磁同步電動機，圓漆包線工藝，工藝成熟可靠。例如Prius 2010 版、日產Leaf、比亞迪“秦”等驅動電機。那么是否還有更優的方案呢?本文主要分析了永磁同步電動機槽極配合、圓漆包線或扁漆包線工藝對電機性能的影響。

1 設計選型

為便于比較，我們以永磁同步電動機，轉子永磁體內置式結構為分析對象，性能目標如下:

額定電壓DC 320 V;持續功率35 kW;持續扭矩80 N·m;峰值功率65 kW;峰值扭矩150 N·m;最高工作轉速10 000 r/min;最高空載反電動勢＜530 V(峰值);最大相電流＜380 A(均方根);

表1 主要尺寸

選取4 個方案，便于比較，設計時首先限定電機線電阻、定子每相串聯匝數、永磁體用量相同，同時盡量使空載反電動勢相近。

方案1:36 槽8 極，內置式復合V 型磁鋼，定子線圈采用圓漆包線，如圖1 所示。

方案2:經典的48 槽8 極，內置式復合V 型磁鋼，定子線圈采用圓漆包線，如圖2 所示。

方案3:72 槽8 極，內置式復合V 型磁鋼，定子線圈采用扁銅線結構，繞組半極式Y9，如圖3 所示。

圖1 36 槽8 極圖

圖2 48 槽8 極圖

方案4:48 槽8 極，內置式V 型磁鋼，定子線圈采用圓漆包線，繞組整極式Y8，如圖4 所示。

圖3 72 槽8 極(Y9)半極式

圖4 72 槽8 極(Y8)整極式

轉子形狀均采用復合V 型，如圖5 所示。特征在于每極上由V 型磁鋼和“一”字型磁鋼組成。這種結構的優點在于磁阻力矩較大，有利用電機的弱磁調速。

圖5 轉子復合V 型

2 性能參數仿真計算

2.1 反電動勢

由永磁同步電動機理論可知，空載反電動勢E0［1］可以表示:

式中:f 為電頻率;kdp為繞組系數;N 為每相串聯匝數;φ10為空載基波磁通量。

運用Maxwell 軟件，分別計算出4 個方案在10 000 r/min 時的空載反電動勢值。

圖6 空載反電動勢

4 個方案的空載反電動勢FFT 分析后，可得出可諧波含量，如表2 所示。

由上述分析可知，72 槽8 極(Y8)反電動勢正弦度最高，其次是48 槽8 極，36 槽8 極，72 槽8 極(Y9)。

表2 各方案空載反電動勢FFT 分析

2.2 齒槽力波

利用轉子分段斜極技術，可以明顯減小齒槽力矩波動，目標轉子均分兩段斜一個定子齒距。4 個方案的齒槽力矩均小于0.1 N·m，均較理想。

2.3 短路電流

短路電流值與磁鏈、電阻、電抗有關。設計時，設定固定轉速3 000 r/min，永磁體溫度為20℃，計算出的4 個方案的短路電流值相近，在240 ～260 A(均方根)之間變化。

2.4 電機的溫升

溫升由兩個因素決定:發熱量和散熱結構。在電磁設計時，可以用發熱因子來對比不同方案的發熱量，4 個方案在不同負載下的發熱因子如表3 所示。

表3 各方案的發熱因子

上述仿真結果，可以從原理上進行解釋。72 槽8 極(Y8)因采用扁銅線繞組結構，可以布置更多的銅繞組，因而它的熱負荷最小。72 槽8 極(Y9)雖然采用扁銅線，但采用半極式，繞組利用率低，抵消了扁銅線的優勢，使得熱負荷要高于48 槽8 極的圓銅線方案。

對于散熱結構，4 個方案采用相同的冷水式機殼。扁銅線繞組結構和圓銅線繞組結構在導熱性能上有一定差異。利用ANSYS 進行熱仿真，結果如圖7、圖8 所示，冷卻系統輸入條件:75℃，冷卻液流速8 L/min，電機損耗保持一致。從仿真結果可知，圓銅線的繞組平均溫升為133℃;扁銅線的繞組平均溫度為121℃?？膳卸ǔ霰忏~線的散熱效果要明顯高于圓銅線。

圖7 圓銅線繞組溫度圖

圖8 扁銅線繞組溫度

2.5 效率map

電機效率由輸出功率與損耗解決。損耗主要由機械損耗、鐵耗、銅耗、雜散損耗組成。

仿真時，4 個方案的機械損耗和雜散損耗設置相同值，因其值較小，對效率的影響幾乎可以忽略。四個方案的效率map，如圖9 所示。72 槽8 極(Y8)效率最高，96%的效率區域較大，且90%的效率區域占整個工作區比重超過80%。其次是48 槽8極，72 槽8 極(Y9)，36 槽8 極最低。

圖9 效率map 圖

2.6 負載反電動勢

在理想狀態下，電機采用SVPWM 控制方式，可得到標準的正弦波電流。仿真時，輸入一個標準的正弦電流，檢測出負載反電動勢，可以利用檢測出負載反電動勢波形評估磁場諧波含量。36 槽8 極的齒諧波為17 次和19 次，;48 槽8 極的齒諧波為11和13 次，;72 槽8 極的齒諧波17 次和19 次。此類電機弱磁深度越大，波形畸變也嚴重。

圖10 負載反電勢

2.7 電磁力波

根據麥克斯韋張力理論，電機運行過程中電樞會受到磁拉力，它可以分解成徑向分量和切向分量。徑向分量使電樞鐵心產生振動，它是電磁噪聲的主要來源;而切向分量使定子齒根產生振動變形，它也是產生電磁噪聲的另一來源。除此之外，在分析電磁噪聲時，還需對電樞進行模態分析，但本文中不做詳細分析。

根據電磁理論，電機磁場氣隙中單位面積的徑向力電磁力［2］:

式中:Bμ為轉子建立的μ 次諧波磁密;Bν為定子建立的ν 次諧波磁密;r =μ ±ν 為力波的次數，也稱為r 階次力波。電磁振動是由這些旋轉力波產生的。電磁振動和噪聲除了與力波的幅值大小有關，還與力波的階次數有關。力波的階次數越小則電樞變形就越大，所引起的振動就越大，通常電樞振動時動態形變的振幅與r4成反比。

2.7.1 徑向力波

結合上述理論的分析，對四個方案的額定負載下的徑向力波分析。36 槽8 極存在明顯的4 階力波，如圖11(a)所示，這可能會引起高頻噪聲。48槽8 極階次力波相對較好，在8 階力波中主要含有12 倍頻的力波，如圖11(b)所示。72 槽8 極的Y8比Y9 力波高頻次含量要少，力波振幅度變化較小，如圖11(c)和圖11(d)所示。72 槽Y8 和Y9 方案因為增強了氣隙的磁密，其0 階和8 階的徑向力波會比其他兩個方案稍高，考慮到徑向力波的階次因數，綜合比較來看，72 槽8 極Y8 和48 槽8 極的振動和噪聲會更低。

圖11 徑向力波

2.7.2 切向力波

為便于分析，以1 個齒部單元為分析對象。電機運行在一定條件下，取一個電周期下的切向力，如圖12 所示。從仿真結果來看，電樞齒上的切向力均主要含有常數量、2 倍頻、4 倍頻和8 倍頻分量，其中常數量和2 倍頻占比量較大。四個方案的齒部切向力差異較小，所以在做選型設計時，若把電機的振動噪聲作為重要選項，則主要分析徑向力的作用效果，切向力只作為參考項即可。

圖12 各方案的齒部切向力

3 結 語

綜上所述，4 個方案各有優缺點，主要著重從以下幾個方面比較。

(1)效率角度:72S8P(Y8)和48S8P 效率基本相同，高于72S8P(Y9)和36S8P。

(2)從徑向力波角度:48S8P 最好，其次為72S8P，最后是36S8P(含4 階的力波，不容忽視)。

(3)從負載反電勢角度:48S8P 諧波含量較大，波形畸變最嚴重。

(4)從溫升角度:72S8P(Y8)方案發熱因子小，且72S8P 兩種方案采用扁銅線繞組，導熱系數遠高于圓銅線繞組，電流相同的情況下溫升較低，效率較高，溫升相同時72S8P 的功率和扭矩密度要高于其他兩方案。

(5)從制作工藝角度:72S8P (Y8)因帶過橋線，制作較72S8P(Y9)困難。

在實際應用中，對應轉速要求不高的產品，可以優先選擇36 槽8 極。因為它的4 階力波的固有頻率較高，只有當電機高速運行時才有可能產生高頻電磁噪聲，當電機低速運行，噪聲將很小;同時因采用了短距繞組，還可以節省漆包線用量。對于高速電機，若產品對價格和初始生產投入資金較為敏感，推薦選用48 槽8 極。對產品性能和一致性要求苛刻的客戶，推薦選用72 槽8 極扁銅線繞組。

［1］ 唐任遠.現代永磁電機理論與設計［M］. 北京:機械工業出版社，2006.

［2］ 陳世坤.電機設計［M］.北京:機械工業出版社，2002.

［3］ 陳永校，諸自強，應善成. 電動機噪聲的分析和控制［M］. 杭州:浙江大學出版社，1987.