電動車用永磁同步驅動電機的設計與分析

才立忠+張輝+饒界+汪坤+周安健

摘 要：為了得到一款驅動效率和電磁噪聲都表現較優的電機，本文采用最大轉矩電流比的控制方式以及減小銅耗的繞組方案等措施以提高效率，采用轉子四段斜極的結構以降低電磁噪聲。對樣機進行了電磁仿真及實驗測試，仿真結果和實驗測試都表明該樣機具有較好的噪聲表現和較高的驅動效率，驗證了該設計方案的合理性。

關鍵詞：永磁同步電機；電機噪聲；分段斜極；驅動效率

中圖分類號：TM351 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）05-0025-05

Design and Analysis of Permanent Magnet Synchronous Driving Motor Used in Electric Vehicles

CAI Li-zhong， ZHANG Hui， RAO Jie， WANG Kun， ZHOU An-jian

（ Chongqing Changan Automobile Co.，Ltd.， Chongqing401120， China ）

Abstract： In order to get a drive motor which has a higher driving efficiency and a better electromagnetic noise performance， the MTPA （maximum torque per ampere） control mode and the winding scheme which can reduce the power loss of copper wires were used to improve the driving efficiency， besides the rotor structure with four segments of oblique magnet poles was used to reduce the electromagnetic noise. And some electromagnetic simulations and experimental tests were done on the motor， and the results of the electromagnetic simulations and experimental tests showed that the motor prototype has a better electromagnetic noise performance and a higher driving efficiency， which verified the rationality of design scheme.

Key Words： permanent magnet synchronous motor； motor noise； segmented oblique pole；driving efficiency

引 言

電動汽車用驅動電機主要有直流電機、交流感應電機、開關磁阻電機和永磁同步電機等，其中永磁同步電機因為具有功率密度高、系統效率高、調速范圍寬和控制系統簡單等優點而被廣泛接受。目前市場主流產品中，應用永磁同步電機的車型有通用 Volt、日產 Leaf、豐田 Prius和上汽 E50、比亞迪“秦”、長安逸動EV等。在電動汽車領域，NVH特性[1，2]和續駛里程是非常重要的兩個性能參數。純電動汽車是電動汽車的一種，目前在國內市場上最多，由于純電動汽車采用電機取代發動機驅動，少了發動機的噪聲，使車內更加安靜，也正因此凸顯了傳統車中以往并不明顯的噪音。電機作為整車的驅動源，也是整車振動和噪音的主要來源。電磁噪聲是永磁同步電機噪聲的主要來源之一[3]，由于蠕行狀態下的車速較低，路噪和風噪較低，因此蠕行工況下的高階電磁噪音比較受客戶和整車廠的關注。電動汽車的布置空間限制了電池的容量，因此電機的驅動效率對續駛里程至關重要，電機的功率損耗主要來源于鐵芯損耗、繞組損耗和實體損耗等，降低這些損耗有助于提高電機的驅動效率，增加續駛里程。

目前市場上的電動汽車中，純電動汽車大多采用經典的48槽8極永磁同步電動機，例如逸動EV、日產Leaf、比亞迪“秦”等驅動電機[4]。因分數槽繞組電機勢磁分布曲線中包含的諧波比整數槽繞組多，不僅有奇次諧波，還有偶次諧波和低次諧波，會產生單邊磁拉力，附加轉矩和雜散損耗，使電機運行時產生較大的振動和噪音，運行效率下降，因此對于小型驅動電機來說，應盡量采用整數槽繞組的電機，對于整數槽繞組電機，噪聲階次與轉子極數相同，對于分數槽繞組的電機，噪聲階次小于轉子極數。

為了得到一款適合純電動汽車的高效率、低噪音的永磁同步電機，本文設計了一種永磁同步電機結構，采用48槽8極的整數槽繞組的極槽配合，以降低振動和噪音，提高效率；合理設置繞組形式，定、轉子采用沖片疊加，減少繞組損耗和鐵芯損耗。利用Maxwell電磁仿真軟件仿真得到電機的各項性能參數，并制作樣機進行實驗，得到了較好的實驗結果。

1 永磁同步驅動電機的設計

1.1 驅動電機的基本參數

本文采用A級純電動轎車驅動電機作為設計和分析對象。分解整車動力系統需求得到電機的性能要求如表1所示：

轉矩是電機的一個重要性能參數，表征整車的動力特性，轉矩也對電機的整體尺寸有一定的約束限制，峰值轉矩與定子鐵芯的長度、內徑和氣隙磁密、電負荷等參數之間的關系[5]如下

其中，Tem max —最大電磁轉矩（Nm），Bδ1 —氣隙磁密基波幅值（T），Lef —定子疊長（cm）， Di12 —定子內徑（cm），A—定子電負荷有效值（A/cm）。endprint