電動汽車用永磁同步電機優化設計

陸海斌，錢 勝，柴召亮

（1.長安輕型車研發中心，河北 定州 073000；2.北汽銀翔汽車有限公司，重慶 401520）

永磁同步電機 （Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）作為電動汽車驅動系統首選，因轉矩響應快、體積小、效率高、噪聲小等優點，迅速占領了新能源汽車市場，且市場占有率逐漸上升。電動汽車的快速發展和強烈的需求刺激，迫使驅動電機向高速化、輕量化、高效化等方向快速推進。通過優化電機功率密度，不僅滿足電動汽車對驅動系統高速化、輕量化、高效化需求，而且對PMSM產品競爭有重要的戰略意義［1］。

目前實現車用永磁電機的高功率密度有兩種方法：①提高電機轉速；②提高轉矩密度，但提高轉速帶來風摩損耗過高、軸承潤滑及壽命、噪聲等問題，因此通過提高轉矩密度來提高功率密度成為很多廠家研究的重點［2］。

1 有限元電磁仿真

1.1 模型搭建

以一臺72槽12極永磁同步電機為例，使用motor-CAD建立其模型，通過E-mag模塊進行電磁熱耦合分析。電機參數見表1。

表1 仿真模型的參數

為了節省仿真時間，取電機一極為仿真模型并劃分網格，如圖1所示。

圖1 永磁同步電機模型

1.2 邊界定義

文獻［3］描述了永磁同步電機因鐵磁物質磁導率遠遠大于空氣磁導率，電機定子軛邊緣雖有部分漏磁，但這部分衰減很快，且電機磁力線沿定子軛表面閉合，可取定子軛邊緣為零邊界，這在工程上近似合理。電機結構對稱，磁場沿周向周期變化。具有周期性條件，在相鄰兩極中心線上，磁力線垂直穿過，極間幾何中心線法線方向變化率為零，故選取一個極距進行仿真。

1.3 空載仿真

永磁同步電機空載仿真如圖2所示，從磁密云圖和空載反電勢波形看出，電機所含諧波較少。

圖2 永磁同步電機空載仿真

1.4 負載仿真

從圖3可以看出，電機各項參數選擇較合理，為了深究其材料的利用率和單位質量的出力，在不改變電機有效體積的條件下進行參數優化。

2 優化設計［4］

2.1 優化設置

通過軟件E-mag模塊設置Optimisation自定義選項，提出了以下提高轉矩密度的優化方法［5-6］，設定子外徑D1，定子內徑Di1，定子軛部長度為LDyoke，轉矩密度為ST，根據經驗總結，定義如下參數優化范圍：

自定義選項設置如下：

Name：

ratio and geometry validity

圖3 永磁同步電機負載仿真

Exp：

（0.5＜（stator_bore／stator_lam_dia））and（（stator_bore／stator_lam_dia）＜0.8）

And

（（（stator_lam_dia-stator_bore）／2）-slot_depth）≥3

以原模型轉矩密度為基準，取其倒數

自定義選項設置如下：

Name：

volume per torque

Exp：

1／torquepervolume

Optimisation選項中同時選擇（1）和（3）的自定義設置。

其中原始方案的轉矩密度值從圖3可看出 （torque per rotor volume）為72.977 kNm／m2。優化仿真后得到的收斂結果如表2所示。

表2 優化的收斂結果

2.2 幾何參數及模型分析

對比原始方案轉矩密度值可以看出，優化方案計算結果更高，效果更好。取最優結果方案與原始方案的對比參數見表3。

表3 模型幾何參數差異對比

從圖4和表3可以看出，電機定子外徑略增大，定子內徑稍有減小，氣隙稍有增加。

圖4 模型對比圖

2.3 額定工況性能參數分析

由表4可知，轉矩密度增大，電機效率變化不大，但仍然可達95%以上。最大扭矩稍增加。另外，轉動慣量減小，對電機轉矩響應更好。

不僅轉動慣量性能有所增加，電機質量也有所減小，如表6所示銅線繞組用量提升18.3%，鐵芯質量提升6%。而其他部件，如永磁體、轉子鐵芯用量都有所減少，電機總質量減小了3.8%。

表4 額定工況性能對比

2.4 材料及成本分析

根據2016年2月硅鋼片、永磁體等材料報價，可估算出電機成本變化情況，詳見表5。

從表6可以看出，通過優化設計，電機成本降低了1.54美元，其轉動慣量減小、轉矩密度增大，電機總質量減小，效率略小，綜合對比可知，該優化方案比較優良。

表5 零部件材料對比

表6 優化后材料節省的成本

3 樣機測試

3.1 系統設備概述

試驗臺總成如圖5所示，主要包括測功用負載電機、被試電機、過渡支撐及連接裝置、鑄鐵平板及各種工裝夾具；保障系統主要包括恒溫設備等；電控柜主要包括變頻逆變系統、電池模擬器；測試柜主要包括測功機控制系統、數據采集系統；測試儀器主要包括采集傳感器、電機測試用各種儀表、功率分析儀、示波器、信號發生器等。

3.2 測試數據分析

對優化后的方案進行樣機制作，并進行了臺架測試。對溫升數據后處理并與仿真曲線對比如圖6所示。

從額定工況和峰值工況溫升曲線看，仿真曲線與實測曲線比較接近。測試了電動和發電模式的轉速-轉矩效率MAP，如圖7所示。

從圖7看出，電機系統效率≥94%，得出了優化方案的可行性。

圖5 電機系統臺架測試構成

4 結論

本文利用有限元方法對車用永磁同步電機進行了空載和負載性能仿真，利用Motor-CAD軟件E-mag模塊自定義優化選項進行設置并仿真，有限元計算得出的結果與原電機方案進行了對比，對比結果來看，電機本體質量有所減少，轉動慣量減小，成本降低，轉矩密度有所增加，對方案優化后的樣機進行了臺架測試，試驗結果為優化方法提供了參考。

圖7 電機系統效率測試數據