基于輔助槽的永磁同步電機轉矩脈動優化設計

蔡浩波， 方 亮， 鐘 偉， 王 振， 鄭 濤， 方少權

（1.寧波上中下自動變速器有限公司， 浙江寧波 315800；2.寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司， 浙江寧波 315800）

1 引言

電動汽車的快速發展， 帶動了驅動電機行業技術不斷革新， 純電動汽車市場占比不斷增加。 除了傳統汽車廠商在大力投入混動和純電車型的研發外， 相繼有多家科技企業宣布造車， 電動汽車市場競爭日益激烈， 優勝劣汰， 每年有大批造車新勢力進入純電汽車行業， 同時每年也有多家造車新勢力退出純電市場。 在如此激烈的競爭環境中，要脫穎而出， 不光拼開發周期， 更要拼技術先進性、 用戶體感， 只有用戶認可的產品， 才能贏得市場。

NVH是純電汽車的重要指標之一， 也是用戶能直接感知的一項， 對純電汽車而言， 驅動電機的NVH直接影響了整車的NVH， 電機本身的振動和噪音會讓人產生不舒適感；電機通過電機軸傳遞出的振動， 使得齒輪、 差速器等發生響應頻率的振動和噪聲； 所以永磁同步電機設計必須重點關注影響NVH相關的指標， 轉矩脈動是影響電機NVH的重要指標之一。

轉矩脈動的成分主要包括電機齒槽轉矩、 電機本體產生的紋波轉矩、 控制器軟硬件引起的脈動、 偏心、 對中等機械原因引起的脈動。

基于上述轉矩脈動成分及影響因素， 形成了如下6大類方法： 增加周期數、 避開敏感諧波、 抑制關鍵諧波、 減少能量梯度、 轉矩分化后抵消、 引入外部抵償量。 依據上述6大類方法， 電機本體設計中最常用的手段有： 分布式繞組、轉子磁極結構、 定子斜槽、 轉子斜極、 輔助槽、 氣隙偏心控制等。

目前汽車開發周期大幅縮短， 電機的開發周期非常緊張， 故不能用傳統的開發理念來進行產品開發， 在產品設計階段就要把相關因素控制好， 本文基于某款驅動電機進行轉矩脈動優化設計。

2 轉矩脈動優化驅動電機基本信息介紹

此電機作為純電車型主驅電機， 需要優異的NVH性能，以給用戶提供良好的乘坐舒適感。 該電機原始方案電磁性能各方面平衡， 表現優異， 但唯獨轉矩脈動大于設計目標值， 被列為NVH風險項。 作為攻關專項進行優化設計， 由于項目原因， 本次優化受到很多邊界條件的限制， 定子參數及繞組參數不能變更， 轉子磁鋼尺寸不能變更， 攻關小組經過大量分析， 把主攻方向鎖定在了轉子輔助槽優化設計上。

根據設計指標要求 （輸出扭矩≤100Nm 時， 轉矩脈動≤3Nm； 輸出扭矩＞100Nm時， 轉矩脈動百分比≤3%），攻關小組對電機輔助槽進行參數化掃描優化。 經過多輪分析優化， 最終確定了優化方案， 優化方案前后對比詳見圖1～圖4， 從圖中對比可以看出， 優化方案從結構上看， 僅改變了轉子表面輔助槽的形狀， 在原方案的基礎上增加了一組半徑為3.2mm的輔助槽， 使電機峰值轉矩脈動百分比由4.49%降至2.88%， 從而滿足設計目標要求， 降低了NVH超標的風險。

圖1 優化前轉子

圖2 優化前轉子局部放大視圖

圖3 優化后轉子

圖4 優化后轉子局部放大視圖

3 優化前后數據對比

3.1 優化前后轉矩脈動數據對比

圖5是優化前后轉矩波形對比， 結合表1可以看出， 優化后電機輸出扭矩降低了0.76%， 轉矩脈動峰峰值減少了36.44%， 轉矩脈動從4.49%降至2.88%， 滿足了設計目標≤3%的要求。 同時24 階和48 階也改善明顯， 降幅分別為21.49%和45.60%。

表1 優化前后轉矩脈動數據對比

圖5 優化前后轉矩波形對比

3.2 優化前后線反電勢數據對比

圖6是優化前后線反電勢波形對比， 表2對優化前后的線反電勢數據進行了對比， 優化后的線反電勢最大值及有效值均降低， 5次諧波也大幅降低， 但7次、 11次、 13次、19次諧波幅值均增大。

表2 優化前后線反電勢數據對比

圖6 優化前后線反電勢波形對比

3.3 優化前后齒槽轉矩數據對比

圖7是優化前后齒槽轉矩波形對比， 優化的齒槽轉矩變大， 由502.0329mNm增大至752.456mNm。

4 小結

本文基于轉矩脈動影響因素， 電機設計轉矩脈動優化方向， 在當前優化邊界條件限制的情況下， 重點優化轉子輔助槽結構， 使峰值扭矩轉矩脈動滿足≤3%的設計目標要求， 有效降低了NVH不達標的風險。

圖7 優化前后齒槽轉矩波形對比

電機設計是平衡各項指標， 以滿足設計目標的過程，就像本文的優化設計實例所提供的數據， 整體的轉矩脈動數據滿足設計指標， 但是線反電勢諧波含量、 齒槽轉矩均出現不同幅度的增加， 優化設計需要根據設計目標進行取舍以平衡電機的各項指標， 設計出各項性能優異的電機。