EPS電機性能要求與技術現狀分析

金良寬

(1.貴州航天林泉電機有限公司，貴州 貴陽 550081；2.國家精密微特電機工程技術研究中心，貴州 貴陽 550081)

0 引言

隨著經濟社會的快速發展，傳統燃油車的大量使用，由此帶來了石油資源的不斷消耗和環境污染日益嚴重等問題，節能減排已成為了汽車行業的重要課題。作為汽車的重要組成部分，汽車轉向系統是決定汽車行駛安全的核心總成，如何使汽車兼備良好的操縱性能、更高的可靠性及經濟性，始終是該領域的重要研究課題[1]。

電動助力轉向系統(以下簡稱“EPS”)主要在傳統的轉向系統上增加了傳感器、控制器、電機等部件，通過電機驅動傳統的機械轉向系統來實現輔助助力的作用，進而提高駕駛舒適性。汽車在不同路口下轉向時，它通過控制器接收和發送指令，使電機起動輸出所需的轉矩和轉速，達到操控穩定、轉向靈活輕便、安全行使的效果，使駕駛員操控方向盤有良好的舒適感。該系統具有結構精巧、緊湊、節能、環保等特點，其性能在汽車產業朝著電動化、智能化、網聯化發展的今天變得尤其重要[2]。而EPS電機作為其動力源，電機的各方面性能的好壞決定了EPS性能。目前EPS電機的技術和生產工藝等均被國外供應商壟斷，國內EPS電機的設計開發正處于起步階段，電機性能與國外供應商還存在一定差距，因此，相關企業、高校和科研院所非常有必要針對EPS電機的性能提升開展專項研究。

1 EPS電機概念

電機是EPS驅動部分的心臟，相比其他類型電機，EPS采用的電機需要滿足以下幾方面要求[3]：

(1)由于EPS的驅動部分由電機和蝸輪蝸桿的減速機構組成，要求驅動部分功率大，但整車蓄電池提供的電壓為12 V直流電，因此電機在低電壓下工作時，需要輸出較大額定功率，相應的額定電流也非常大，這對電機和控制器的設計提出了更高要求；

(2)基于EPS的響應要求，要求電機轉子轉動慣量小以及電機具有寬廣的調速范圍、容易控制、運行平穩、低轉矩波動等特點；

(3)基于EPS的動態性能要求，蝸輪蝸桿的減速比不能太大，進而需要減小機械部分尤其是電機轉子部分的慣量，同時電機轉速不宜太大，目前常用的EPS電機轉速在1000 r/min左右；

(4)基于EPS安裝在整車上的空間要求，同時為了減小電機轉子部分的慣性力矩，提高電機動態響應性能，在保證輸出性能的前提下，電機體積應盡可能小。

2 EPS電機類型

驅動電機作為EPS的動力源，對整個系統的操作性、可靠性及穩定性起到了至關重要的作用。該類型電機存在功率密度高、轉矩大及轉矩波動小、摩擦轉矩小、齒槽轉矩小、噪音低等特點。

目前，各類型電機都已經在電動助力轉向系統中獲得應用。隨著永磁材料技術逐漸成熟，矢量控制、直接轉矩控制等控制策略的應用，為永磁同步電機應用于EPS創造了條件。表1為各種EPS電機的主要性能對比。

基于可靠性要求，目前在EPS 中常用的電機為永磁同步電機，該電機具有結構簡單、體積小、運行可靠、質量小、損耗低、效率高等優點，該類型電機在EPS領域的應用成功推動EPS的快速發展，符合中國EPS 行業的發展需求，成為EPS用電機的極佳選擇[4]。

3 EPS電機性能要求與技術現狀

(1)低齒槽轉矩

齒槽轉矩在GB/T 2900.25—2008《電工術語旋轉電機》里有明確的定義，電機不通電下由于其轉子和定子有自行調整至磁阻最小位置的趨勢而產生的周期性轉矩，即齒槽轉矩(cogging torque)。

齒槽轉矩是帶永磁體的同步電機中一個不可避免的問題，它對電機的運行特性和控制精度有著重要影響，尤其在EPS電機領域，齒槽轉矩的大小將直接影響駕駛員操作方向盤時的平順性。

通常定子鐵心為了纏繞漆包線，必須設計齒和槽的結構，齒和槽的存在會引起氣隙磁場不均勻，一個齒距的磁通相對集中在齒部，轉子的永磁體磁場和定子的齒槽相互作用，其切向分量的力引起的轉矩即為齒槽轉矩。EPS電機齒槽轉矩要求非常高，過高會引起電機的機械振動和噪音過大問題，同時慢打方向盤時會存在抖動，影響整車舒適性，通常EPS電機的齒槽轉矩要求小于20 mNm，越小越好，具體需要根據產品結構、加工工藝、成本控制等綜合考慮。

在降低EPS電機齒槽轉矩方面，通常有以下幾種方案：

(a)分塊式鐵心的定子齒塊增加輔助槽

定子齒塊增加輔助槽結構如圖1所示，輔助槽的寬度L結合槽口寬度確定，深度H需要計算確定。

(b)分塊式定子鐵心內圓采用偏心圓

定子鐵心采用偏心圓結構如圖2所示。定子鐵心外圓弧R1的圓心O1與內圓弧R2圓心O2相距L。

(c)表貼式內轉子磁鋼偏心修形

表貼式內轉子磁鋼偏心修形如圖3所示，O1為轉子圓心，O2為磁鋼外圓弧圓心，偏心距E需要結合電機電磁性能和齒槽轉矩要求確定。

(d)轉子分段式斜極

轉子分段斜極是降低齒槽轉矩的最有效方法，設計時需要根據轉子結構和極槽配合確定分段數和斜極角度，轉子分段斜極結構如圖4所示。

分段斜極的角度α按式(1)計算：

(1)

式中，p為電機轉子極對數，LCM(Z，2p)為槽數和極數的最小公倍數，Z為定子槽數，n為轉子分段數。

另外通過優化定子鐵心槽口尺寸、磁鋼極弧系數等也可以在一定程度上降低齒槽轉矩，實際設計過程中所采用的方案通常需要結合產品平臺化設計、加工工藝、制造成本等綜合考慮采用一種或幾種方案的組合來降低齒槽轉矩。

(2)低轉矩波動

由于永磁同步電機中存在特有的磁鋼和定子鐵心結構，定子鐵心齒部和磁鋼會相互作用產生相應轉矩，同時由于負載電流及空載反電勢波形的變化不規律，導致電機運行過程中產生相應的諧波轉矩，二者疊加使得電機轉動過程中存在明顯的轉矩波動。

轉矩波動過大，將引起電機振動嚴重，噪音偏大，嚴重影響EPS性能和整車舒適性，因此EPS電機的該項性能指標要求非常高，通常要求小于2%。

本文主要分析電機電磁方面所帶來的轉矩波動，控制器產生的轉矩波動暫不作分析。

電機電磁結構方面，導致轉矩波動的主要因素有以下幾方面：

磁鋼與定子齒槽效應及磁鋼結構形式等因素引起的齒槽轉矩；

反電勢波形不滿足正弦規律等引起的諧波轉矩；

轉子鐵心和定子鐵心磁路飽和系數的選取；

控制器設計參數與電機參數的合理匹配。

電機輸出轉矩波形如圖5所示，轉矩波動計算公式如式(2)所示。

(2)

式中，Tpk為轉矩最大值，Tlow為轉矩最小值，Tavg為轉矩平均值。

電機結構主要從以下三方面開展優化設計降低轉矩峰峰值差，進而降低EPS電機的轉矩波動。一方面除了前面所述的降低電機的齒槽轉矩外；另一方面通過磁鋼和定子鐵心優化設計，削弱氣隙磁場的高次諧波含量，可以有效降低EPS電機的轉矩波動；最后是通過設置控制器中電機相關的參數。

(3)低振動、低噪音

根據在整車上的安裝位置，通常有C-EPS、D-EPS等結構的EPS結構，C-EPS的電驅動總成安裝在駕駛艙內部，電機工作時產生的噪音極易被駕駛員及乘客感知，因此該類型EPS電機對噪音要求非常高，通常不高于45 dBA；D-EPS安裝在底盤下，對振動要求非常高，系統的結構設計和安裝固定均需考慮振動要求。

EPS電機的振動和噪音主要來源于電機轉子的運轉不平穩所致，而電機轉子運轉的平順性主要與軸承的支撐剛度、定轉子同心度等有關，因此在結構設計與分析過程中需要考慮結構剛度和電磁氣隙的均勻性，在條件允許下盡可能提高剛度和提高電磁氣隙圓周方向的一致性，進而降低軸承孔變形量和氣隙不均勻引起的偏心磁拉力引起的振動和噪音。

(4)低發熱量

整車行駛路況復雜多變，EPS電機時刻保持在工作狀態，尤其在山區和不平整路面，電機輸出功率大，相對發熱量大，因此此時要求電機發熱量不能過大，否則內部溫度超過絕緣材料許用溫度時將損壞電機，進而導致EPS失效，轉向困難，極端情況下會引起交通事故。

針對EPS電機，在降低電機自身發熱量方面，通常有：一方面是合理選擇電機極對數，極對數過高，電機工作頻率較高，導致電機高頻損耗增大，進而增大發熱量。目前已批量應用的大部分采用6極或8極方案，目前8極是市場上產品主流應用方案；另外就是合理設計電機電流密度，降低電機銅耗，通常電機的電流密度設計范圍為3～7 A/mm2，具體需要結合電機結構綜合考慮電機的銅耗、轉子渦流損耗、摩擦損耗等，合理設計電機定子和轉子參數。

4 總結

綜上所述，EPS電機較普通電機性能要求更高，在設計開發過程中，需要綜合考慮性能、工藝實現性、制造成本等，綜合選擇滿足電機性能的設計方案，進而達到EPS對電機低齒槽轉矩、低轉矩波動、低振動、低噪音、低成本的嚴苛要求。