1 前言

    隨著現(xiàn)代社會環(huán)境問題的日益突出，低污染、高效率的純電動汽車已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車發(fā)展的趨勢。由于汽車運行的特殊環(huán)境，對電動汽車電機的設(shè)計要注意以下3個要求：（1）電機啟動力矩大，轉(zhuǎn)矩波動小，過載能力強，能夠在比較寬的速度范圍內(nèi)實現(xiàn)恒定功率的輸出；（2）電機的功率密度大，可以滿足電動汽車內(nèi)部狹窄空間的安裝要求；（3）電機抗高溫、顛簸能力強，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜惡劣的環(huán)境。內(nèi)置式調(diào)速永磁同步電機以其效率高、功率密度大、體積小、良好的弱磁擴速能力等優(yōu)點，成為了純電動汽車驅(qū)動電機的首選。本文根據(jù)汽車的實際運行工況，設(shè)計了一款用于驅(qū)動純電動汽車的內(nèi)置式調(diào)速永磁同步電機，其額定功率P_N=30kW，最大功率P_max=65kW，額定轉(zhuǎn)速n_N=3000rpm，最高轉(zhuǎn)速n_max=7000rpm，單臺電機運行，可驅(qū)動2000kg的小汽車。

2 內(nèi)置式永磁同步電機電磁設(shè)計

    電磁設(shè)計的任務(wù)包括根據(jù)電機的性能指標確定主要尺寸、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、估算并選擇永磁體的尺寸、選用的材料、設(shè)計定轉(zhuǎn)子沖片、選擇繞組連接方式、確定線圈匝數(shù)及熱平衡計算等，然后對初始方案進行計算，計算值不符合設(shè)計的技術(shù)指標則要返回相關(guān)步驟調(diào)整相關(guān)參數(shù)進行迭代，計算值符合技術(shù)指標則繼續(xù)往下計算，直到計算結(jié)果符合技術(shù)指標為止，相關(guān)流程如圖1所示。

圖1 電機設(shè)計流程圖

2.1確定電機主要尺寸

    電機的主要尺寸是電樞直徑D_il和電樞長度l_eff，其尺寸可以通過基本關(guān)系式來確定：

公式1 電機的主要尺寸確定

    上式中P'為計算功率，α為計算極弧系數(shù)，A為電負荷，B_δ為氣隙磁密基波幅值，n為轉(zhuǎn)速。為了提高汽車電機的啟動和加速能力，電機最大轉(zhuǎn)矩T_max要為額定轉(zhuǎn)矩T_N的2.5倍以上。永磁同步電機最大轉(zhuǎn)矩T_max與電磁負荷、電機主要尺寸有以下關(guān)系：

公式2 永磁同步電機最大轉(zhuǎn)矩T_max與電磁負荷、電機主要尺寸之間的關(guān)系

    永磁材料采用高性能的釹鐵硼，B_δ可達到0.85T，該電機采用強迫水冷系統(tǒng)，電負荷A可取35A/cm。同時考慮到電動汽車內(nèi)部的安裝空間，最終取D_il=115mm，l_eff=200mm。

2.2轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)選擇

    傳統(tǒng)的永磁同步電機采用表貼式，每一塊永磁體對于一個極。本文設(shè)計的永磁電機磁鋼按“V”型結(jié)構(gòu)放置，由兩塊永磁體組成一個極。此結(jié)構(gòu)能有效增加勵磁，具有比較大的凸極率，可有效提高電機的弱磁擴速能力。電機截面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電機結(jié)構(gòu)圖

2.3永磁體尺寸的設(shè)計

    適合調(diào)速永磁同步電機使用的永磁材料只有稀土永磁材料，即釤鈷永磁和釹鐵硼永磁。相對于釤鈷永磁來說，釹鐵硼永磁材料溫度系數(shù)高，居里溫度低，但是剩磁高，價格便宜，更適合民用。永磁體磁化方向長度h_M與氣隙δ大小有關(guān)。由于永磁體是永磁電機的磁動勢來源，因此h_M的選擇首先應(yīng)從電機的磁動勢平衡關(guān)系出發(fā)，先給定一個估計值，再根據(jù)電磁性能計算的結(jié)果再進行調(diào)整；此外h_M還決定了永磁電機的抗去磁能力，因此還要根據(jù)電樞反應(yīng)去磁情況來最終決定h_M的取值。為調(diào)整電動機的性能，還需要調(diào)整永磁體磁化寬度b_M，因為b_M直接決定了永磁體提供磁通的面積。對于內(nèi)置徑向轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)來說，永磁體尺寸估算公式為：

公式3 永磁體尺寸估算公式

公式4 永磁體磁化寬度計算公式

    其中δ₀為空載漏磁系數(shù)，K_t為電動機的飽和系數(shù)，其值為1.05~1.2。K_a與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有關(guān)，其取值范圍為0.7~1.2。根據(jù)估算結(jié)果初步給定值為b_M=70mm，h_M=5.6mm。

2.4轉(zhuǎn)子隔磁橋的設(shè)計

    內(nèi)置式永磁同步電機的永磁體插在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，漏磁比較大，永磁體的利用率比表貼式的低，必須采取相應(yīng)的隔磁措施。隔磁使轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，機械強度變差，沖模的使用壽命縮短，因此在保證隔磁效果的前提下，隔磁措施越簡單越好。

    本方案采用空氣和隔磁橋進行隔磁，如圖3所示。圖中隔磁橋很窄，通過較小的磁通就讓其達到飽和，從而限制漏磁，達到隔磁的效果。隔磁橋的寬度越小，隔磁效果越明顯，磁鋼的利用率越高，但機械強度越差，容易造成鐵心變形。通常隔磁橋?qū)挾热?.8~1.5mm，本文取1mm。

圖3 轉(zhuǎn)子隔磁橋

2.5轉(zhuǎn)子偏心距的確定

    對于內(nèi)置式永磁同步電機可采用不均勻氣隙的方法來降低齒槽轉(zhuǎn)矩，讓氣隙磁密盡量正弦化，同時還可以讓繞組反電勢盡可能接近正弦波，降低輸出轉(zhuǎn)矩波動，提高電機的性能。如圖4所示，轉(zhuǎn)子外表面與定子內(nèi)表面的圓弧不同圓心，兩者之間存在一個偏心距h，最大氣隙為δ_max，最小氣隙為δ_min。其中滿足R₂=R₁+h+δ_min。

圖4 永磁電機的偏心氣隙

    根據(jù)有限元的分析結(jié)果，不同的偏心距對于的齒槽轉(zhuǎn)矩值和空載氣隙磁密諧波畸變率如圖5、6所示。

圖5 齒槽轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子偏心距關(guān)系

圖6 氣隙磁密諧波畸變率與轉(zhuǎn)子偏心距關(guān)系

    由圖5、6可知轉(zhuǎn)子偏心距不是越大越好，在偏心距h=18mm時齒槽轉(zhuǎn)矩最小，h=16mm時諧波畸變率最小，氣隙磁密的正弦度最好。綜合考慮，本文取偏心距h=17mm。

2.6繞組的確定

   空載反電勢E₀是永磁同步電機一個非常重要的參數(shù)，由永磁體產(chǎn)生的空載氣隙基波磁通在電樞繞組中感應(yīng)生成。E₀的大小對永磁電機性能有很大的影響，合理設(shè)計的永磁電機，E₀與額定電壓的比值均在合理的范圍內(nèi)。當永磁電機的其它尺寸參數(shù)已經(jīng)確定下來時，通過空載反電勢來確定繞組的匝數(shù)、連接方式、線規(guī)等就成為永磁電機設(shè)計的關(guān)鍵。

    本項目中電動汽車所攜帶的驅(qū)動系統(tǒng)所能提供的最大交流電壓為230V。一般永磁同步電機額定點空載反電勢要求盡可能接近并略小于工作電壓，但電動汽車電機運行的速度范圍比較寬，因此E₀/U一般取較小值以滿足擴速要求。本文計算了在單層繞組、2路并聯(lián)時，不同匝數(shù)分別對應(yīng)的空載反電勢E₀、空載電流I₀、額定電流I_N、最高轉(zhuǎn)速n_max，分別如表1、2所示。

表1 Y接法時不同匝數(shù)對應(yīng)參數(shù)

表2 △接法時不同匝數(shù)對應(yīng)參數(shù)

    由表1、2可知，隨著匝數(shù)的增加，空載反電勢上升，空載電流和額定電流下降，最高轉(zhuǎn)速也隨之下降。綜合各項指標，本方案的繞組采用△接法、10匝的方案。本方案具體尺寸參數(shù)如表3所示。

表3 電動機的具體尺寸參數(shù)

3 永磁電機電磁方案仿真

3.1空載漏磁系數(shù)的計算

    由于本方案采用磁鐵內(nèi)置的方式，漏磁比永磁體表貼時要大，因此空載漏磁系數(shù)是衡量永磁電機設(shè)計合理與否的一個重要參數(shù)。利用有限元軟件對電動汽車電機進行漏磁仿真計算，結(jié)果如圖7所示。

圖7 永磁電機空載漏磁示意圖

    從圖7可以看到轉(zhuǎn)子中有一部分磁力線沒有穿過氣隙與定子繞組交鏈產(chǎn)生力矩，而是從磁鐵N極出來后穿過隔磁橋及加強筋回到S極。通過計算可以求出空載漏磁系數(shù)σ₀=1.26。

3.2空載反電勢

    永磁電機空載反電勢波形的正弦程度對電機有非常重要的作用，一般來說反電勢的正弦度越好，輸出的轉(zhuǎn)矩脈動越小，電機就越平穩(wěn)。

圖8 空載反電勢波形

圖9 空載反電勢傅立葉分解

    本方案在額定點的反電勢及其傅立葉分解圖如圖8、9所示。由圖可得反電勢的波形比較接近正弦波，諧波畸變率為11.8%。

3.3輸出轉(zhuǎn)矩

    輸出轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)程度是電動汽車電機的一個重要指標，直接關(guān)系到電動汽車的振動狀況及乘車的舒適性。本方案通過一系列的優(yōu)化方式，使電機的輸出轉(zhuǎn)矩脈動非常小，基本上接近直線，如圖10所示，能夠滿足電動汽車的設(shè)計要求。

圖10 永磁電機在額定點的輸出轉(zhuǎn)矩

4 試制樣機及相關(guān)實驗

    根據(jù)設(shè)計參數(shù)，制作了樣機并進行裝車實驗，如圖11、12所示。

圖11 電機樣機

圖12 電動汽車樣機

    以測功機為負載，在矢量控制方式下對樣機進行轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性測試，結(jié)果如圖13所示。可見，樣機的低速轉(zhuǎn)矩大，恒功率運行范圍廣，從而使整車具有強加速能力及低速爬坡能力，又具有比較高的行駛速度。

圖13 電機轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性圖

5 結(jié)語

    本文設(shè)計一款驅(qū)動電動汽車的P_N=30kW、n_N=3000rpm調(diào)速永磁同步電動機，根據(jù)設(shè)計指標計算出電機的主要尺寸，對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、永磁體尺寸、隔磁措施進行了分析，并根據(jù)電機在額定工況的反電勢及超速性能確定電樞繞組的連接方式和匝數(shù)。對電機的空載漏磁系數(shù)、反電勢的諧波畸變率、輸出轉(zhuǎn)矩等參數(shù)進行了仿真，最后制作了樣機并進行了裝車實驗。根據(jù)測試結(jié)果該電機符合電動汽車的設(shè)計要求，為下一步的優(yōu)化工作打下基礎(chǔ)。

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本文標題：電動汽車用調(diào)速永磁同步電機分析與設(shè)計

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