新能源车用电机设计与研究

0引言

随着节能减排的推广,新能源电动汽车日益普及。主驱动系统为电动汽车的核心部件,给车辆提供动力,具有极其重要的研究意义。

城市用轻型低速电动汽车具有典型的低速大扭矩、高速小扭矩系统,该系统采用电机匹配变速箱方式驱动,且配有变频器,具有很宽的调速范围。常见的电机类型有交流感应电机、直流电机、永磁电机、开关磁阻电机。随着人们生活水平的提高,对电动汽车的性能要求也越来越高,永磁同步电机具有结构紧凑、高效节能、低噪声、高可靠性等优点,因而在汽车行业的应用越来越广泛。永磁电机在功率密度、效 率方面性能优越,可靠性及可控性较好,但开发成本相对较高,对制造工艺的要求也较高。综合各方面分析,在新能源汽车领域,永磁电机无论是性能还是在节能环保方面都具有较强的竞争力,是当前电动汽车行业应用最广泛也最有前景的电机类型^[1]。

1 主驱系统

新能源车用主驱系统由电机驱动系统、电池系统和辅助系统构成。其中电机驱动系统包括控制器、电机、变速器和车轮,是整个系统的核心。电池系统包括电池管理、充电机和电池组。辅助系统包括辅电、转向系统和智能仪表。电机控制器接收系统加速器和刹车信号,控制电机按照要求运行,通过变速器和车轮传递动力,驱动整车按照要求行驶。系统通过CAN总线查询控制器、电机和电池的状态,做出相应指令并在智能仪表上显示相关结果。电动车主驱系统架构如图1所示。

目前,电动汽车电机驱动系统通常采用两种控制方法:磁场定向矢量控制和直接转矩控制。其中,磁场定向矢量控制具有类似直流电机的转矩控制特性,得到了广泛应用。

2 主驱电机设计

车用主驱电机设计通常根据应用场合,从电源电压、控制方式、安装空间、防护等级等方面按照要求展开,按电源电压、额定功率、转速、扭矩等,选择合适的电机类型,确定技术路线。永磁同步电机按照转子磁体的安装形式区分,通常有内置式和表贴式。内置式为永磁体安装在转子铁芯内部,如图2所示 ,其英文为Interior Permanent Magnet Synchronous Motor,简称为IPMSM或IPM。表贴式为永磁体安装在转子铁芯表面,如图3所示,其英文为Surface Permanent Magnet Synchronous Motor,简称为SPMSM或SPM。

新能源车用主驱电机通常采用内置式结构。根据内置式永磁同步电机的转矩公式可知,其电磁转矩(Te)由磁阻转矩和永磁转矩组成。公式中前一部分为永磁转矩,后一部分为磁阻转矩。

式中:P为电机的极对数;λpm为永磁体产生的磁链;Ld 和Lq分别为直轴(d轴)和交轴(q轴)电感;Id和Iq分别为直轴和交轴电流。

内置式电机凸极比大,交直轴电感差值大,能有效利用磁阻转矩,提升电机输出转矩,进而提升电机转矩密度,达到高效节能的优良效果;其过载能力比表贴式更强;同时,由于IPM电机磁阻效应的存在,电机的弱磁调速范围更宽。表贴式永磁同步电机交直轴电感几乎相等,没有磁阻转矩。在电机高速运行时,表贴式永磁同步电机的磁钢有脱落风险。而内置式由于磁钢在转子铁芯内部,能有效固定,其可靠性更高。

3 IPMSM性能分析

根据电机技术指标要求,电源电压DC144 V,额定功率8 kw,额定转矩19 N.m,额定转速4 000 r/min,相数3相,设计了一款IPM电机。该主驱电机为交流永磁同步电机,控制方案采用磁场定向控制技术。

3.1 电机模型尺寸

电机的极对数由电机的额定转速及相应的基波电频率共同决定,其中,电机的额定转速由用户根据不同应用场合提出要求。在变频器频率允许的情况下,电机采用较多的极对数可以使得电机绕组的端部长度缩短,进而减小电机的定子电阻,降低电机铜耗^[2]。

研究表明,磁阻转矩是内置式电机的固有特性,利用这一特性,通过提高凸极比增加转矩输出。同时,提高弱磁能力成为电动汽车驱动与发电领域的研究热点^[3]。因此,本文采用内置V字型设计。在新能源车行业,电机48槽8极、24槽4极都是常见的槽极配合,该类整数槽电机NVH性能更优,更适应对振动噪声环境要求高的场景。相较而言,24S4P电机更适合预算有限、成本更低的场合,其体积和重量更小,设计更紧凑,效率也更高,适用于安装空间有限的环境。根据项目需求,本方案采用4极24槽电机,电机模型如图4所示,该IPM的主要设计参数如表1所示。

电机绕线方式如图5所示,采用双层整距绕组,跨距为5。

3.2 性能分析

经仿真计算,电机额定工况8kw,转速为4000r/min时,额定电流为40 A,输出转矩约为19 N.m。转矩曲线如图6所示,电流曲线如图7所示,电机输出转矩、额定功率等性能均符合要求。

额定工况下,电机的场图及磁力线布局如图8所示,磁密和磁力线走向均符合设计要求。

内置式永磁同步电机(IPMSM)比表贴式结构具有更高的功率密度,且对永磁体保护效果更好,但IPMSM的转矩脉动较大,会引起振动且噪声严重,影响了电机性能^[4]。经仿真分析,本方案电机性能能满足运行工况。若需进一步提升性能,需考虑磁桥等特殊结构,进行新的方案优化。同时,可进一步研究并优化电机电磁振动与噪声特性。电磁场、结构场以及声场等多个物理场之间耦合作用,使得乘用车内置式永磁同步电机产生电磁振动和电磁噪声^[5],需从激励振力出发,确定电磁力波的空间和时间阶次。

4结束语

本文基于新能源车用主驱电机的基本需求,设计了一款内置式V字型永磁同步电机;介绍了车用电机的设计方法及内置式永磁同步电机的特点;建立了IPM电机模型,经分析,其性能、功率、效率、扭矩等满足设计需求,为下一步电机性能优化、样机制造奠定了基础。若需进一步优化电机转矩脉动,改善NVH 等,可以在此基础上进行优化设计。可采用定、转子冲片参数化修形,定子斜槽或转子斜极等方案,削弱气隙谐波及畸变率,以进一步优化并提升电机性能。

[参考文献]

[1]甘源.电动汽车永磁同步电机的有限元分析及优化设计[D].锦州:辽宁工业大学,2020.

[2] 郭丽艳.内置式永磁同步电机的建模、分析与设计[D].天津:天津大学,2017.

[3]王晶,耿伟伟,刘东旭,等.电动汽车用新型模块化聚磁转子永磁电机设计及其对比分析[J].中国电机工程学报,2024,44(3):1184-1195.

[4] 隋嘉庆,冯桂宏,张炳义.基于不等磁极组合的外转子内置式永磁同步电机转矩脉动抑制研究[J].电机与控制应用,2022,49(3):61-67.

[5]杜晋文.乘用车用内置式永磁同步电机电磁振动与噪声特性的研究[D].北京:北京交通大学,2020.

《机电信息》2025年第12期第5篇