FSE赛车永磁同步电机的设计仿真与验证

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(广东工业大学机电工程学院，广东 广州 510006)

Design Simulation and Verification of Permanent Magnet Synchronous Motor of FSE Racing

FENG Yong，ANG Lin，WU Faliang，CHEN Nannan

(School of Electromechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China)

FSE赛车永磁同步电机的设计仿真与验证

冯勇，阳林，吴发亮，陈楠楠

(广东工业大学机电工程学院，广东 广州 510006)

Design Simulation and Verification of Permanent Magnet Synchronous Motor of FSE Racing

FENG Yong，ANG Lin，WU Faliang，CHEN Nannan

(School of Electromechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China)

摘要：驱动电机是FSE赛车的机械动力源，对赛车的参赛成绩有重大影响。以FSE赛车为对象，设计了FSE赛车永磁同步电机，在Ansoft Maxwell电磁场分析软件中创建电机模型，对电机的空载特性、额定负载特性进行计算，验证电机运行的重要参数。将样机装配FSE赛车，按照大赛项目对赛车性能进行实测，赛车实测数据表明：赛车动力性能优异，电机设计成功，满足赛车正式比赛争先的要求。

关键词：FSE赛车；永磁同步电机；Ansoft Maxwell；电磁场仿真

中图分类号：U461.2;TP391.9

文献标识码：A

文章编号：1001-2257(2015)03-0069-05

收稿日期：2014-06-17

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目(201211845008)

Abstract:Drive motor is a mechanical power source FSE car，and has a significant impact on the racing competition results. Based on research object FSE electric car，the permanent magnet synchronous motor of FSE racing car is designed. Then，in order to verify the operating parameters of the motor，a motor model in Ansoft electromagnetic field analysis software is created，and the motor load characteristics and performance characteristics at rated load are calculated. At last，the prototype is installed on the FSE racing car ，the power performance of the car is measuredaccording to project power performance testing racing contest. The results show that the racing car has excellent dynamic performance，and thedesign of the motor prototypemeet the requirements well.

作者简介：冯勇(1988-)，男，湖北麻城人，硕士研究生，研究方向为FSAE赛车技术、电动汽车关键技术；阳林(1966-)，男，广东广州人，博士，教授，硕士生导师，研究方向为FSAE赛车技术、电动汽车关键技术、车身模具CAD/CAE/CAM/VR。

Key words:FSE electric car；PMSM；ansoft maxwell；electromagnetic simulation

0引言

FSE(fomula student electric)为大学生电动方程式汽车大赛，FSE大赛是在FSAE(fomula SAE)大学生方程式汽车大赛基础上发展而来，为FSAE大学生方程式汽车大赛的一个分支。FSE大赛旨在为日益成熟的纯电动汽车产业注入新鲜血液，带领在校工程类大学本科和研究生聚焦新能源电动汽车板块，培养电动汽车人才。驱动电机是FSE电动赛车的机械动力源，是赛车动力系统的核心，合理设计FSE电动赛车的电机，可以很好地满足赛车不同工况对速度和牵引力的要求，大大提升赛车的动力性。

通过对FSE电动赛车的驱动电机系统进行研究，探索了一套适用于FSE赛车的电机选型、设计和仿真方法，并按此方法设计一台适用于FSE赛车适用的永磁同步电机系统，样机实现装配赛车，并对赛车的动力性能进行测试。

1驱动电机选型及设计指标

1.1　FSE赛车驱动电机选型

目前，广泛应用于电动汽车的电机类型主要有4种，即直流电机、永磁同步电机、开关磁阻电机和交流异步电机。直流电机存在电刷，大功率直流电机质量重、体积太大、电机造价高的问题难以解决，而开关磁阻电机存在运行噪声大，转矩脉动严重且行驶平顺性较差等缺点，故近年国内外电动汽车驱动电机的研究类型，主要为永磁同步电机和交流异步电机。

相比于交流异步电机，永磁同步电机转子采用永磁体替代励磁绕组，电机功率因数较高，电机的效率高，且功率密度可达交流异步电机的2倍以上，使得永磁同步电机体积紧凑重量轻，在此，电机设计选用永磁同步电机。

1.2　永磁同步电机的设计指标

FSE赛车整备质量处于150～400 kg之间，车身迎风面积相对较小，采用空间桁架的车架形式，驱动电机后置后驱的整车结构。赛车动力系统由驱动电机、高性能磷酸铁锂电池组和传动系统组成。因赛车在赛道行驶速度不高，但频繁处于加减速，故传动系统传动比设计较大，故采用两级齿轮箱传动，总传动比为7。

以大赛规则和赛事特点出发确立赛车的动力性能目标，参考2012年中国FSAE大赛前五名车队的赛车比赛成绩及动力性能，设定赛车设计指标，即0～75 m直线加速时间小于4.5 s，最高车速高于100 km/h。以赛车动力性能目标为基础，通过动力性能参数理论计算并增加一定的裕量，确定电机的性能指标，电机的设计指标如表1所示。

表1　永磁同步电机设计指标

2电机结构设计

2.1　主要尺寸的设计

永磁同步电动机的主要尺寸是指定子内径和铁心有效长度。电机的主要尺寸关系到电机的性能、尺寸大小和成本，是电机电磁设计的重要计算内容。作为FSE赛车用驱动电机，电机的大小直接影响到赛车的整车布置，为了提高电机的功率密度，电机的主要尺寸应尽量的小。

电机常数CA为：

(1)

P′为电机的计算功率；T′为电机的计算转矩；KA为电机的利用系数，计算表达式为：

(2)

又电机铁芯长度与定子内径的关系为：

(3)

确定电机的主要尺寸比λ，即可确定电机的铁芯长度lef和定子内径Dil。

2.2　气隙的选取

气隙长度对气隙磁密的分布和大小影响较大。因空气磁导率低，磁阻大，所以随着气隙增大，磁力线通过的能力减弱，气隙磁密减小，而为了减少电枢反应的影响，永磁同步电机的气隙比感应电机要大。另外，增大气隙可以避免由于转子不同心造成的定转子相互摩擦，提高电机的可靠性，但从提高电机的功率因数的角度出发，气隙参数应取较小值。因此，所设计的电机的气隙参数初选δ为1 mm。

2.3　转子结构的设计

当电动机运行的转速不高时，设计时可选用表面凸出式磁路结构，但此结构电机弱磁扩速能力差；对于电机要求转速较高则应采用内置式转子磁路结构，内置式转子磁路结构有利于提高过载能力和功率密度。所设计电机选用内置式转子结构。

内置式转子结构根据永磁体的布置形式主要可分为“一”型、“U”型和“V”型结构，因为本结构电机尺寸较小，采用“V”形和“U”形结构优势并不是很明显，故永磁体采用内置式“一”字型结构，具有简单可靠的特点。其结构如图1所示。

图1　“一”型内转子结构

2.4　永磁体尺寸设计

永磁体尺寸设计主要是计算永磁体磁化方向长度hm及永磁宽度bm，永磁体的轴向长度与电机铁心长度lef相同。

永磁体计算剩磁密度Br为：

(4)

Br(20℃)为20℃的剩磁密度，取1.20T；αBr为Br的可逆温度系数；IL为Br的不可逆损失率，一般为0；t为预计工作温度，选取60 ℃。

内置式转子结构永磁体尺寸的估算公式可估算出永磁体磁化方向长度hm和宽度bm，即

(5)

(6)

Ks为电机饱和系数，取值为1.05～1.13；Ka为与转子有关的参数，取值为0.7～1.2；永磁体的空载工作点bm0取0.9；空载漏磁系数σ0取1.1；Kφ为气隙磁通波形系数，其值为基波磁通与总磁通之比，值取1.05。

2.5　电机电磁参数确定

最终确定的电机电磁相关参数如表2所示。

表2　电机电磁参数

3电机电磁场有限元仿真

由于永磁同步电机为左右和上下对称结构，模型在ansoftMaxwell中进行瞬态仿真中因为时间节点和有限元网格数较多，占用系统资源大，计算较为耗时，故采用6极电机的1/6 模型，利用周期性边界条件简化计算模型。

3.1　电机空载特性仿真

电机空载特性指的是电机定子电枢的电流为零，电磁场由永磁体产生。

电机在空载时的磁力线和磁场仿真云图如图2和图3所示，由图2～图3可以得出，磁力线分布清晰有序，并没有太多的聚集，基本没有漏磁；电机处于空载特性，电机内部磁场全由转子的永磁体发出，电机磁路设计合理。

图2　电机空载磁力线云图

图3　电机空载磁场云图

此时由于定子齿槽的原因，电机的转子产生波动的转矩，这就是永磁电机所特有的齿槽效应。齿槽转矩会使得电机出现震动和噪声，所以减小电机的齿槽转矩对赛车用永磁同步电机设计尤为重要。图4是电机空载特性下的齿槽转矩曲线，从曲线可以看出，电机的空载齿槽转矩波动值较小，最大值仅为1.5N·m，电机空载性能良好。

图4　电机空载特性齿槽转矩曲线

3.2　电机额定负载特性仿真

电机额定负载特性是指加载转子转速为2 600r/min额定转速下，由永磁体和绕组共同加载激励的特性[10]。

图5是电机在额定转速2 600r/min下的转矩输出曲线，电机刚启动过程中，转矩随着转子的转动而显著增大；在经过约25ms的波动后，转子转速稳定后电机的额定转矩为81N·m，转矩脉动幅值为正负3N·m，转矩脉动较小。

图5　额定负载特性下电机输出转矩

瞬态仿真分析电机在额定负载下的电压和电流，由仿真结果波形图可知，电机电压峰值为180V，电流最大值为280A，有效值为197A，额定转速下得出转矩平均值为81N·m，进一步可求得电机的额定功率为：

(7)

电机额定转速为2 600 r/min，求得电机的额定功率为22.32 kW，超过了电机的额定转矩75 N·m、额定功率20 kW设计指标的要求。

传统经验法计算铁耗值计算精度不高，与实际电机铁耗值出入较大，因而采用电磁场有限元计算较为准确[11]。图6是电机额定特性下的铁耗随时间变化曲线，电机在额定特性下的铁耗值PFe约为125 W。

图6　电机铁耗随时间变化曲线

电机的损耗主要由铁耗、铜耗以及机械损耗组成。电机设计中机械损耗通常采用类比的方法，根据已经生产的电机所测定的机械损耗类比选定[12]，机械损耗功率取值400 W。

电机的铜耗计算表达式为：

(8)

计算得到电机的铜耗Pcu为432 W。

电机总功率∑P为电机输出功率Psc加上损耗功率Psh，电机效率为电机输出功率Psc与电机总功率∑P的比值，则电机在额定特性下的效率为：

(9)

计算得到电机的损耗功率为957 W，电机额定特性下的效率η为95.1%，电机效率较高，满足电机的设计性能指标的要求。

4样机装车测试

4.1　样机制造

样机的设计方案经企业技术人员根据实际制造、加工工艺进行修改后，制造了FSE赛车用永磁同步电机样机，样机定制安川电机驱动控制器，采用矢量控制方法。依据厂家测定得到的样机参数电机的额定功率和额定转矩有所下降，分别为20 kW和76 N·m，与仿真结果相似度为90%。

4.2　测试项目及仪器

0～75 mm直线加速时间测试，0～75m直线加速测试在一条长直路上进行，利用秒表计赛车从静止直线加速过75 m所需的时间，通过采集多组的测试结果求平均值的方法得出测试结果。

赛车最高车速测试，即赛车最高车速测试在无风、干燥、平整的测试跑道上进行，赛车平稳地加速到最高车速，同样采集多组数据取最大值作为赛车的最高车速值。

由于试验条件和成本的限制，赛车电机动力性测试所需要的仪器主要有：

a.秒表。检测赛车行驶过某一段距离所需要的时间。

b.霍尔脉冲编码测速系统。如图7所示，霍尔脉冲编码器的磁钢片安装在赛车4个轮毂圆周，搜集脉冲信号传送至STN32F103单片机计算赛车速度并在LED数码表显示。

图7　霍尔脉冲车速装置

4.3　赛车动力性能测试结果

试验的环境温度为24 ℃，风速小于3 m/s，整备质量加上乘员的质量共342 kg。实车测试得到的最高车速与75 m直线加速的结果如表3和表4所示。

表3　赛车0～75m动力性能测试结果　s

表4　最高速度测试结果

实车测试得到的0～75 m直线加速时间3组测试结果的平均值为4.22 s；最高车速3组测试结果的平均值为100.9 km/h。赛车0～75 m加速时间的设计指标是小于4.5 s，最高速度的设计指标是高于100 km/h，2个动力性参数均达到赛车动力性能设计指标，表明电机的功率和扭矩满足了电机设计指标要求。

5结束语

根据正式赛的需要，设计永磁同步电机驱动电机，确定了三相、六极、内置式转子结构的永磁同步电机设计方案。借助电磁场仿真软件，对设计的永磁同步电机进行电磁场仿真计算，仿真得知电机额定负载输出功率达23 kW，电机在额定转速下输出的扭矩值可达82 N·m。样机实现装车测试，实测赛车动力性能优良，满足比赛需要。

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