新能源汽车驱动永磁同步电机的设计

王显廷

（北京劳动保障职业学院，北京 100000）

新能源汽车驱动永磁同步电机的设计

Design of driving permanent magnet synchronous motor for new energy vehicles

王显廷

（北京劳动保障职业学院，北京 100000）

随着国家对新能源汽车支持政策的出台，新能源汽车将会成为未来市场的主力军。实现新能源汽车产业健康发展的关键在于具备完善的驱动电机系统，而永磁同步电机具有效率高、功率密度大等特点，因此设计永磁驱动电机符合新能源汽车发展的要求。

新能源汽车；永磁电机；驱动

大力发展新能源汽车是当前环境污染治理的重要举措，而实现新能源汽车普及的关键就是解决新能源汽车驱动问题。与其他类型电机相比，永磁不同电机的性能更加稳定、功率密度更高一级，稳定性更强，因此在未来新能源汽车电机发展中永磁同步电机将成为发展的主要趋势。

因此为了更好地研究永磁同步电机的价值，本文在研究永磁同步电机的基础上，提出了优化永磁同步电机的设计方案，以此更好地推动新能源汽车产业的发展。

1 新能源汽车驱动永磁同步电机设计的特点

纵观汽车发展史，新能源汽车主要分为纯电动汽车、混合动力电动车以及燃料电池电动车，虽然他们的种类不同，但是使用的牵引电机是相同的，目前新能源汽车使用的牵引电机主要分为直流、感应、永磁同步以及开关磁阻电机，而它们之间具有不同的优缺点（见表1）。机要满足长时间持续工作的要求与在紧急加速和减速的工况下，保证电机短时间达到峰值工作点，所以基于其性能要求，在进行设计具有以下特点：一是电机设计要考虑其扩速能力和过载能力；二是新能源永磁同步电机要将设计工频供电运行的电机设计计算量扩大；三是永磁同步电机设计不考虑控制策略对设计结果带来的误差。

2 永磁同步电机设计方法的分析

永磁同步电机设计主要包括电机电磁参数以及电机结构相关的参数，这主要是因为永磁同步电机的磁场是由永磁体激励产生的，因此其会随着材料、形状以及加工工艺的变化而变化，因此在进行永磁同步电机设计时需要按照规范的方法进行。

（1）转子磁路结构的合理设计。永磁电机设计的前提就是考虑转子磁路结构，不同的磁路结构寻找对于驱动电机的影响是巨大的，顾名思义转子磁路结构设计就是对永磁体进行分布设计以此提高电机的性

表1 驱动电机性能比较

通过表1分析，可以看出永磁同步电机将是新能源汽车驱动电机的主要发展趋势，但是基于其存在的缺点，考虑到未来运行的实际路况，在进行驱动电机设计时需要解决以下两个问题：一是长时间持续运行和短时间峰值运行的问题，也就是要保证永磁同步电能。具体到实践设计中，要综合考虑电机电感参数、漏磁系数以及永磁体用量等因素。例如不同转子磁路结构的设计，电机的电感参数也就不同，因此在进行设计时一般采取内置式磁路结构，这样就会提高电机转矩输出能。

（2）主要尺寸公式的分析。永磁同步电机设计需要考虑其设计尺寸，尺寸主要包括定子内外径和电机长度，目前常用的尺寸公式为：

通过上述公司可以清楚的了解电机定子内径与电磁功率之间的关系。

总体看，新能源汽车永磁同步电机设计的方法主要包括：等效磁路分析法、电磁场数值计算法、等效磁网格析法以及电磁场解析法等 。

3 新能源汽车驱动永磁同步电机设计方案

基于实践，根据永磁体在转子冲片上分布位置的不同，可以将永磁同步电机分为表面式和内置式电机，但是表面式永磁同步电机在运行过程中没有磁阻转矩，因此其不适应于新能源汽车，而内置式永磁电机的抗磁退能力强，因此其适用于新能源汽车中，本文就是以内置式永磁同步电机设计为例进行分析。

3.1 永磁同步电机的解析计算

（1）定转子主要尺寸的计算。基于新能源汽车整体设计结构的限制，永磁同步电机必须要明确计算电机功率输出能力与主要尺寸之间的解析关系，本文以平行齿平底槽为例（见图2），解析定子内径与定子外径之间的关系。

图2 平行齿平底槽示意图

根据相关计算公式，得到的解析表达式为：

（2）定子槽型主要尺寸计算。根据上述的推导可以计算出定子内外径的尺寸，然后进行槽型尺寸的计算，计算模型仍然以图2为例：

其中Kfe——铁芯叠压率；

Btl——定子齿磁密（T）

Bjl——定子磁密（T）

（3）永磁体尺寸计算。永磁尺寸设计计算对于永磁同步电机的设计非常重要，其主要包括磁化方向厚度hm、磁化方向宽度bm以及轴向长度Lm，根据不同的永磁体部位，其计算表达式为：hm=kh×∂；bm=kh×ι。

（4）绕组参数的研究。定子绕组是电机的重要组成部分，其主要是提供电流通路的，由于实践中定子绕组的种类比较多，因此基于新能源汽车的需要，一般会采取三相双层同心绕组，采取星型连接。之所以采取此种模式主要是因为其生产工艺比较简单，而且便于散热，同时可以改善交流绕组的磁动势，提高其运行效率，降低谐波含量。

3.2 永磁同步电机解析计算结果

基于某款新能源汽车的技术指标要求，按照上述推导的计算公式，计算各个尺寸，并且对其进行试验，试验结果与样机参数计算结果见表2。

表2 样机参数计算值与实测值比较

通过表2的参数对比可以发现，样机直轴电感Ld与交轴电感Lq的计算值都比实验测试值小，这是由于样机直交轴电感参数是在样机静态下进行实验测量，而计算值则是样机带额定负载时考虑交叉耦合与饱和作用的饱和直、交轴电感。由于样机负载饱和磁场比样机静态磁场磁场的饱和度增大很多，导致样机直交轴电感的计算值比样机直交轴电感实测值小。

3.3 永磁同步电机仿真分析与试验在MATLAB 的Simulink 仿真环境下，根据前述永磁同步电机矢量控制策略，首先构造了如下的id=0的电流、速度闭环的仿真系统框图，并建立了永磁同步电机磁场定向控制系统仿真模型［3］，如图2所示。在仿真中，将电机的参数设置如下：给定电机转速为1 000 r/min，负载转矩TL=3N·m，转子极对数p=3，定子电阻RS=0.2Ω，转子磁链值=0.56wb，交直轴电感Ld=Lq=15.3e-3H，转矩惯量J=2.1e-4kg·m2。通过前述永磁同步电机矢量控制策略，对仿真模型进行Clarke、Park坐标变换，并针对其进行仿真。相关仿真数据表明新能源汽车驱动用永磁同步电机满足低速区大转矩输出要求，同时，在高速恒功率区样机也具备较宽的弱磁扩速能力。

总之，电动汽车用永磁同步电机一般采用内置式磁路结构。

用场路结合的方法分析永磁同步电机的电磁性能， 能较好地兼顾计算精度和速度， 是工程设计中较为理想的分析方法。设计时，电机磁路结构应根据实际工况， 综合考虑电机的弱磁能力、抗失磁能力、机械强度及磁阻转矩的利用等具体情况进行选择。

［1] 孟祥坤，张学义，徐进彬，赵玉真，张攀. 新能源汽车永磁同步驱动电机性能提升分析. 农业装备与车辆工程，2015年03期.

［2] 符荣，窦满峰. 电动汽车驱动用内置式永磁同步电机直交轴电感参数计算与实验研究. 电工技术学报，2014年11期.

［3] 朱鲁佳. 电动汽车用永磁同步电机驱动系统的高性能控制. 电机与控制应用，2015年02期.

（P-01）

U469.7

1009-797X（2016）04-0092-03

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10.13520/j.cnki.rpte.2016.04.036

王显廷（1966-），男，本科学历，高级工程师，从事汽车设计与汽车故障诊断工作。

2016-01-08