电动车用永磁同步驱动电机的设计与分析

才立忠+张辉+饶界+汪坤+周安健

摘 要：为了得到一款驱动效率和电磁噪声都表现较优的电机，本文采用最大转矩电流比的控制方式以及减小铜耗的绕组方案等措施以提高效率，采用转子四段斜极的结构以降低电磁噪声。对样机进行了电磁仿真及实验测试，仿真结果和实验测试都表明该样机具有较好的噪声表现和较高的驱动效率，验证了该设计方案的合理性。

关键词：永磁同步电机；电机噪声；分段斜极；驱动效率

中图分类号：TM351 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2017）05-0025-05

Design and Analysis of Permanent Magnet Synchronous Driving Motor Used in Electric Vehicles

CAI Li-zhong， ZHANG Hui， RAO Jie， WANG Kun， ZHOU An-jian

（ Chongqing Changan Automobile Co.，Ltd.， Chongqing401120， China ）

Abstract： In order to get a drive motor which has a higher driving efficiency and a better electromagnetic noise performance， the MTPA （maximum torque per ampere） control mode and the winding scheme which can reduce the power loss of copper wires were used to improve the driving efficiency， besides the rotor structure with four segments of oblique magnet poles was used to reduce the electromagnetic noise. And some electromagnetic simulations and experimental tests were done on the motor， and the results of the electromagnetic simulations and experimental tests showed that the motor prototype has a better electromagnetic noise performance and a higher driving efficiency， which verified the rationality of design scheme.

Key Words： permanent magnet synchronous motor； motor noise； segmented oblique pole；driving efficiency

引 言

电动汽车用驱动电机主要有直流电机、交流感应电机、开关磁阻电机和永磁同步电机等，其中永磁同步电机因为具有功率密度高、系统效率高、调速范围宽和控制系统简单等优点而被广泛接受。目前市场主流产品中，应用永磁同步电机的车型有通用 Volt、日产 Leaf、丰田 Prius和上汽 E50、比亚迪“秦”、长安逸动EV等。在电动汽车领域，NVH特性[1，2]和续驶里程是非常重要的两个性能参数。纯电动汽车是电动汽车的一种，目前在国内市场上最多，由于纯电动汽车采用电机取代发动机驱动，少了发动机的噪声，使车内更加安静，也正因此凸显了传统车中以往并不明显的噪音。电机作为整车的驱动源，也是整车振动和噪音的主要来源。电磁噪声是永磁同步电机噪声的主要来源之一[3]，由于蠕行状态下的车速较低，路噪和风噪较低，因此蠕行工况下的高阶电磁噪音比较受客户和整车厂的关注。电动汽车的布置空间限制了电池的容量，因此电机的驱动效率对续驶里程至关重要，电机的功率损耗主要来源于铁芯损耗、绕组损耗和实体损耗等，降低这些损耗有助于提高电机的驱动效率，增加续驶里程。

目前市场上的电动汽车中，纯电动汽车大多采用经典的48槽8极永磁同步电动机，例如逸动EV、日产Leaf、比亚迪“秦”等驱动电机[4]。因分数槽绕组电机势磁分布曲线中包含的谐波比整数槽绕组多，不仅有奇次谐波，还有偶次谐波和低次諧波，会产生单边磁拉力，附加转矩和杂散损耗，使电机运行时产生较大的振动和噪音，运行效率下降，因此对于小型驱动电机来说，应尽量采用整数槽绕组的电机，对于整数槽绕组电机，噪声阶次与转子极数相同，对于分数槽绕组的电机，噪声阶次小于转子极数。

为了得到一款适合纯电动汽车的高效率、低噪音的永磁同步电机，本文设计了一种永磁同步电机结构，采用48槽8极的整数槽绕组的极槽配合，以降低振动和噪音，提高效率；合理设置绕组形式，定、转子采用冲片叠加，减少绕组损耗和铁芯损耗。利用Maxwell电磁仿真软件仿真得到电机的各项性能参数，并制作样机进行实验，得到了较好的实验结果。

1 永磁同步驱动电机的设计

1.1 驱动电机的基本参数

本文采用A级纯电动轿车驱动电机作为设计和分析对象。分解整车动力系统需求得到电机的性能要求如表1所示：

转矩是电机的一个重要性能参数，表征整车的动力特性，转矩也对电机的整体尺寸有一定的约束限制，峰值转矩与定子铁芯的长度、内径和气隙磁密、电负荷等参数之间的关系[5]如下

其中，Tem max —最大电磁转矩（Nm），Bδ1 —气隙磁密基波幅值（T），Lef —定子叠长（cm）， Di12 —定子内径（cm），A—定子电负荷有效值（A/cm）。endprint