永磁同步电机的选型及参数校验

魏亚帅，朱德祥，李 营，曹国振

（海马新能源汽车有限公司，河南 郑州 451450）

为了有效缓解能源问题和环境压力，除中国外，美、德、日、韩、法、英等世界上主要的汽车产销国家也均推出了较为明确的新能源汽车发展规划。中国针对纯电动轿车驱动电机系统的技术战略将进一步朝着轻量化、能源低碳化、提高使用效率等方向发展，如何全面有效且精确地使用驱动电机的性能是当前整车企业不断探索的关键。

1 永磁同步电机

1.1 驱动电机类型

电动机按其工作电流分类，可分为直流电动机和交流电动机。长期以来，直流电动机由于成熟稳定的调速技术优点，广泛应用在工业过程中，但其结构复杂、故障率高，不能满足离散的动态环境。随着新型电力电子器件的发明及推广和计算机控制技术的发展，现阶段的纯电动轿车普遍选用交流电机驱动系统。

近年来，随着第3代稀土永磁材料性能的不断提高，具备剩磁高、矫顽力高、磁性能高等优点使其在工业中得到了广泛的应用［1］。乘用车行业中，永磁同步电机具备功率因数高、效率高、启动转矩大、功率密度高及可靠性高等优点使其在驱动电机系统的使用中占有主导地位［2］。

1.2 永磁同步电机工作原理

长期以来，制约交流电机控制技术发展的是转矩和磁链的耦合性，使其控制精度难以提升。20世纪60～70年代，K.Hasse和F.Blaschke提出了控制定子电流矢量技术，也叫矢量控制技术，实现了磁链和转矩解耦，永磁同步电机也是采用此控制方式。经过几十年的发展，永磁同步电机的控制技术逐步完善，控制技术的动态模型具体步骤如图1所示。

图1 动态模型具体步骤

矢量控制技术是通过调节电枢电流和磁场电流来控制电机。现在有些企业为了提高转矩的响应速度，通过直接调节工作电压来改变定、转子磁链的夹角来控制电机的输出转矩即直接转矩控制技术。近年来，中外科研人员对其改进技术也在不断探索［3-4］。恒转矩角、单位功率因数（UPF）、磁通与电流相量角控制、单位电流最优转矩、恒功率损耗及最大效率等控制方法可根据需要叠加用于矢量控制中。现实中永磁同步电机的控制受到车载动力电池的最大电压和最大电流的限制，在转速增加到一定的数值后，需要削弱气隙磁链来抑制感应反电动势，也就是弱磁控制技术［5-6］。

依据控制策略及永磁同步电机自身特性，其在纯电动轿车中的应用曲线可近似总结为基速以下恒转矩控制、基速以上恒功率控制，如图2所示。

图2 转矩（T）、频率（f）及感应反电动势（U）曲线图

2 永磁同步电机的初步选型

永磁同步电机作为纯电动轿车的驱动电机，普遍为S9工作制，在实际的整车开发过程中，考虑到成本、时间、稳定性等方面，优先针对各项性能已经得到验证的驱动电机进行选型。

驱动电机是整车的动力源，是由驱动电机控制器按照整车控制器的要求进行控制运行。由整车参数可初步确定驱动电机的额定功率、峰值扭矩、峰值转速3项参数，对其进行初步选型。

2.1 永磁同步电机额定功率的选型

轿车在正常行驶的过程中，主要承受整车行驶时的空气阻力、滚动阻力、加速阻力、坡道阻力，驱动电机应满足整车在各种行驶工况下的驱动力需求。

驱动电机的额定功率需要满足整车可持续行驶的最大需求功率，当车速达到最高目标转速时，此时需要的额定功率为最高额定功率需求。

式中：PN——驱动电机额定功率，kW；ηT——动力传动系统机械效率；mtest——整车试验质量，kg；g——重力加速度，m／s2；f——滚动阻力系数；umax——整车最高车速，km／h；ρ——空气密度，kg／m3；CD——空气阻力系数；A——迎风面积，m2。

2.2 驱动电机峰值转速的选型

驱动电机的最高转速需要高于最高目标车速需求。

式中：nmax——驱动电机峰值转速，r／min；ig——减速器减速比；io——主减速比；r——轮胎滚动半径，m。

2.3 驱动电机峰值扭矩的选型

整个行驶工况下，轿车在加速和爬坡两种情形所需的驱动力最大。

以车速ui爬坡度i所需要的驱动力由下式可得。

式中：Fi——汽车爬坡驱动力需求，Nm；mmax——汽车满载质量，kg；a——坡度角；ui——爬坡车速，km／h。

前期进行驱动电机的初步选型时，并不能确定整车的加速度曲线，故加速性能不能进行准确计算，可将其假设为匀加速运动对驱动电机峰值扭矩进行初步计算选型。

式中：Fa——汽车加速驱动力需求，Nm；δ——汽车旋转质量系数；ua——汽车行驶末速度，m／s。

滚动阻力系数计算公式：

由图3可知f随速度的增加而增加，当速度为100 km／h时为最大值0.014 3。由于驱动电机的真实运行状况为加速度逐步减小的加速过程，所以令f=0.014 3，可根据百公里加速时间计算出需求的加速驱动力。

图3 f在0—100 km／h下曲线图

取汽车爬坡驱动力需求和加速驱动力需求的最大值为整车所需的峰值驱动力，驱动电机的峰值扭矩需求Tmax。

由此3项参数可对驱动电机进行初步选型，但此时选型出的驱动电机并不一定是最精确的，需要结合驱动电机控制器和控制策略对其进行校验调整。

3 驱动电机参数校验

驱动电机的参数校验环节可最终精确展现驱动电机的动力性能，从根本上判断方案的合理性。本文以某车型为例，对整个校验过程进行说明。

3.1 最高转速校验

轿车行驶在最高车速时，驱动电机转速为最高转速区域，此时电机控制器为了降低感应反电动势，采用弱磁控制技术，驱动电机输出转矩会随转速的增加而减小，但应不小于车辆行驶需求转矩。

由图4可看出，在整个行驶工况中驱动力始终大于行驶阻力整车的滚动阻力和空气阻力之和，在汽车的各个长时间行驶工况中，都能满足动力需求。

图4 驱动力校验曲线图

3.2 最大爬坡度校验

整车企业针对爬坡度要求的目标车速一般设置为20km／h、30 km／h、60 km／h，可根据驱动电机的输出特性，将爬坡度的计算公式分为两种情况，见下式。

式中：a——爬坡角度，爬坡度为i=tan（a）；ui——汽车行驶速度，km／h；Tmax——驱动电机峰值扭矩，Nm；Pe——驱动电机峰值功率，kW。

由图5可精确判断驱动电机提供整车的爬坡性能。随着车速的增加，整车的爬坡性能下降显著。

若汽车销售的市场为崎岖山路路况，对整车的爬坡性能要求就比较严格，应适配峰值功率较大的驱动电机。

3.3 驱动电机加速时间校验

驱动电机能够输出的转矩在整个运行区间与转速相关。汽车行驶过程中受到的阻力是一个随速度而变化的离散值。

由图6可知，基于驱动电机控制器的控制策略，整车的加速度为一个不规则的曲线，其加速运动是一个复杂的过程。

图5 汽车的爬坡度校验曲线图

图6 汽车的加速度曲线图

将汽车的加速运动分为两种情况进行分析：一种是车速在基速以下，一种是车速在基速以上。通过MATLAB对其加速时间进行积分运算，可精准计算出驱动电机的加速时间 ，从而精准计算出整车的动力性能。

当车速在基速以下时：

整车的加速运动曲线如图7所示，可判断整车在各个时间点能够达到的速度，对驱动电机能否满足整车的加速运动需求进行精确分析。

永磁同步电机的实际状态和图2的状态有差异，可对其进行台架试验，将实测的MAP数据通过MATLAB进行计算分析，确保方案的真实合理性。

图7 汽车的加速运动曲线图

4 小结

由驱动电机的校验结果，可准确展现整车的动力性能效果。根据项目开发方向，选择合适的永磁同步电机控制策略。也可根据项目开发需要，对永磁同步电机进行减少匝数／增加匝数、加长铁心长度等方面的调节来改善性能，从而最全面、精确地对其进行使用，可达到提高效率减轻整车质量的效果。