电动汽车用内置式永磁无刷直流电机设计研究＊

刘建林，冯垚径，高 磊，杨 凯

（1.湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082；2.湖南机电职业技术学院，湖南 长沙 410151；3.华中科技大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉 430074）

稀土永磁无刷直流电机是随着电力电子技术及新型永磁材料的发展而迅速成熟起来的一种新型电机，具有体积小、重量轻、效率高、惯量小和控制精度高等优点[1－2]，同时还保留了普通直流电机优良的机械特性，广泛应用于伺服控制、数控机床、电动车辆、机器人等领域[1－4].

电动汽车是交通运输业面临能源与环境双重压力的必然选择，是未来汽车工业的重要发展方向.永磁电机具有高效、高功率密度的特点，特别适宜用作电动汽车主驱电机.内置式转子磁路结构的机械强度高、弱磁调速能力强，永磁体的抗去磁能力强，在车辆驱动中永磁无刷直流电机应用广泛[5－12].本文基于已有的某轻型电动轿车，设计研究了一台内置式永磁无刷直流电机.

1 电机性能指标的确定

电动汽车驱动电机性能指标的确定需要根据电动汽车车辆参数以及动力性能指标分析确定.表1是该电动汽车的动力性能指标.

表1 电动汽车性能指标Tab.1 Performance of the electric vehicle（EV）

永磁无刷直流电机一般采用基速以下恒转矩、基速以上恒功率的控制模式[2，13－15].为了获得恰当的转矩、转速等性能指标，电动机与电动汽车之间动力参数的匹配需建立在对汽车行驶性能分析的基础上[6].在本方案中，根据电动汽车极限加速时间、最高车速以及爬坡能力等对驱动性能的要求，得到电机的外特性曲线如图1所示.

电机转速与车速相对应，因此额定转速一般根据电动汽车的经济运行车速来确定.汽车在最大车速下水平匀速运行时所需的驱动功率，作为驱动电机的额定功率，进而得到电机的额定转矩.根据电动汽车的档位设计，峰值转矩通常为额定转矩的2～3倍.再综合考虑运行经济性、成本等因素，确定本方案中电机的主要性能指标如表2所示.

图1 驱动电机外特性Fig.1 Output characteristic of the drive motor

表2 电机性能指标Tab.2 Motor parameters

2 电机参数设计

2.1 主要尺寸

电机的主要尺寸包括：电枢直径D1、电枢有效长度Lef和电机长径比λ.根据电机材料以及散热条件等要求，选取合理的电负荷、磁负荷后，可大致确定电机的体积；考虑电动汽车的安装尺寸要求，确定合理的电机长径比，再根据电机体积即可初步估算出电枢直径和电枢有效长度.主要尺寸的选取可采用如下估算公式[16]：

式中，TN为电动机额定转矩，A为线负荷，Bδ1为气隙磁密基波幅值，p为电机极对数.电机长径比λ可取值为1.5～2范围内.

2.2 定子绕组

理想的无刷直流电机要求具有相当宽度的梯形波反电动势，因此在绕组设计时尽可能选择集中整距绕组[14].定子绕组匝数影响电机的反电势系数、交直轴电抗等参数，且一定程度上决定了高效运行范围，设计时要根据额定转速来合理选取.为了获得较高的功率因数，绕组匝数选取时应使空载反电势与额定电压值相当.

2.3 极弧系数

理想的无刷直流电机要求气隙磁密波形为方波，故永磁磁极设计需选择尽可能大的极弧系数[14].采用内置式转子磁路结构时，除保证足够的永磁体宽度以提供尽可能大的气隙磁通外，极弧系数还受到隔磁桥尺寸和永磁体厚度的影响，需综合选取.

对于内置式转子磁路结构，极弧系数αp近似为电机极靴弧长b与极距τ1之比[16]，即

2.4 永磁体尺寸

永磁体尺寸主要指磁钢的轴向长度LM，宽度bM和磁化方向厚度hM.磁钢的轴向长度一般与电动机铁心长度相同，宽度根据所需磁负荷确定.磁化方向厚度要兼顾电磁性能与机械性能：磁钢太厚容易导致直轴电抗小、影响弱磁扩速能力，经济性也较差；磁钢太薄则可能无法保证足够的过载能力，同时容易发生不可逆退磁、可靠性降低，且机械强度差.

对于“一字型”径向磁路结构的电机，可按如下预估公式来计算永磁体尺寸[16]：

式中，bm0为预估的永磁体空载工作点，一般取值为0.6～0.85；Ks为电动机的饱和系数，取值为1.05～1.3；Kα为转子结构系数，取值为0.7～1.2；σ0为空载漏磁系数；KΦ为气隙磁通波形系数，与电机的极弧系数有关；Br为永磁体剩磁密度.

2.5 设计结果

本文借助Ansoft软件进行设计，并对磁路法计算结果进行了有限元仿真分析.图2是电机的四分之一二维仿真模型.

图2 电机电磁分析模型Fig.2 Motor electromagnetic model

仿真分析得到的空载气隙磁密波形和绕组空载反电势波形分别如图3和图4所示.

图3 空载气隙磁密Fig.3 Air gap magnetic flux density

图4 绕组反电势Fig.4 Induced voltage

3 关键参数对电机性能的影响

电机设计过程中，主要尺寸一旦确定，可变参数就局限于气隙长度、永磁体尺寸、定子线圈匝数等.为探究上述关键参数对电机性能的影响，利用Ansoft软件中Rmxprt模块的参数化分析功能，研究参数调整对电机效率、转矩电流比的影响.考虑到饱和、漏磁等非线性因素对电机性能的影响，分析时结合Maxwell 2D有限元分析对参数化分析结果进行了修正.

本文选取了4组方案的分析结果进行对比，具体方案的参数设置如表3所示.

表3 对比方案的参数设置Tab.3 Parameter settings of comparison projects

3.1 气隙长度对电机性能的影响

仅改变气隙长度，即采用方案1与方案2进行对比分析.计算结果如下：图5为输出转矩对比曲线，图6为效率对比曲线，图7为转矩电流比对比曲线.

图5 输出转矩对比Fig.5 Contrast of output torque

图6 效率对比Fig.6 Contrast of efficiency

从图5～7可以看出：在转矩输出相同的情况下，方案2在低速区（0～2 000r／min）具有更高的效率和更大的转矩电流比，在高速区两种方案获得的电机性能相当.由此可知，减小气隙长度可提高电机低速区性能.当然，实际设计中还要考虑制造、装配等因素，在满足机械加工要求的前提下尽可能选择较小的气隙.

图7 转矩电流比对比Fig.7 Contrast of the torque－current ratio

3.2 永磁体厚度对电机性能的影响

仅改变永磁体厚度，即采用方案1与方案3进行对比分析.计算得到输出转矩、效率以及转矩电流比的对比曲线如图8～10所示.

图8 输出转矩对比Fig.8 Contrast of output torque

图9 效率对比Fig.9 Contrast of efficiency

从图8～10可以看出：在转矩输出相同的情况下，方案3在整个运行区域内具有更高的效率和更大的转矩电流比.由此可知，增加永磁体用量对电机整体运行性能有所提升.但是，永磁体用量的增加会使电机造价提升，在实际设计时要综合考虑，兼顾成本.

图10 转矩电流比对比Fig.10 Contrast of the torque－current ratio

3.3 定子线圈匝数对电机性能的影响

仅改变定子线圈匝数，即采用方案1与方案4进行对比分析.计算得到输出转矩、效率以及转矩电流比的对比曲线如图11～13所示.

图11 输出转矩对比Fig.11 Contrast of output torque

图12 效率对比Fig.12 Contrast of efficiency

图13 转矩电流比对比Fig.13 Contrast of the torque－current ratio

从图11～13可以看出：在转矩输出相同的情况下，方案4的转矩电流比在低速区（0～2 000r／min）明显小于方案1，但在高速区效率和转矩电流比有所提升.由此可知，适当减少绕组匝数可以提高电机高速区的性能，但同时会导致低速区转矩电流比下降，这就意味着系统对控制器的电流输出能力提高，在实际设计时需要特别注意.

4 负载率对电机性能的影响

电动汽车的实际运行工况相当复杂，电动机不可能维持在某一特定工作点运行，负载率处于不断变化当中.考察不同负载率下的电机性能，有助于综合评判电机设计质量.在此选取不同的转矩特性曲线进行分析，如图14所示，转矩特性1～3分别代表的是重载、额定负载和轻载条件下的运行情况.分析得到3组随负载率变化的效率、转矩电流比特性曲线，分别如图15和图16所示.

图14 输出转矩对比Fig.14 Contrast of output torque

图15 效率对比Fig.15 Contrast of efficiency

从图14～16可以看出，不同负载率下，电机的效率和转矩电流比有着明显的差别.

任意负载下，电机效率都会随着转速的增加而先增大后减小，但重载情况下的效率最大值出现在额定转速以下，额定负载时的效率最大值出现在额定转速附近，而轻载时的效率最大值出现在额定转速以上；相同转速下，额定负载时电机的效率较高，说明设计方案对电机额定点的选取较为合理.

图16 转矩电流比对比Fig.16 Contrast of the torque－current ratio

由于电机在高速运行区进行了弱磁扩速，转矩电流比的变化同时还受到电流超前导通角的影响，因此仅对低速运行区的情况进行比较发现：在未进行超前导通角调节的运行区域，相同转速下，转矩电流比随着负载率的增加而增大.分析认为：由于内置式永磁无刷直流电机转子磁路不对称，使得输出转矩中包含磁阻转矩分量，而磁阻转矩正比于电流的平方.因此，当负载功率增加引起输入电流增大时，输出转矩增大的幅度更大，故转矩电流比增大.这也是内置式永磁电机与表贴式永磁电机在设计时的一个重要差别.

5 优化样机及测试

根据关键参数、负载率等因素对电机性能的影响结果，对样机设计方案进行了优化.主要的设计参数优化结果如表4所示.

表4 样机设计参数优化结果Tab.4 Parameter settings of comparison projects

图17为采用优化设计方案制作的样机，经实验测试可得到电动机的外特性曲线.

图18中，将样机的测试性能结果与电动车驱动系统所要求的目标性能指标（即通过电动机与电动汽车之间动力参数的匹配得到的电机外特性曲线）进行对比，由图可以看出：恒转矩区的转矩和功率都能较好地满足系统要求，恒功率区也达到目标值，样机综合性能符合应用需要.

图17 优化样机Fig.17 Optimized prototype

图18 优化样机的测试性能与目标性能对比Fig.18 Contrast of test and target performance of the prototype

6 结 论

1）设计了一台电动汽车用内置式永磁无刷直流电动机，并分析了电机的主要结构参数对效率、转矩电流比的影响.在机械加工能力允许的前提下，适当减小气隙长度可提高电机低速区性能；在兼顾成本的同时，适当增加永磁体用量可提升电机整体性能；适当减少绕组匝数可提高电机高速区性能，但会导致低速区的转矩电流比下降.

2）分析了不同负载率下电机的性能.电机的效率在轻载时较低，重载时较高，额定负载时电机整体效率最高，说明设计方案对额定点的选取合理；转矩电流比随负载率的增加而增大，主要是由于输出转矩中存在着与电流成平方正比关系的磁阻转矩分量导致的，这是内置式永磁电机与表贴式永磁电机的一个重要区别.

3）根据优化设计方案研制了样机并完成性能测试.测试结果表明，样机在恒转矩区和恒功率区的转矩、功率都满足驱动系统要求，样机综合性能符合应用需要.

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