电动汽车永磁同步电机设计研究

解宗梁，许京娟

（山东百特电机电器有限公司，山东烟台，265718）

1 引言

对于电动汽车而言，永磁同步电机是驱动系统的主要选择，凭借其转矩响应快、效率高、体积小、噪声低等优势，在新能源汽车市场备受青睐，且市场占有率迅速提高［1］。电动汽车高速发展及较大的市场需求下，驱动电机渐渐朝着高速化、轻量化、高效化等方向发展。经过对电动功率密度的优化，不仅可积极迎合电动汽车对驱动系统高效率、轻量化等要求，而且还能够提高产品市场竞争力，具有重大的现实意义。

2 电动汽车对驱动电机的性能要求

结合城市道路现状分析得知，电动汽车运行面临着各种复杂的工况［2］。驱动电机各种性能应积极满足不同行驶工况要求，图1则是电动汽车驱动电机典型特性图。

图1 纯电动汽车用驱动电机的典型特性图

（1）对于城市道路而言，十字路口红路灯或交通拥挤的情况下，电动车需不停地启动、停车与加减速。为了能够保障汽车启动特性，驱动电机启动转矩必须较大，且过载系数应设定在2—3范围间。

（2）电动车行驶在高速路上，驱动电机的恒功率应始终保持恒定状态。对此，恒功率运行区间应要求较宽，要求输出峰值功率能够迅速抵达电动汽车最高车速。

（3）由于整车质量、空间布局等关键性因素的影响，驱动电机布置控制往往被限制，所以电机体积尽量设计小一点，且要求转矩密度与功率密度较高。

（4）当逆变器容量处于特定状态下，弱磁调速能力相对较强，且最高转速能够达到基速的三四倍。

（5）对于动力电池充电续驶这一关键性问题，驱动电机效率分布较高。

（6）对于电动汽车而言，转矩输出为了保持稳定状态，驱动电机及控制系统中转矩应迅速响应，要求驱动电机可靠性、鲁棒性处于较高性能状态［3］。

3 电动汽车动力学性能PHa.m.

对于电动汽车而言，要求具有较强的持续运行能力及加速性能，尤其是在高速行驶时应保障具有超车能力。本研究采用电动汽车模型及动力学性能要求列表1。

表1 电动汽车参数和动力学性能指标

4 电动汽车永磁同步电机设计

基于电动汽车相关性能要求，对电机设计参数进行明确，并制定出设计方案［4］。其中，设计的要点主要包括尺寸、槽极配合、气隙长度、电磁负荷等。其中，驱动电机基于理论计算设计而来，也可以结合实践经验对一些数值进行确定。因车辆空间的影响，本次所设计的驱动电机外径＜250mm，轴向有效长度＜150mm，总质量＜40kg，直流母线电压控制在400V。

4.1 电机主要尺寸

结合电机设计知识，其尺寸可根据以下计算式进行计算。

基于以上计算公式，若电机转速及功率被确定，可设计出电负荷、磁负荷合理的电机设计方案，其中，定子内径平方与电机轴向有效长度的乘积比较接近定值。因安装空间及大小的影响，若能够明确以上数值，那么便可确定D与Ief的值。

4.2 槽极配合、气隙长度和电磁负荷

对于电动汽车而言，其驱动电机主要分为内转子、外转子两种常见结构。其中，内转子结构又分为表贴式、内置式和爪极式三种结构［5］。内置式结构中，永磁体分为“一”字型或“V”字型。本研究主要设计内转子、内置式“V”字型永磁体。

在槽极配合方面，驱动电机可分为有整数槽、分数槽两种。为了便捷，本研究选择整数槽单层分布绕组及槽极配合-8极48槽进行设计。对于电机而言，气隙长度是关键，其过长会造成气隙磁阻增加，严重限制了电机功率密度；气隙长度较小，电机制造难度较大。对此，本研究将其确定为1mm。

对于电流大小及密度而言，电负荷是关键性影响因素，在一定程度上也会影响电机散热功能［6］。磁负荷对磁路的饱和程度的影响较大，也会对电机硅钢片利用率和电机的功率密度进行影响。一般情况下，电负荷较大会降低电机尺寸，降低铁耗损。然而，会造成电机发热更加严重，交流绕组电抗增加；磁负荷较大的情况下，电机尺寸缩小，但是铁耗也会增加，不利于电机的起动与运行特性。所以，针对电机而言，电负荷、磁负荷数值应合理确定。一般情况下，电负荷设定在30A／mm，峰值点电负荷达到70A／mm；气隙磁密设定在0.75T。

4.3 电机定子结构

电机定子结构设计，主要分为定子齿设计、定子轭设计和定子槽三方面。为了能够确保气隙磁密基波含量，且便于绕组嵌线，本研究选择平行齿和半开口梨形槽方案。基于磁路计算规则，电机齿部磁密B1与气隙磁密Bδ的关系如下：

本研究中电机的轭部为齿联轭，定子铁心轭部磁密，应符合以下关系：

针对电动汽车驱动电机设计而言，电器定子外径DSO是明确的。定子外径DSO与定子内径Dsi之间的关系如下：

通过以上计算式的分析得知，当定子外径和轭部高度确定后，定子内径同槽深之间的关系较为密切。槽深决定了槽面积及用铜量，也决定了电流大小及发热情况。同时，定子内径同轴向长度之间的大小决定了机电负荷和磁负荷。

槽满率直接决定了电机槽的利用率，若过大则不利于安装。因导向双边绝缘层和导线间隙的存在，电机的槽满率不得过大，最好确定在0.7。另外，为了简化设计，本研究选择单层链式绕组设计方式，导向跨距设定为S。

4.4 电机转子结构

由于永磁体与铁心长度一致，所以在转子结构设计中应确定永磁体的厚度和宽度。一般情况下，永磁体厚度对电机直轴电枢反应电抗的影响较大，也决定了永磁体的抗去磁能力。若厚度较小，那么永磁体磁密较低，抗去磁能力也较差，极易出现废品；如果厚度过大，则不利于弱磁扩速能力，且永磁体会渐渐偏离磁通量。在设计电机时，永磁体厚度与宽度可根据以下公式进行预测：

4.5 电机设计方案

通过上述的分析，本研究设计的电机结构示意图如图2所示，主要参数如表2所示。

图2 电动汽车驱动电机结构示意图PH

表2 电动汽车驱动电机主要结构参数

5 结语

对于电动汽车行业而言，车用永磁同步电机的设计是重点研究方向，也是行业发展的关键点。通过本文的研究，能够了解永磁电机设计方法及方案，可促进永磁同步电机事业的发展，加快电动汽车替代燃油汽车的速度，实践意义重大。