永磁同步电机在新能源车上的应用

何万青

摘 要：当前，能源问题和环境保护问题已成为影响经济社会发展的关键因素，而节能减排正是有效缓解问题并避免相关问题持续扩大的重要举措。在这样的背景之下，新能源汽车产业得以迅猛发展。新能源汽车的动力主要来自于驱动电机，且对新能源车的安全稳定有着一定影响，因此选用高效稳定的驱动电机显得尤为关键。而永磁同步电机因其具备较高的运行效率、较大的转矩密度以及高速运行状态下较为稳定的特点，被广泛应用在新能源汽车的设计制造之中。基于此，本文首先分析了新能源汽车对电机性能的要求以及性能参数选用的原则，之后对永磁同步电机的结构及工作原理进行了简要概述，随后分析了永磁同步电机在新能源车上的应用设计，最后对新能源车中对永磁同步电机的控制进行了分析，以期为相关人员提供一些参考帮助。

关键词：永磁同步电机 新能源车 应用

1 引言

新能源车的种类有许多，如果以驱动能量来源进行划分，那么可以分为纯电动、燃料电池以及混合动力三种，其中最重要的构件有驱动电机、动力电池以及能量转换控制系统。而永磁同步电机作为驱动电机的一种，其在性能方面如效率、功率密度、转矩密度等都相较于其他驱动电机更具优势，因此永磁同步电机在新能源车上的应用极具实际意义。

2 新能源汽车对电机性能的要求以及性能参数选用的原则

电机是新能源汽车的驱动核心，在新能源汽车整体的驱动系统中占据着极为关键的重要地位。因此，要求电机性能能够满足频繁启停、频繁加减速以及在低速状态下或是爬坡状态下能够产生较大的扭矩输出，也要保证在高速行驶状态下保持较低的扭矩输出，同时需要具有一定的变速能力[1]。电机性能主要涉及其类型、运转效率、规格尺寸以及机械特性等内容。

新能源汽车对电机性能参数的选用原则主要有以下几个方面：第一，高电压。在保证电压管控合理的前提下，应能采用高电压进行电流输入，以降低在电流传输过程中出现的电流损耗以及电功能性损耗，提高电机运行效率，同时能够有效缩小逆变器的规格尺寸，从而提高新能源汽车电力驱动系统设计的灵活性和和美观性。第二，质量轻。新能源汽车电机的整体质量应处于较为轻便的状态，一方面可有效减轻整车的质量，保证新能源汽车行驶的便捷性，有助于提高整车的可控变速范围；另一方面可便于对电机进行维修养护，提高新能源汽车保养工作效率。第三，效率高，新能源汽车最为关键的就是其续航能力。电机应在保证其运转安全的前提下，将电力能源利用率实现最大程度上的有效提高，为保证新能源汽车的行驶里程提供动力支持，同时电机应具备能量回回收的功能，且回收的能量至少应占总储存能量的10～20%，从而充分保障新能源汽车的续航能力。

3 永磁同步电机概述

3.1 永磁同步电机的结构

永磁同步电机的主要结构包括定子、转子等构件[2]。定子与一般电机基本一致，主要由三相绕组、电机机座以及电枢铁心共同组成。根据永磁体所处位置的不同，转子一般有表面式以及内置式两种形式。表面式又分为表面突出式和表面嵌入式两种，如图1、图2所示，其中1为永磁体，2为转子铁心，3为转轴。

内置式转子结构的永磁体被设置在转子铁芯之中，包括有混合式、切向式以及径向式三种，如图3、图4、图5所示，其中1为永磁体，2为转子铁心，3为转轴。

3.2 永磁同步电机的工作原理

交流电经过定子后产生旋转磁场并吸引转子磁场，而转子磁场就是定子磁场带动转子的旋转[3]。新能源汽车中所使用的大部分永磁同步电机为内嵌式同步电机。内嵌式同步电机实现了在最大程度上对磁阻转矩的有效利用，而这正是选用它的主要原因。磁阻转矩对电机系统的影响是相同的电机电磁场情况下，同样的扭矩可以减少电流电流释放量，这样可有效提高发动机的在低速和高扭矩状态下的运行效率，并减少部分控制器组件，有助于降低电机系统的成本。当控制器硬件条件一致的情况下，相对低磁阻转矩电机而言，高磁阻转矩电机可具有更高带速，有助于在电机高速小转矩的状态下提高运转效率和转速范围并改善电磁产生的噪声影响，永磁同步电机构成图如图6所示。

3.3 永磁同步电机的优势性能

可借助与直流牵引电机的性能对比分析，有效展现永磁同步电机在新能源汽车应用方面的性能优势。第一，安全性对比分析。直流牵引电机的制动功能主要借助机械摩擦实现，制动反应的时间及距离都较长；永磁同步电机的制动功能主要借助电气制动实现，制动反应时间短。当直流牵引电机与永磁同步电机处于相同状况下，永磁同步电机能够在短时间、短距离内有效完成迅速制动，因此，永磁同步电机的安全性能更好。第二，可靠性对比分析。直流牵引电机的内部结构更为复杂，电机线圈极易因温升发热而受损，且直流牵引电机的故障率普遍较高，可靠性偏低；永磁同步电机的线圈主要选用的是硅钢片以及稀土材料，电机线圈不会轻易因温升发热而受损，且永磁同步电机的使用故障率相较于直流牵引电机更低，因此永磁同步电机的可靠性更高。第三，调速性能对比分析。直流牵引电机的运转效率易受到载具承载情况的影响，如果处于下坡轻载运行的状态，那么交易出现飞车的安全事故，影响行驶安全；永磁同步电机的运转效率主要依靠的是无级调速，整体调速过程较为平稳顺畅，且可以限制电机的最高运转速度，因此即使处于下坡轻载的状态时也不会轻易出现飞车一类的安全事故，可有效保障行驶安全。由上述对比分析可知，永磁同步电机相较于一般的传统异步电机具有更加优秀的性能表现。因此，在新能源汽车领域中对永磁同步电机的应用进行研究是非常必要的。

4 永磁同步电机在新能源车上的应用设计要点

4.1 电机定子结构设计

长径比选用。在永磁同步电机设计的过程中，合理的长径比可有效提高电机的功率密度，即当电机长径比增加且电机体积增大时，设转子体积保持不变，则转子的转动惯性将会降低，此时增加电机的用铜量，则电机的功率密度将会得到提高[4]。极对数选用。在电机槽机比固定不变的情况下，若增加电机极对数数量，则电机定子铁心的用鐵量将会减少，随之电机整体的体积也会缩小，同时电机需要输入的电流频次也会增加，且电机铁耗也会因电流输入频次增加而增加，最终导致电机运行效率被迫降低。由此可知，在永磁同步电机设计中应合理选用极对数，以此保证电机的功率密度。电负荷选择。当电机热负荷处于固定范围时，若电负荷增加，则电机转子的体积逐渐缩小，所产生的转动惯量也会减少，且定子外径会先缩小而后扩大，此时电机的用铜量需要持续增加。因此，将电机电负荷控制在合理范围之内，同时综合考量电机的铁心质量以及实际用铜量，才能提高电机的设计质量并为有效提高电机功率密度打下基础。定子槽型选择。在对电机定子槽型构件进行设计时，因定子磁路并没有磁密奇点，故为平衡定子各个位置的磁密分布并最终形成分散匀称的旋转磁场，需要优化定子轭部及齿部与轭部在连接处的磁路分布，改善该位置的绕组漏感，同时便于安置已成型的绕组。

4.2 电机转子结构设计

电机气隙长度选择。从永磁同步电机的电磁性能来看，当气隙长度越短，电机功率的因数将会变大，电机运转效率和转矩密度均会增加，且电机弱磁调速的范围将会变宽，但在这样的情况下也极易出现振动噪声。若电机气隙长度持续变小，则难以有效保障电机实际运转过程中的同轴度和可靠性，同时也会增加电机装备工作的困难程度[5]。因此，在对电机气隙进行设计选择时，应综合考虑包括电机振动噪声、气隙磁密、装备工作难度以及实际制造成本等相关因素，以此确保电机转子结构设计以及制造的合理性。永磁体分布形式选择。在对永磁体分布形式的设计中，可结合有限元仿真软件对设计进行仿真分析，通过分析可知，V型内置式分布的永磁体布局结构相较于其他而言，其利用效益最佳，可使永磁体的励磁有效集中并减少漏磁，同时结合高速低转矩的设计，可使电机转子每机的空间变大并大幅提高交直轴电感，即使是在较高转速的情况下，可依然输出较大的运行功率。转子表面气隙结构设计。为保障永磁同步电机的转矩运转稳定，需要对气隙磁密波形中谐波含量较多的问题予以有效处理，降低该问题对转矩脉动、振动噪声以及电机运轉效率的影响，确保气隙磁密和反电势正弦性的稳定。

4.3 电机温升与振动噪声

电机温升。电机电磁的设计需要基于电机的温升阈值进行明确，包括对电机各构件的规格尺寸确定，电机温升同时也是影响电机输出转矩限制的重要因素之一。在对电机进行设计时，可利用ANSYS软件，对电机升温情况进行仿真验证，分析电机额定参数下，绕组、转速空载定子铁心以及电机额定负载时的电机定子温度分布情况，可通过优化电机各构件的材料、规格以及结构，设计调整电机机壳外表结构，同时选用较高性能的电机冷却方式，以此达成降低电机温升的目标。电机振动噪声。电机噪声通常是由磁通的振荡而出现的，由于永磁同步电机的磁极分布较为集中且密集，当磁拉力和集中力在相互作用时，电机的座体就会出现振动。可通过对磁极系数和转子磁极形状的设计调整缓解磁通振荡以及振动产生的电磁力。

5 新能源车中对永磁同步电机的控制

5.1 矢量控制

矢量控制是以电机转子磁链的旋转空间矢量当作参考标准，同时将定子电流当作两个互相正相交的分量，即一个与磁链方向类似，展示定子电流激励分量，另一个与磁链方向为正。交点阐释定子电流转矩分量须独自把控。永磁同步电机转速与工频严格同步，转差率一直是零，控制能力受转子参数的影响效果偏差，矢量控制在永磁同步电机上更容易得到有效反馈。因为把控结构不复杂，控制软件容易达到，在调速网络里有普遍的利用空间。

5.2 直接转矩控制

直接转矩控制在矢量控制中不需要旋转坐标变换和转子磁链，转矩把电流替换成被控对象。电压矢量是控制网络里独立的输入。电压矢量直接控制转矩于磁链的提高或者降低。控制构成不复杂，受电机参数变化的影响，可实现优良的动态性能。由于直接转矩控制需要结合电动汽车运行过程中复杂的工况，直接转矩控制难以应用于电动汽车驱动控制系统。

5.3 恒压频比开环控制

恒压比开环控制的损耗属于电机的外部损耗，即电压与频率。首先，控制系统将额定标准电压与频率传输至完成控制活动的逆变调节器中，然后，逆变器出现一个交变正弦电压并作用在电机的定子绕组，确保定子在预设的电压和频率下开始运行。恒压频比开环控制操作简单方便，速度主要由工频进行控制。但是，恒压频比开环控制未能加入转速、位置等反馈信号，无法及时获取到电机的具体情况，难以保证电磁转矩的高精准性。此外，恒压频比开环控制缺乏快速的动态回应特征，控制水平偏低。

6 结语

本文通过介绍新能源汽车对电机性能的要求以及选用电机的参数原则，从永磁同步电机的结构、工作原理以及性能优势等方面分析新能源汽车应用永磁同步电机的实际价值，明确了永磁同步电机与其他一般的传统异步电机相比在安全性、可靠性以及调速性能方面更具性能优势；随后从电机定子结构、电机转子结构以及电机温升和振动噪声等方面分析了永磁同步电机在新能源汽车上的应用设计要点，探究了永磁同步电机定子、转子以及温升和振动噪声问题的优化方案；最后研究了新能源车中对永磁同步电机的控制措施。综上可知，永磁同步电机适用于对新能源汽车的设计以及制造，其在新能源汽车上有较好的应用前景。

参考文献：

[1]拜颖乾.永磁同步电动机在纯电动汽车上的应用研究[J].内燃机与配件，2020（1）：2.

[2]何锦军，孙宾.永磁同步电机在新能源汽车上的研究[J].科学与信息化，2018（8）：2.

[3]霍本杰，韦思如.新能源汽车中永磁同步电机技术的应用研究[J].装备制造技术，2019（1）：3.

[4]韩新江.新能源汽车永磁同步电机及控制系统的设计应用研究[J].时代汽车，2017（7）：2.

[5]葛亮.基于永磁同步电机的新能源汽车控制系统研究[J].2020.