電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)的選型研究

李周清，李婷婷，紀(jì)小莊

(1.華域汽車(chē)電動(dòng)系統(tǒng)有限公司，上海201202;2.上海捷能汽車(chē)技術(shù)有限公司，上海201804)

0 引 言

改革開(kāi)放30 年來(lái)，中國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展取得了舉世矚目的成績(jī)，但粗狂式的發(fā)展模式不可避免地帶來(lái)了自然資源枯竭和環(huán)境惡化的后遺癥。為改善這一現(xiàn)狀，國(guó)家的在汽車(chē)行業(yè)推出了863 計(jì)劃。在此政策的支持下，傳統(tǒng)汽車(chē)企業(yè)在新能源領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。Start_Stop 技術(shù)、BSG 技術(shù)、增程器技術(shù)、純電動(dòng)技術(shù)等在汽車(chē)上逐步應(yīng)用。這些技術(shù)要實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果無(wú)非是從兩方面著手:一方面，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配合燃油系統(tǒng)工作，減少燃油使用量;另一方面，直接使用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，不使用燃油。這樣電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成為新能源汽車(chē)節(jié)能的關(guān)鍵部件。

眾所周知，車(chē)用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要分為直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)4 大類(lèi)。

直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在早期的電動(dòng)汽車(chē)研發(fā)中使用過(guò)。它具有起動(dòng)力矩大、運(yùn)轉(zhuǎn)平順、控制系統(tǒng)較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但采用了換向器和電刷，致使電機(jī)在使用維護(hù)性、過(guò)載能力、電機(jī)轉(zhuǎn)速不能過(guò)高等方面受到限制。在目前新研制的電動(dòng)汽車(chē)上已基本不再采用。

交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在傳統(tǒng)工業(yè)上應(yīng)用較多，其功率覆蓋寬廣、工藝成熟、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，維護(hù)簡(jiǎn)單方便，可靠性高。但缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)復(fù)雜、效率及功率密度偏低;同時(shí)控制系統(tǒng)成本過(guò)高，這樣導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)成本相對(duì)較高。典型應(yīng)用案例為特斯拉電動(dòng)跑車(chē)，它極大地改變了眾人對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的偏見(jiàn)。同時(shí)對(duì)應(yīng)那些有足夠的布置空間的公交汽車(chē)來(lái)說(shuō)，也有較普遍的應(yīng)用。

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)是一種有巨大開(kāi)發(fā)潛力的新型電動(dòng)機(jī)。其顯著特點(diǎn):結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，基本不需要維護(hù)且可靠性好;電機(jī)可以運(yùn)行極高轉(zhuǎn)速，不存在高轉(zhuǎn)速下對(duì)控制器件的耐壓沖擊;電機(jī)整體效率介于交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)與永磁同步電動(dòng)機(jī)之間，在寬廣的轉(zhuǎn)速范圍仍可以保持高效率，同時(shí)還不需要使用價(jià)格昂貴的稀土材料。其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大、噪聲大等。

永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛。系統(tǒng)效率高、高效率區(qū)間覆蓋寬、振動(dòng)和噪聲低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是需要使用稀土材料，稀土是國(guó)家戰(zhàn)略資源，其成本波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)較大。目前市場(chǎng)主流開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品中，應(yīng)用它的車(chē)型有通用Volt、日產(chǎn)Leaf、豐田Prius 和Lx200、寶馬i8、上汽E50、比亞迪“秦”和電動(dòng)大巴K9 等。

隨著大量研發(fā)資金的投入，相信在不久，將會(huì)有更多的企業(yè)推出使用永磁同步電動(dòng)機(jī)的新能源汽車(chē)。據(jù)了解，在批量生產(chǎn)的電動(dòng)汽車(chē)中，純電動(dòng)汽車(chē)大多采用經(jīng)典的48 槽8 極永磁同步電動(dòng)機(jī)，圓漆包線工藝，工藝成熟可靠。例如Prius 2010 版、日產(chǎn)Leaf、比亞迪“秦”等驅(qū)動(dòng)電機(jī)。那么是否還有更優(yōu)的方案呢?本文主要分析了永磁同步電動(dòng)機(jī)槽極配合、圓漆包線或扁漆包線工藝對(duì)電機(jī)性能的影響。

1 設(shè)計(jì)選型

為便于比較，我們以永磁同步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子永磁體內(nèi)置式結(jié)構(gòu)為分析對(duì)象，性能目標(biāo)如下:

額定電壓DC 320 V;持續(xù)功率35 kW;持續(xù)扭矩80 N·m;峰值功率65 kW;峰值扭矩150 N·m;最高工作轉(zhuǎn)速10 000 r/min;最高空載反電動(dòng)勢(shì)＜530 V(峰值);最大相電流＜380 A(均方根);

表1 主要尺寸

選取4 個(gè)方案，便于比較，設(shè)計(jì)時(shí)首先限定電機(jī)線電阻、定子每相串聯(lián)匝數(shù)、永磁體用量相同，同時(shí)盡量使空載反電動(dòng)勢(shì)相近。

方案1:36 槽8 極，內(nèi)置式復(fù)合V 型磁鋼，定子線圈采用圓漆包線，如圖1 所示。

方案2:經(jīng)典的48 槽8 極，內(nèi)置式復(fù)合V 型磁鋼，定子線圈采用圓漆包線，如圖2 所示。

方案3:72 槽8 極，內(nèi)置式復(fù)合V 型磁鋼，定子線圈采用扁銅線結(jié)構(gòu)，繞組半極式Y(jié)9，如圖3 所示。

圖1 36 槽8 極圖

圖2 48 槽8 極圖

方案4:48 槽8 極，內(nèi)置式V 型磁鋼，定子線圈采用圓漆包線，繞組整極式Y(jié)8，如圖4 所示。

圖3 72 槽8 極(Y9)半極式

圖4 72 槽8 極(Y8)整極式

轉(zhuǎn)子形狀均采用復(fù)合V 型，如圖5 所示。特征在于每極上由V 型磁鋼和“一”字型磁鋼組成。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于磁阻力矩較大，有利用電機(jī)的弱磁調(diào)速。

圖5 轉(zhuǎn)子復(fù)合V 型

2 性能參數(shù)仿真計(jì)算

2.1 反電動(dòng)勢(shì)

由永磁同步電動(dòng)機(jī)理論可知，空載反電動(dòng)勢(shì)E0［1］可以表示:

式中:f 為電頻率;kdp為繞組系數(shù);N 為每相串聯(lián)匝數(shù);φ10為空載基波磁通量。

運(yùn)用Maxwell 軟件，分別計(jì)算出4 個(gè)方案在10 000 r/min 時(shí)的空載反電動(dòng)勢(shì)值。

圖6 空載反電動(dòng)勢(shì)

4 個(gè)方案的空載反電動(dòng)勢(shì)FFT 分析后，可得出可諧波含量，如表2 所示。

由上述分析可知，72 槽8 極(Y8)反電動(dòng)勢(shì)正弦度最高，其次是48 槽8 極，36 槽8 極，72 槽8 極(Y9)。

表2 各方案空載反電動(dòng)勢(shì)FFT 分析

2.2 齒槽力波

利用轉(zhuǎn)子分段斜極技術(shù)，可以明顯減小齒槽力矩波動(dòng)，目標(biāo)轉(zhuǎn)子均分兩段斜一個(gè)定子齒距。4 個(gè)方案的齒槽力矩均小于0.1 N·m，均較理想。

2.3 短路電流

短路電流值與磁鏈、電阻、電抗有關(guān)。設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)定固定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，永磁體溫度為20℃，計(jì)算出的4 個(gè)方案的短路電流值相近，在240 ～260 A(均方根)之間變化。

2.4 電機(jī)的溫升

溫升由兩個(gè)因素決定:發(fā)熱量和散熱結(jié)構(gòu)。在電磁設(shè)計(jì)時(shí)，可以用發(fā)熱因子來(lái)對(duì)比不同方案的發(fā)熱量，4 個(gè)方案在不同負(fù)載下的發(fā)熱因子如表3 所示。

表3 各方案的發(fā)熱因子

上述仿真結(jié)果，可以從原理上進(jìn)行解釋。72 槽8 極(Y8)因采用扁銅線繞組結(jié)構(gòu)，可以布置更多的銅繞組，因而它的熱負(fù)荷最小。72 槽8 極(Y9)雖然采用扁銅線，但采用半極式，繞組利用率低，抵消了扁銅線的優(yōu)勢(shì)，使得熱負(fù)荷要高于48 槽8 極的圓銅線方案。

對(duì)于散熱結(jié)構(gòu)，4 個(gè)方案采用相同的冷水式機(jī)殼。扁銅線繞組結(jié)構(gòu)和圓銅線繞組結(jié)構(gòu)在導(dǎo)熱性能上有一定差異。利用ANSYS 進(jìn)行熱仿真，結(jié)果如圖7、圖8 所示，冷卻系統(tǒng)輸入條件:75℃，冷卻液流速8 L/min，電機(jī)損耗保持一致。從仿真結(jié)果可知，圓銅線的繞組平均溫升為133℃;扁銅線的繞組平均溫度為121℃。可判定出扁銅線的散熱效果要明顯高于圓銅線。

圖7 圓銅線繞組溫度圖

圖8 扁銅線繞組溫度

2.5 效率map

電機(jī)效率由輸出功率與損耗解決。損耗主要由機(jī)械損耗、鐵耗、銅耗、雜散損耗組成。

仿真時(shí)，4 個(gè)方案的機(jī)械損耗和雜散損耗設(shè)置相同值，因其值較小，對(duì)效率的影響幾乎可以忽略。四個(gè)方案的效率map，如圖9 所示。72 槽8 極(Y8)效率最高，96%的效率區(qū)域較大，且90%的效率區(qū)域占整個(gè)工作區(qū)比重超過(guò)80%。其次是48 槽8極，72 槽8 極(Y9)，36 槽8 極最低。

圖9 效率map 圖

2.6 負(fù)載反電動(dòng)勢(shì)

在理想狀態(tài)下，電機(jī)采用SVPWM 控制方式，可得到標(biāo)準(zhǔn)的正弦波電流。仿真時(shí)，輸入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦電流，檢測(cè)出負(fù)載反電動(dòng)勢(shì)，可以利用檢測(cè)出負(fù)載反電動(dòng)勢(shì)波形評(píng)估磁場(chǎng)諧波含量。36 槽8 極的齒諧波為17 次和19 次，;48 槽8 極的齒諧波為11和13 次，;72 槽8 極的齒諧波17 次和19 次。此類(lèi)電機(jī)弱磁深度越大，波形畸變也嚴(yán)重。

圖10 負(fù)載反電勢(shì)

2.7 電磁力波

根據(jù)麥克斯韋張力理論，電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中電樞會(huì)受到磁拉力，它可以分解成徑向分量和切向分量。徑向分量使電樞鐵心產(chǎn)生振動(dòng)，它是電磁噪聲的主要來(lái)源;而切向分量使定子齒根產(chǎn)生振動(dòng)變形，它也是產(chǎn)生電磁噪聲的另一來(lái)源。除此之外，在分析電磁噪聲時(shí)，還需對(duì)電樞進(jìn)行模態(tài)分析，但本文中不做詳細(xì)分析。

根據(jù)電磁理論，電機(jī)磁場(chǎng)氣隙中單位面積的徑向力電磁力［2］:

式中:Bμ為轉(zhuǎn)子建立的μ 次諧波磁密;Bν為定子建立的ν 次諧波磁密;r =μ ±ν 為力波的次數(shù)，也稱(chēng)為r 階次力波。電磁振動(dòng)是由這些旋轉(zhuǎn)力波產(chǎn)生的。電磁振動(dòng)和噪聲除了與力波的幅值大小有關(guān)，還與力波的階次數(shù)有關(guān)。力波的階次數(shù)越小則電樞變形就越大，所引起的振動(dòng)就越大，通常電樞振動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)形變的振幅與r4成反比。

2.7.1 徑向力波

結(jié)合上述理論的分析，對(duì)四個(gè)方案的額定負(fù)載下的徑向力波分析。36 槽8 極存在明顯的4 階力波，如圖11(a)所示，這可能會(huì)引起高頻噪聲。48槽8 極階次力波相對(duì)較好，在8 階力波中主要含有12 倍頻的力波，如圖11(b)所示。72 槽8 極的Y8比Y9 力波高頻次含量要少，力波振幅度變化較小，如圖11(c)和圖11(d)所示。72 槽Y8 和Y9 方案因?yàn)樵鰪?qiáng)了氣隙的磁密，其0 階和8 階的徑向力波會(huì)比其他兩個(gè)方案稍高，考慮到徑向力波的階次因數(shù)，綜合比較來(lái)看，72 槽8 極Y8 和48 槽8 極的振動(dòng)和噪聲會(huì)更低。

圖11 徑向力波

2.7.2 切向力波

為便于分析，以1 個(gè)齒部單元為分析對(duì)象。電機(jī)運(yùn)行在一定條件下，取一個(gè)電周期下的切向力，如圖12 所示。從仿真結(jié)果來(lái)看，電樞齒上的切向力均主要含有常數(shù)量、2 倍頻、4 倍頻和8 倍頻分量，其中常數(shù)量和2 倍頻占比量較大。四個(gè)方案的齒部切向力差異較小，所以在做選型設(shè)計(jì)時(shí)，若把電機(jī)的振動(dòng)噪聲作為重要選項(xiàng)，則主要分析徑向力的作用效果，切向力只作為參考項(xiàng)即可。

圖12 各方案的齒部切向力

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，4 個(gè)方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，主要著重從以下幾個(gè)方面比較。

(1)效率角度:72S8P(Y8)和48S8P 效率基本相同，高于72S8P(Y9)和36S8P。

(2)從徑向力波角度:48S8P 最好，其次為72S8P，最后是36S8P(含4 階的力波，不容忽視)。

(3)從負(fù)載反電勢(shì)角度:48S8P 諧波含量較大，波形畸變最嚴(yán)重。

(4)從溫升角度:72S8P(Y8)方案發(fā)熱因子小，且72S8P 兩種方案采用扁銅線繞組，導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)高于圓銅線繞組，電流相同的情況下溫升較低，效率較高，溫升相同時(shí)72S8P 的功率和扭矩密度要高于其他兩方案。

(5)從制作工藝角度:72S8P (Y8)因帶過(guò)橋線，制作較72S8P(Y9)困難。

在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速要求不高的產(chǎn)品，可以優(yōu)先選擇36 槽8 極。因?yàn)樗? 階力波的固有頻率較高，只有當(dāng)電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)才有可能產(chǎn)生高頻電磁噪聲，當(dāng)電機(jī)低速運(yùn)行，噪聲將很小;同時(shí)因采用了短距繞組，還可以節(jié)省漆包線用量。對(duì)于高速電機(jī)，若產(chǎn)品對(duì)價(jià)格和初始生產(chǎn)投入資金較為敏感，推薦選用48 槽8 極。對(duì)產(chǎn)品性能和一致性要求苛刻的客戶，推薦選用72 槽8 極扁銅線繞組。

［1］ 唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［2］ 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［3］ 陳永校，諸自強(qiáng)，應(yīng)善成. 電動(dòng)機(jī)噪聲的分析和控制［M］. 杭州:浙江大學(xué)出版社，1987.