電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

陸海斌，錢(qián) 勝，柴召亮

（1.長(zhǎng)安輕型車(chē)研發(fā)中心，河北 定州 073000；2.北汽銀翔汽車(chē)有限公司，重慶 401520）

永磁同步電機(jī) （Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）作為電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)首選，因轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、體積小、效率高、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，迅速占領(lǐng)了新能源汽車(chē)市場(chǎng)，且市場(chǎng)占有率逐漸上升。電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展和強(qiáng)烈的需求刺激，迫使驅(qū)動(dòng)電機(jī)向高速化、輕量化、高效化等方向快速推進(jìn)。通過(guò)優(yōu)化電機(jī)功率密度，不僅滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高速化、輕量化、高效化需求，而且對(duì)PMSM產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)有重要的戰(zhàn)略意義［1］。

目前實(shí)現(xiàn)車(chē)用永磁電機(jī)的高功率密度有兩種方法：①提高電機(jī)轉(zhuǎn)速；②提高轉(zhuǎn)矩密度，但提高轉(zhuǎn)速帶來(lái)風(fēng)摩損耗過(guò)高、軸承潤(rùn)滑及壽命、噪聲等問(wèn)題，因此通過(guò)提高轉(zhuǎn)矩密度來(lái)提高功率密度成為很多廠家研究的重點(diǎn)［2］。

1 有限元電磁仿真

1.1 模型搭建

以一臺(tái)72槽12極永磁同步電機(jī)為例，使用motor-CAD建立其模型，通過(guò)E-mag模塊進(jìn)行電磁熱耦合分析。電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 仿真模型的參數(shù)

為了節(jié)省仿真時(shí)間，取電機(jī)一極為仿真模型并劃分網(wǎng)格，如圖1所示。

圖1 永磁同步電機(jī)模型

1.2 邊界定義

文獻(xiàn)［3］描述了永磁同步電機(jī)因鐵磁物質(zhì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣磁導(dǎo)率，電機(jī)定子軛邊緣雖有部分漏磁，但這部分衰減很快，且電機(jī)磁力線沿定子軛表面閉合，可取定子軛邊緣為零邊界，這在工程上近似合理。電機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，磁場(chǎng)沿周向周期變化。具有周期性條件，在相鄰兩極中心線上，磁力線垂直穿過(guò)，極間幾何中心線法線方向變化率為零，故選取一個(gè)極距進(jìn)行仿真。

1.3 空載仿真

永磁同步電機(jī)空載仿真如圖2所示，從磁密云圖和空載反電勢(shì)波形看出，電機(jī)所含諧波較少。

圖2 永磁同步電機(jī)空載仿真

1.4 負(fù)載仿真

從圖3可以看出，電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)選擇較合理，為了深究其材料的利用率和單位質(zhì)量的出力，在不改變電機(jī)有效體積的條件下進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)［4］

2.1 優(yōu)化設(shè)置

通過(guò)軟件E-mag模塊設(shè)置Optimisation自定義選項(xiàng)，提出了以下提高轉(zhuǎn)矩密度的優(yōu)化方法［5-6］，設(shè)定子外徑D1，定子內(nèi)徑Di1，定子軛部長(zhǎng)度為L(zhǎng)Dyoke，轉(zhuǎn)矩密度為ST，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，定義如下參數(shù)優(yōu)化范圍：

自定義選項(xiàng)設(shè)置如下：

Name：

ratio and geometry validity

圖3 永磁同步電機(jī)負(fù)載仿真

Exp：

（0.5＜（stator_bore／stator_lam_dia））and（（stator_bore／stator_lam_dia）＜0.8）

And

（（（stator_lam_dia-stator_bore）／2）-slot_depth）≥3

以原模型轉(zhuǎn)矩密度為基準(zhǔn)，取其倒數(shù)

自定義選項(xiàng)設(shè)置如下：

Name：

volume per torque

Exp：

1／torquepervolume

Optimisation選項(xiàng)中同時(shí)選擇（1）和（3）的自定義設(shè)置。

其中原始方案的轉(zhuǎn)矩密度值從圖3可看出 （torque per rotor volume）為72.977 kNm／m2。優(yōu)化仿真后得到的收斂結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化的收斂結(jié)果

2.2 幾何參數(shù)及模型分析

對(duì)比原始方案轉(zhuǎn)矩密度值可以看出，優(yōu)化方案計(jì)算結(jié)果更高，效果更好。取最優(yōu)結(jié)果方案與原始方案的對(duì)比參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 模型幾何參數(shù)差異對(duì)比

從圖4和表3可以看出，電機(jī)定子外徑略增大，定子內(nèi)徑稍有減小，氣隙稍有增加。

圖4 模型對(duì)比圖

2.3 額定工況性能參數(shù)分析

由表4可知，轉(zhuǎn)矩密度增大，電機(jī)效率變化不大，但仍然可達(dá)95%以上。最大扭矩稍增加。另外，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)更好。

不僅轉(zhuǎn)動(dòng)慣量性能有所增加，電機(jī)質(zhì)量也有所減小，如表6所示銅線繞組用量提升18.3%，鐵芯質(zhì)量提升6%。而其他部件，如永磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯用量都有所減少，電機(jī)總質(zhì)量減小了3.8%。

表4 額定工況性能對(duì)比

2.4 材料及成本分析

根據(jù)2016年2月硅鋼片、永磁體等材料報(bào)價(jià)，可估算出電機(jī)成本變化情況，詳見(jiàn)表5。

從表6可以看出，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，電機(jī)成本降低了1.54美元，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小、轉(zhuǎn)矩密度增大，電機(jī)總質(zhì)量減小，效率略小，綜合對(duì)比可知，該優(yōu)化方案比較優(yōu)良。

表5 零部件材料對(duì)比

表6 優(yōu)化后材料節(jié)省的成本

3 樣機(jī)測(cè)試

3.1 系統(tǒng)設(shè)備概述

試驗(yàn)臺(tái)總成如圖5所示，主要包括測(cè)功用負(fù)載電機(jī)、被試電機(jī)、過(guò)渡支撐及連接裝置、鑄鐵平板及各種工裝夾具；保障系統(tǒng)主要包括恒溫設(shè)備等；電控柜主要包括變頻逆變系統(tǒng)、電池模擬器；測(cè)試柜主要包括測(cè)功機(jī)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；測(cè)試儀器主要包括采集傳感器、電機(jī)測(cè)試用各種儀表、功率分析儀、示波器、信號(hào)發(fā)生器等。

3.2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

對(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)行樣機(jī)制作，并進(jìn)行了臺(tái)架測(cè)試。對(duì)溫升數(shù)據(jù)后處理并與仿真曲線對(duì)比如圖6所示。

從額定工況和峰值工況溫升曲線看，仿真曲線與實(shí)測(cè)曲線比較接近。測(cè)試了電動(dòng)和發(fā)電模式的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩效率MAP，如圖7所示。

從圖7看出，電機(jī)系統(tǒng)效率≥94%，得出了優(yōu)化方案的可行性。

圖5 電機(jī)系統(tǒng)臺(tái)架測(cè)試構(gòu)成

4 結(jié)論

本文利用有限元方法對(duì)車(chē)用永磁同步電機(jī)進(jìn)行了空載和負(fù)載性能仿真，利用Motor-CAD軟件E-mag模塊自定義優(yōu)化選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置并仿真，有限元計(jì)算得出的結(jié)果與原電機(jī)方案進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果來(lái)看，電機(jī)本體質(zhì)量有所減少，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，成本降低，轉(zhuǎn)矩密度有所增加，對(duì)方案優(yōu)化后的樣機(jī)進(jìn)行了臺(tái)架測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果為優(yōu)化方法提供了參考。

圖7 電機(jī)系統(tǒng)效率測(cè)試數(shù)據(jù)