10.16638/jki.1671-7988.2019.06.048
张兆峰1，赵振奎2，江郑龙2, 吕扬琳3
（1.上汽大通汽车有限公司，上海200438；2.上海众联能创新能源科技股份有限公司，上海200438；
3.上海赛湾化工有限公司，上海201615）
摘要：为解决驱动电机功率问题，在同电压、同材料、同定子外径下，分析了不同极槽配合的设计方案。针对不同的极槽配合车用驱动电机，利用有限元仿真软件进行电磁性能分析。通过空载和负载仿真计算对齿槽转矩、反电动势谐波、转矩、损耗、效率等性能进行数据对比，分析不同极槽配合的优劣，为车用驱动电机开发设计者提供参考依据。
关键词：极槽配合；车用驱动电机；电磁性能分析
中图分类号：TM351 文献标志码：A 文章编号：1671-7988(2019)06-139-04
Performance Analysis of Motor Driven Motor with Different Pole-Slot Combination Zhang Zhaofeng1, Zhao Zhenkui2, Jiang Zhenglong2, Lv Yanglin3
( 1.SAIC MAXUS Automotive Co., Ltd., Shanghai 200438; 2.Sina-Newchance New Energy Technology Corp., LTD., Shanghai 200438; 3.Shanghai Sunway Chemical Co., Ltd., Shanghai 201615 )
Abstract: In order to solve the problem of driving motor power, different pole-slot combination design schemes are proposed under the same voltage, same material and same stator outer diameter. According to different pole-slot combination motor for vehicle, the electromagnetic performance analysis is carried out by using finite element simulation software. The cogging torque, back EMF harmonic, torque, loss, efficiency and other performance data are compared through no-load and load simulation calculation. The advantages and disadvantages of different pole slot matching are analyzed, and the reference basis to the development of the automobile drive motor is provided for designers.
Keywords: pole-slot combination; vehicle driven motor; electromagnetic performance analysis
CLC NO.: TM351 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)06-139-04
引言
永磁电机具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、效率高等优点，被越来越广泛应用于航空航天、机器人、电动汽车等领域[1-3]。伴随着汽车快速的发展，环境污染和能源消耗成为当今社会的两大问题，大规模生产电动汽车必将成为汽车行业发展的趋势[4]。然而永磁同步电机在汽车领域中最有优势，必然成为车用驱动电机的发展方向。
由于车用驱动电机的要求越来越高，如：效率高、齿槽转矩小、转矩波动小、振动噪音小等要求，因此在设计车用驱动电机时，选择合适的极槽配合对车用驱动电机的性能有着较大的影响[6]。目前国内外对分数槽永磁同步电机的研究比较多，但是针对同一款车用电机的设计指标去分析不同极槽配合还是较少。本文以一台额定功率为20KW、额定转速为3500rpm，自然风冷为例，在同电压、同材料、同定子外径下，分析36槽6极、36槽8极、48槽8极结构，进行仿
作者简介：张兆峰(1982-)，男，就职于上汽大通汽车有限公司，
任新能源供应商质量管理经理，目前主要从事新能源动力电池、电
驱系统、电控系统等质量管理工作。
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汽车实用技术
140 真分析对比，提出合适的结构方案对后续开发者提供参考依据。
1 车用驱动电机参数指标
1.1 主要性能参数
车用驱动电机性能指标如表1所示。根据性能指标，选择了36槽6极、36槽8极、48槽8极三种极槽配合。
表1 车用驱动电机的性能指标
1.2 绕组形式
单层绕组嵌线比较方便，且没有层间绝缘，故槽内空间的利用率较高；由于常用的单层绕组的短矩系数等于1，因此磁场波形较差，高次谐波磁场较强。双层绕组槽内需设置层间绝缘，因此槽内空间的利用率较低，但可以采用短矩绕组，选择合适的短距系数，使高次谐波磁场削弱，来改善电动势和磁动势的波形，并且有利于散热和增加机械强度[4]
。本文绕组方式选用双层绕组。 1.3 齿槽转矩
齿槽转矩是永磁电机的固有特性。永磁电机的齿槽转矩是电机绕组不通电时永磁体和铁心之间相互作用产生的转矩，是由永磁体与电枢齿之间相互作用力的切向分量引起的[3]。
齿槽转矩会引起永磁电机的转矩脉动，进而导致速度波动；也会使电机产生振动和噪声，当脉动转矩的频率与电枢电流谐振频率一致时，会产生共振，势必会放大齿槽转矩的振动和噪声；严重影响电机的定位精度和伺服性能，尤其在低速时影响更为严重[5]。在车用驱动电机中，对电机的振动噪声要求越来越高，因此有必要削弱齿槽转矩，降低振动噪音。
齿槽转矩是周期性变化的，变化的周期数取决于极数和槽数配合。根据齿槽转矩的表达式可以看出，周期数(为极数、槽数和极数最大公约数的比值)越多，齿槽转矩越小。本文36槽6极、36槽8极、48槽8极结构的周期数分别为1、2、1；初步判断36槽8极结构的齿槽转矩小，即分数槽可以有效削弱齿槽转矩。 1.4 谐波分析
当交流绕组与磁场有相对运动时，在绕组中将产生感应电动势；当交流绕组中流过电流时，在绕组周围将产生磁场。磁场的波形往往是非正弦的周期函数，除了正弦波形的基波还有一系列的谐波[4]。由于谐波会引起损耗增大、效率降低、温升增高，从而降低了电机的性能。因此在设计电机时必须尽可能的削弱电动势中的高次谐波。削弱电动势的谐波方法很多，其中包括选择合适的极槽配合。
2 车用驱动电机有限元分析
根据上述的性能参数和理论分析，对不同极槽配合的电磁方案进行有限元计算，通过空载和负载下分析齿槽转矩、反电动势谐波、转矩、损耗、效率等。本文采用单元电机模型，简化计算模型。建立2D 单元电机仿真模型，如图1所示。
(a) 36槽6极单元电机模型 (b) 36槽8极单元电机模型
(c) 48槽8极单元电机模型
图1 单元电机模型
2.1 空载特性
2.1.1 空载磁密云图和磁力线
(a) 36槽6极
(b) 36槽8极
(c) 48槽8极 图2 磁密云图和磁力线
在空载下通过查看磁力线，可以初步判断电机的磁路是否正确，电机的充磁方向以及绕组绕线是否正
确，并可以看出漏磁通多少。在设计中尽量减少漏磁通，增加主磁通，提高电机性能。通过空载磁密云图，可以看出定子、转子铁芯内磁密都在正常范围内，只有在转子轭部隔磁桥上磁密较大，
张兆峰 等：不同极槽配合对车用驱动电机的性能分析
141
达到了2.2T ，趋近于饱和状态。然而在转子轭部隔磁桥处饱和，可以阻止磁路，减少漏磁通，是有利于电机性能，其中隔磁桥长度需要综合考虑机械强度及对电磁性能的影响来选择尺寸。如图2所示。
2.1.2 齿槽转矩
如图3所示为36槽6极、36槽8极、48槽8极三种方案两个周期的齿槽转矩图。三种方案的齿槽转矩峰峰值分别为6Nm ，0.287Nm ，7.23Nm ，分别各占额定转矩的11%，0.5%，13%。通过计算可以得出36槽8极的齿槽转矩小。齿槽转矩的优化可以减少电机的转矩脉动、振动噪音，运行稳定。
(a) 36槽6极
(b) 36槽8极上汽汽车
(c) 48槽8极
图3 齿槽转矩图
2.1.3 气隙磁密和反电动势
(a) 36槽6极
(b) 36槽8极
(c) 48槽8极
图4 气隙磁密
通过有限元软件分析得到空载下的气隙磁密、反电动势波形和各次谐波幅值，如图4、5、6所示。通过图4可以看出，气隙磁密波形出现了“尖峰”、“凹谷”，不平滑，正弦性比较差，谐波含量较大。36槽6极和36槽8极的气隙磁密波形比48槽8极的气隙磁密波形接近正弦波。通过图5、图6可以看出，48槽8极的正弦性比其他两种方案好，谐波次数含量也小。36槽6极、36槽8极和48槽8极三种方案经过傅里叶变化得到正弦波形畸变率分别为6%、3.8%、1.6%。通过上述分析，选择合适的极槽配合可以改善气隙磁密、反电动势波形，有利于改善电机空载特性。
(a) 36槽6极
(b) 36槽8极
(c) 48槽8极
图5 反电动势波形
(a) 36槽6极 (b) 36槽8极
(c) 48槽8极
图6 反电动势谐波图
2.2 负载特性
通过激励电压源加载，设置功率角，通过有限元计算出额定转矩及峰值转矩，如图7、8所示。通过图7、8可以看出，36槽8极比36槽6极、48槽8极的转矩脉动小，说明
汽车实用技术
142 36槽8极极槽配合好。
(a) 36槽6极
(b) 36槽8极
(c) 48槽8极
图7 额定转矩图
(a) 36槽6极
(b) 36槽8极
(c) 48槽8极
图8 峰值转矩图
3 结论
基于电机理论和电磁场仿真分析，对三种极槽配合的车用驱动电机计算，做出对比表如表2所示。
表2 性能对比表
通过表2数据对比可知：
基于同电压、同材料、同定子外径下，三种极槽配合的方案基本满足了设计要求。由于极槽配合的不同，在空载反电动势、齿槽转矩，损耗会有些差异，其中分数槽的齿槽转矩、损耗和效率比其它两种方案好点。因此在车用驱动电机
设计中，要综合考虑极槽配合，选择合适的极槽配合来设计电机。
参考文献
[1] 唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社, 1997. [2] 陈俊峰.永磁电机[M].北京：机械工业出版社,1982. [3] 王秀和.永磁电机[M].北京：中国电力出版社,2007. [4] 许实章.电机学[M].北京：机械工业出版社,2007.
[5] 曹翼，李光耀.不同极槽配合永磁伺服电机的电磁性能分析和比较
[J].电机与控制应用,2015,42（11）: 21-26.
[6] 徐重鹤，张炳义不.同极槽配合内置永磁电机转矩性能研究[J].微
电机,2017, 50（4）: 1-5.
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