电动汽车用永磁同步电动机设计及研究
发表时间：2018-03-13T16:26:08.477Z  来源：《电力设备》2017年第30期作者：赵建帮[导读] 摘要：伴随着世界经济的大踏步增长，人们生活水平得到提高的同时，对汽车的需求量迅速增加，汽车数量的增加导致石油和其它资源的消耗增加，同时汽车尾气的排气量迅速增加，致使资源和环境都受到了严重的影响。
（河北御捷车业有限公司河北邢台  054800）摘要：伴随着世界经济的大踏步增长，人们生活水平得到提高的同时，对汽车的需求量迅速增加，汽车数量的增加导致石油和其它资源的消耗增加，同时汽车尾气的排气量迅速增加，致使资源和环境都受到了严重的影响。节能减排早已成为社会各界共同探讨的热点，使用电能代替其他短缺能源已成为一种共识，相对于石油资源的消耗带来的影响，电能的产生方式多样，产量充足，覆盖面广，而且能源利
用率高，方便环保，所以电动汽车的研发是一种必然趋势。汽车电机
关键词：电动汽车；永磁同步电动机；场路耦合引言
随着全球能源和环境问题日益严峻，发展新能源汽车势在必行。永磁同步电动机具有体积小、高效率、高功率密度、低损耗等优点，在电动汽车驱动电机产品中受到广泛的青睐。作为电动汽车驱动系统的核心部
件，其性能的好坏直接决定了整车的性能。因此，精心设计性能优异的永磁同步电动机具有重要的现实意义和应用价值。
1 电动汽车用永磁同步电机的研究现状
电力驱动汽车用永磁电动机控制系统是目前电动机领域的热门课题，而且已经获得了一些研究成果。研究现状有以下几个方面：各类控制方法的研究，如矢量控制，直接转矩控制等；提高控制系统精确度，如通过改良位置检测传感器来提升系统精度；针对不同永磁电机及其拓扑结构采用不用的控制方法的研究，以此来达到提高电机的工作性能的目的；电机控制系统集成化，智能化，如改进控制系统的组成元件，如将DSP或FPGA等作为数据处理器大大提高了控制系统数据处理的能力；在电机控制应用各种控制策略，如模糊控制、神经网络控制、变结构控制、专家系统等；控制系统构成更加简单化，如不使用位置检测传感器的控制系统的研究。
2 电动汽车用永磁同步电动机设计        2.1 场路结合设计方法
电动汽车用永磁同步电动机的设计与传统工频设计方法不同，工频感应电机由于工况单一，电机设计主要依据电机在额定运行工作状态的性能计算来分析工作特性，所以通过经验公式就可以使得电机设计的精确度满足设计要求。但是永磁电机由于其永磁体排布、形状和尺寸随着电机的不同性能要求而变化，同时，电动汽车用永磁同步电机强调的是电机的区域性能、弱磁扩速比、最大转矩、最大输出功率、转
折转速、最大转速等，因此很难对经验系数进行选取，进而电机设计路算法的精确度不高，可能达不到设计要求，于是本文应用场路结合的方法来提高设计精度。
2.2 转子上加减重孔
对于电动汽车来说，汽车的重量与电能消耗量息息相关，电机的重量越小汽车的耗能量越低，这是提高汽车性能的重要途径，因此本文在电机转子上添加了减重孔。在转子上添加减重孔能够有效的提升电动机的某些特性。例如，提高了硅钢片的材料利用率，减重孔还可以当做转子的通风冷却口，提高了电机的冷却能力，减小了电机转子的转动惯量，从而提高了动态响应能力等等。但是，在设计减重孔的同时，还应该尽量降低其对电机磁场分布的作用。在转子的某些位置的气隙磁密较低，所以在这些位置添加转子减重孔对电机的磁场影响较小，能够保证电机性能不受到较大的影响。同时，在转子高速旋转时，相邻减重孔连接处以及减重孔与转轴间的连接处的机械应力较大，所以减重孔的设计也应该考虑机械强度的限制。
2.3 永磁同步电机的转子磁路结构的选取
永磁同步电动机的定子结构形式一般与常规异步电机基本相同，但电机的转子结构形式却多种多样不尽相同。永磁同步电机可分为表面式电机和内置式电机两种（按转子上永磁体的安装方式）。永磁同步电机的转子磁路结构的形式选择尤为重要，转子的机械强度也受电机的结构形式影响，不同的电机导致永
磁电机的磁路饱和程度不尽相同，对电机的输出特性、弱磁扩速能力影响很大。因此，综合考虑电机的结构，内置式永磁体结构优势在于：（1）在电机的气隙长度和永磁体磁化方向长度相同的情况下，内置式转子的永磁同步电动机比表面式永磁电机的直轴同步电感大，这有利于提高永磁电机的恒功率弱磁扩速能力；（2）由于内置式永磁同步电动机的永磁体与气隙磁路不直接接触，因此其比表贴式电机中的永磁体抗不可逆退磁能力强；（3）由于内置式电机磁路结构不对称，可以充分理由电机的磁阻转矩，电机的永磁磁链可以设计得低一些，以致使永磁电机的弱磁扩速能力大大增强，同时，充分利用磁阻转矩达到提高电机的功率密度的目的；（4）内置式永磁同步电动机永磁体在转子内部，比表面式机械强度更高，更适合电机的高速运转。
2.4 永磁电机的极数选择
变频器是电动汽车用永磁电机的电力来源，电机定子的极数和槽数的选择配合要比工频供电时更加自由，但是同时也要考虑电机的极槽配合的选择对电机性能的影响。首先选择永磁电机的极数，由于车用永磁电机的频率要求交为宽松，根据频率转速关系式f=np/60，电机的转速一定时，频率与极对数成正比。因此增加电机的极对数，电机的频率增加，导致变频器的损耗和电机定子铁心损耗增加，因此电机的极对数不能取过大；然而同一台电机，相同的定子外径和铁心长度下，极对数增加，导致电机的每极磁通减小，可以适当减小定子轭部的高度来提高电机的功率密度，所以，电机的极对数不宜取太小。因此初步选择6极电机与8极电机进行比较。
3 永磁电机转子结构选优        3.1 永磁体分段分析
与传统的使用电励磁的电机相比，永磁电机具有更可靠的优点，永磁电机体积小、质量轻等优势，而且永磁电机具有较高的效率和功率密度。但是因为永磁电机的特殊，它的永磁体一旦放入，就很难再使其改变形状，这就对调整电机的一些运行性能造成了很大的困扰，所以这也制约了永磁电机在转速到达某一限定值时更进一步的向大变化。近几年以来，国内国外专家和学者深入研究讨论了永磁电机的这种特殊性，对它的结构进行研究分析，并且通过长时间的努力尝试提出了一些有效的研究分析方案，这些方案在低速时提高转矩性能和高速时恒功率运行范围的方面有了惊人成果。
3.2 永磁体夹角分析
永磁电动机作为电动汽车驱动系统的核心部件，其性能的优良直接影响了整辆车的运行性能，电机的永磁体形式至关重要。因此，精心设计电动机的永磁体形式，制造出性能优良的永磁同步电动机具有重要的现实意义和应用价值。永磁电机的永磁体“V”型结构属于内置径向式的一种，这样永磁体排布方式可以使转子的内部给永磁体更大的空间。与常规的“一”字型永磁同步电机相比，“V”型永磁同步电机的凸极率高、直轴的电感大而且交直轴电感差值也较大，这样的条件使其适用于宽调速的电机。但是“V”型电机的缺点主要是永磁体产生的径向磁场的分量比较小，漏磁系数也比较大，相对于传统内置式永磁电机，它的抗退磁能力和机械强度要求较低。在电动汽车驱动电机中，永磁同步电动机受到广泛的青睐，其优点很多，如高效率、体积小、低损耗、高功率密度等。
结语
综上所述，基于能量法齿槽转矩解析公式的基础上，推导了转子表面开槽后气隙磁密傅里叶的表达式，给出了转子表面开槽的位置和槽宽的表达式。根据正弦脉宽调制原理，探究了将磁极在圆周上分段以削弱齿槽转矩的方法。研究了内置式PMSM将磁极分组偏移削弱齿槽转矩的效果。对以上三种齿槽转矩削弱措施，均在Maxwell 2D中仿真验证了削弱齿槽转矩的有效性。对比了优化齿槽转矩前后电机的反电势和转矩波动，研究发现，三种方法均均能有效地抑制齿槽转矩，减小转矩波动。其中，将磁极圆周分段和磁极分组偏移应用到本文设计的表贴式PMSM中，从而优化了电机性能。
参考文献：
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[2] 顾为东，史践，王坚等. “风电-铝-电动汽车”新能源汽车产业发展模式的探索和研究[J]. 中国科技纵横，2011，（21）：42-47.