雍玉芳，孫宏毅

上海力信電氣技術(shù)有限公司

基于混合動(dòng)力車(chē)用需求的永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)分析

雍玉芳，孫宏毅

上海力信電氣技術(shù)有限公司

對(duì)于插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)來(lái)說(shuō)，其對(duì)于永磁同步電機(jī)的需要主要在于低脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩、高效以及高功率密度。縱觀我國(guó)插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)來(lái)說(shuō)，其在電機(jī)方面不但存在較大的缺口，同時(shí)相應(yīng)的產(chǎn)品技術(shù)含量較低，在一定程度上制約著插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)的發(fā)展。鑒于此，本研究主要基于插電式混合動(dòng)力車(chē)用需求，深入探討了永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)分析，旨在為相關(guān)研究提供一定的理論參考。

混合動(dòng)力車(chē)；永磁同步電機(jī)；設(shè)計(jì)

電機(jī)及相關(guān)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)來(lái)說(shuō)，在其行使進(jìn)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，對(duì)應(yīng)性能涉及到插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)最終行使的安全性與質(zhì)量。因?yàn)椴咫娛交旌蟿?dòng)力電動(dòng)車(chē)本身的行駛工況相對(duì)較為復(fù)雜，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩往往會(huì)產(chǎn)生巨大的變化[1]。然而，電動(dòng)機(jī)本身的抗負(fù)債能力相對(duì)較低，然而在外部發(fā)生較大的對(duì)象特征或者擾動(dòng)的情況下，速度均會(huì)產(chǎn)生一定程度的落差。所以，針對(duì)上述情況，必須要深入研究基于混合動(dòng)力車(chē)用需求的永磁同步電機(jī)，對(duì)我國(guó)插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用。

一、永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)整體要求分析

基于插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)運(yùn)行實(shí)際需求情況來(lái)看，插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)對(duì)應(yīng)的電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要基于變速箱接口與離合器接口的要求來(lái)開(kāi)展。與此同時(shí)，綜合考慮插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀況，本研究主要是通過(guò)定子機(jī)殼水冷途徑，有效解決了散熱問(wèn)題[2]。

由于插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)在自身結(jié)構(gòu)方面的需求較為特殊，其通常必須在軸心位置預(yù)留超出離合器的相關(guān)控制。因?yàn)樯鲜鲈?，?duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)速位置與反饋設(shè)施的設(shè)計(jì)就變得至關(guān)重要，這就需要旋轉(zhuǎn)變壓器的獨(dú)立設(shè)置。

二、設(shè)計(jì)方案分析

綜合參考電氣參數(shù)要求、電機(jī)結(jié)構(gòu)方面所提出的條件制約，同時(shí)充分參考最近幾年以來(lái)永磁同步電機(jī)的發(fā)展態(tài)勢(shì)，本研究采用分?jǐn)?shù)槽繞組的結(jié)構(gòu)方式。具體來(lái)說(shuō)，主要包含豐田生產(chǎn)的CIVIC電機(jī)系統(tǒng)、PRIUS電機(jī)系統(tǒng)等，其均選擇分?jǐn)?shù)槽的模式進(jìn)行設(shè)置。

實(shí)施仿真分析處理之后得出，16極18槽（即8極9槽）是最為理想的方式。主要因素在于該結(jié)構(gòu)本身不存在齒槽轉(zhuǎn)矩，從而有效防止在上述過(guò)短的鐵心當(dāng)中疊長(zhǎng)上斜槽或斜極的問(wèn)題，斜極或者斜槽的主要目標(biāo)在于有效抵消齒槽轉(zhuǎn)矩[3]。除此之外，本研究所選擇的結(jié)構(gòu)屬于現(xiàn)階段能量體積密度最高的類(lèi)型，即便是最短的端部也是有效提升效率的重要保障，并且在軸向尺寸方面的限制，也直接證明了該方案是最為理想的。

為保障插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)電機(jī)散熱需求，基于總裝電機(jī)狀況下，對(duì)于電機(jī)釘子特性外圓機(jī)繞組端部都需要填充導(dǎo)熱硅脂，同時(shí)分別在繞組端部增加Pt100熱電阻針對(duì)繞組溫度實(shí)施實(shí)時(shí)檢測(cè)，保障溫度的合理控制。

旋轉(zhuǎn)變壓器是整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中至關(guān)重要的一部分，因?yàn)槠浔旧斫Y(jié)構(gòu)所存在的特殊性，不能在軸伸端進(jìn)行設(shè)置，一般的安裝位置需要選擇在內(nèi)圓部分進(jìn)行。因?yàn)殡姍C(jī)強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾，其會(huì)影響旋變低壓信號(hào)，通常采用內(nèi)置式外轉(zhuǎn)子磁阻旋轉(zhuǎn)變壓器，然后安裝屏蔽罩。本研究在進(jìn)行試驗(yàn)以后，最終獲得結(jié)果較為理想，能夠滿足系統(tǒng)抗干擾的相關(guān)要求。

三、機(jī)械接口設(shè)計(jì)概述

選擇定子機(jī)殼水冷方案，能夠有效解決電機(jī)在散熱方面存在的問(wèn)題。通過(guò)深入的研究之后，本研究最終選擇機(jī)殼增加散熱銅管模式，并且選擇導(dǎo)熱硅膠進(jìn)行機(jī)殼、銅管的空隙實(shí)施有效的填充，從而有效提升散熱的成效。與此同時(shí)，為進(jìn)一步降低機(jī)殼的重量，從而有效保障散熱的效果與機(jī)械強(qiáng)度，本研究采用汽車(chē)輪轂鋁作為機(jī)殼的材料，同時(shí)選擇T6工藝實(shí)施處理。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程中，出現(xiàn)連接離合器摩擦片位置的飛輪產(chǎn)生發(fā)熱過(guò)高的現(xiàn)象，通過(guò)分析以后得出是空間的局限，端部漏磁場(chǎng)在飛輪生成的渦輪作用所引發(fā)。最終，本研究采用不導(dǎo)磁的不銹鋼材料來(lái)完全取代鑄鋼，使得飛輪的發(fā)熱現(xiàn)象得以有效控制。

四、工作外特性分析

本研究針對(duì)混合動(dòng)力車(chē)永磁同步電機(jī)實(shí)施外特性實(shí)驗(yàn)測(cè)試，最終結(jié)果見(jiàn)圖1。通過(guò)圖1能夠看出，處在額定電壓320V情況下，混合動(dòng)力車(chē)用永磁同步電機(jī)對(duì)應(yīng)的峰值功率為25Kw、峰值扭矩130Nm，能夠有效滿足混合動(dòng)力車(chē)使用需求。

圖1 額定電壓320V下的工作外特性

綜上所述，本研究所設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力車(chē)用永磁同步電機(jī)，通過(guò)采用分?jǐn)?shù)槽繞組，有效解決了其所存在的傳感器、冷卻、電磁渦流等方面的問(wèn)題，通過(guò)選擇定子機(jī)殼水冷途徑，全面解決了散熱方面暴露出來(lái)的問(wèn)題。與此同時(shí)，針對(duì)飛輪材料的選擇，采用不導(dǎo)磁的不銹鋼材料來(lái)完全取代鑄鋼。本研究針對(duì)設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)實(shí)施臺(tái)架外特性測(cè)試，最終測(cè)試結(jié)果充分證明本研究設(shè)計(jì)可以有效滿足插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)的相關(guān)需求。

[1]王斌，王躍，郭偉，王兆安.基于定子磁鏈降階狀態(tài)觀測(cè)的永磁同步電機(jī)無(wú)差拍直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，(03)：160-171+195.

[2]王慶龍，張興，張崇巍.永磁同步電機(jī)矢量控制雙滑模模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速辨識(shí)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，(06)：897-902.

[3]張洪帥，王平，韓邦成.基于模糊PI模型參考自適應(yīng)的高速永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，(12)：1889-1896.