解宗梁，許京娟

（山東百特電機(jī)電器有限公司，山東煙臺，265718）

1 引言

對于電動汽車而言，永磁同步電機(jī)是驅(qū)動系統(tǒng)的主要選擇，憑借其轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、效率高、體積小、噪聲低等優(yōu)勢，在新能源汽車市場備受青睞，且市場占有率迅速提高［1］。電動汽車高速發(fā)展及較大的市場需求下，驅(qū)動電機(jī)漸漸朝著高速化、輕量化、高效化等方向發(fā)展。經(jīng)過對電動功率密度的優(yōu)化，不僅可積極迎合電動汽車對驅(qū)動系統(tǒng)高效率、輕量化等要求，而且還能夠提高產(chǎn)品市場競爭力，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

2 電動汽車對驅(qū)動電機(jī)的性能要求

結(jié)合城市道路現(xiàn)狀分析得知，電動汽車運(yùn)行面臨著各種復(fù)雜的工況［2］。驅(qū)動電機(jī)各種性能應(yīng)積極滿足不同行駛工況要求，圖1則是電動汽車驅(qū)動電機(jī)典型特性圖。

圖1 純電動汽車用驅(qū)動電機(jī)的典型特性圖

（1）對于城市道路而言，十字路口紅路燈或交通擁擠的情況下，電動車需不停地啟動、停車與加減速。為了能夠保障汽車啟動特性，驅(qū)動電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩必須較大，且過載系數(shù)應(yīng)設(shè)定在2—3范圍間。

（2）電動車行駛在高速路上，驅(qū)動電機(jī)的恒功率應(yīng)始終保持恒定狀態(tài)。對此，恒功率運(yùn)行區(qū)間應(yīng)要求較寬，要求輸出峰值功率能夠迅速抵達(dá)電動汽車最高車速。

（3）由于整車質(zhì)量、空間布局等關(guān)鍵性因素的影響，驅(qū)動電機(jī)布置控制往往被限制，所以電機(jī)體積盡量設(shè)計小一點(diǎn)，且要求轉(zhuǎn)矩密度與功率密度較高。

（4）當(dāng)逆變器容量處于特定狀態(tài)下，弱磁調(diào)速能力相對較強(qiáng)，且最高轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到基速的三四倍。

（5）對于動力電池充電續(xù)駛這一關(guān)鍵性問題，驅(qū)動電機(jī)效率分布較高。

（6）對于電動汽車而言，轉(zhuǎn)矩輸出為了保持穩(wěn)定狀態(tài)，驅(qū)動電機(jī)及控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩應(yīng)迅速響應(yīng)，要求驅(qū)動電機(jī)可靠性、魯棒性處于較高性能狀態(tài)［3］。

3 電動汽車動力學(xué)性能PHa.m.

對于電動汽車而言，要求具有較強(qiáng)的持續(xù)運(yùn)行能力及加速性能，尤其是在高速行駛時應(yīng)保障具有超車能力。本研究采用電動汽車模型及動力學(xué)性能要求列表1。

表1 電動汽車參數(shù)和動力學(xué)性能指標(biāo)

4 電動汽車永磁同步電機(jī)設(shè)計

基于電動汽車相關(guān)性能要求，對電機(jī)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行明確，并制定出設(shè)計方案［4］。其中，設(shè)計的要點(diǎn)主要包括尺寸、槽極配合、氣隙長度、電磁負(fù)荷等。其中，驅(qū)動電機(jī)基于理論計算設(shè)計而來，也可以結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對一些數(shù)值進(jìn)行確定。因車輛空間的影響，本次所設(shè)計的驅(qū)動電機(jī)外徑＜250mm，軸向有效長度＜150mm，總質(zhì)量＜40kg，直流母線電壓控制在400V。

4.1 電機(jī)主要尺寸

結(jié)合電機(jī)設(shè)計知識，其尺寸可根據(jù)以下計算式進(jìn)行計算。

基于以上計算公式，若電機(jī)轉(zhuǎn)速及功率被確定，可設(shè)計出電負(fù)荷、磁負(fù)荷合理的電機(jī)設(shè)計方案，其中，定子內(nèi)徑平方與電機(jī)軸向有效長度的乘積比較接近定值。因安裝空間及大小的影響，若能夠明確以上數(shù)值，那么便可確定D與Ief的值。

4.2 槽極配合、氣隙長度和電磁負(fù)荷

對于電動汽車而言，其驅(qū)動電機(jī)主要分為內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子兩種常見結(jié)構(gòu)。其中，內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又分為表貼式、內(nèi)置式和爪極式三種結(jié)構(gòu)［5］。內(nèi)置式結(jié)構(gòu)中，永磁體分為“一”字型或“V”字型。本研究主要設(shè)計內(nèi)轉(zhuǎn)子、內(nèi)置式“V”字型永磁體。

在槽極配合方面，驅(qū)動電機(jī)可分為有整數(shù)槽、分?jǐn)?shù)槽兩種。為了便捷，本研究選擇整數(shù)槽單層分布繞組及槽極配合-8極48槽進(jìn)行設(shè)計。對于電機(jī)而言，氣隙長度是關(guān)鍵，其過長會造成氣隙磁阻增加，嚴(yán)重限制了電機(jī)功率密度；氣隙長度較小，電機(jī)制造難度較大。對此，本研究將其確定為1mm。

對于電流大小及密度而言，電負(fù)荷是關(guān)鍵性影響因素，在一定程度上也會影響電機(jī)散熱功能［6］。磁負(fù)荷對磁路的飽和程度的影響較大，也會對電機(jī)硅鋼片利用率和電機(jī)的功率密度進(jìn)行影響。一般情況下，電負(fù)荷較大會降低電機(jī)尺寸，降低鐵耗損。然而，會造成電機(jī)發(fā)熱更加嚴(yán)重，交流繞組電抗增加；磁負(fù)荷較大的情況下，電機(jī)尺寸縮小，但是鐵耗也會增加，不利于電機(jī)的起動與運(yùn)行特性。所以，針對電機(jī)而言，電負(fù)荷、磁負(fù)荷數(shù)值應(yīng)合理確定。一般情況下，電負(fù)荷設(shè)定在30A／mm，峰值點(diǎn)電負(fù)荷達(dá)到70A／mm；氣隙磁密設(shè)定在0.75T。

4.3 電機(jī)定子結(jié)構(gòu)

電機(jī)定子結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要分為定子齒設(shè)計、定子軛設(shè)計和定子槽三方面。為了能夠確保氣隙磁密基波含量，且便于繞組嵌線，本研究選擇平行齒和半開口梨形槽方案?；诖怕酚嬎阋?guī)則，電機(jī)齒部磁密B1與氣隙磁密Bδ的關(guān)系如下：

本研究中電機(jī)的軛部為齒聯(lián)軛，定子鐵心軛部磁密，應(yīng)符合以下關(guān)系：

針對電動汽車驅(qū)動電機(jī)設(shè)計而言，電器定子外徑DSO是明確的。定子外徑DSO與定子內(nèi)徑Dsi之間的關(guān)系如下：

通過以上計算式的分析得知，當(dāng)定子外徑和軛部高度確定后，定子內(nèi)徑同槽深之間的關(guān)系較為密切。槽深決定了槽面積及用銅量，也決定了電流大小及發(fā)熱情況。同時，定子內(nèi)徑同軸向長度之間的大小決定了機(jī)電負(fù)荷和磁負(fù)荷。

槽滿率直接決定了電機(jī)槽的利用率，若過大則不利于安裝。因?qū)螂p邊絕緣層和導(dǎo)線間隙的存在，電機(jī)的槽滿率不得過大，最好確定在0.7。另外，為了簡化設(shè)計，本研究選擇單層鏈?zhǔn)嚼@組設(shè)計方式，導(dǎo)向跨距設(shè)定為S。

4.4 電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

由于永磁體與鐵心長度一致，所以在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)確定永磁體的厚度和寬度。一般情況下，永磁體厚度對電機(jī)直軸電樞反應(yīng)電抗的影響較大，也決定了永磁體的抗去磁能力。若厚度較小，那么永磁體磁密較低，抗去磁能力也較差，極易出現(xiàn)廢品；如果厚度過大，則不利于弱磁擴(kuò)速能力，且永磁體會漸漸偏離磁通量。在設(shè)計電機(jī)時，永磁體厚度與寬度可根據(jù)以下公式進(jìn)行預(yù)測：

4.5 電機(jī)設(shè)計方案

通過上述的分析，本研究設(shè)計的電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，主要參數(shù)如表2所示。

圖2 電動汽車驅(qū)動電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖PH

表2 電動汽車驅(qū)動電機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

5 結(jié)語

對于電動汽車行業(yè)而言，車用永磁同步電機(jī)的設(shè)計是重點(diǎn)研究方向，也是行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。通過本文的研究，能夠了解永磁電機(jī)設(shè)計方法及方案，可促進(jìn)永磁同步電機(jī)事業(yè)的發(fā)展，加快電動汽車替代燃油汽車的速度，實(shí)踐意義重大。