趙夕長，林 東

新能源汽車電驅(qū)后橋永磁同步電機優(yōu)化設(shè)計

趙夕長1，林 東2

（1.奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241009；2.安徽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

驅(qū)動電機是新能源汽車動力總成關(guān)鍵部件之一，其性能指標(biāo)直接影響汽車動力輸出品質(zhì)。參考某款新能源汽車整車性能指標(biāo)，選用永磁同步電機作為電動后橋驅(qū)動電機，通過計算獲得電機的功率、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩等關(guān)鍵參數(shù)，基于電機的性能參數(shù)對電機結(jié)構(gòu)參數(shù)進行選定，基于MotorCad軟件利用參數(shù)化方法以降低齒槽轉(zhuǎn)矩峰值作為優(yōu)化目標(biāo)，對電機永磁體厚度、寬度以及氣隙長度進行優(yōu)化設(shè)計，并得到電機的效率MAP圖和外特性圖，結(jié)果表明齒槽轉(zhuǎn)矩相比于優(yōu)化前有較為顯著的降低，選取中國乘用車行駛工況（CLTC-P）進行仿真分析，驗證了永磁同步電機優(yōu)化設(shè)計的合理性。

電動后橋；永磁同步電機；結(jié)構(gòu)設(shè)計；參數(shù)優(yōu)化

為了緩解傳統(tǒng)燃油汽車對環(huán)境的污染，發(fā)展新能源汽車成為了最好的解決方案[1]。驅(qū)動電機作為新能源汽車重要部件，它直接影響新能源汽車的行駛性能。而永磁同步電機相比于其他類型的驅(qū)動電機具有較為明顯的優(yōu)勢：功率效率高、轉(zhuǎn)速密度高和調(diào)速范圍較寬[2-3]，因此，開發(fā)和推廣永磁同步電機勢在必行[4]。

永磁同步電機優(yōu)化設(shè)計是新能源汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一，基于電機相關(guān)優(yōu)化設(shè)計已成為熱點問題，溫嘉斌等[5]基于田口法，建立正交矩陣，優(yōu)化了齒槽轉(zhuǎn)矩。高鋒陽等[6]通過對轉(zhuǎn)子開輔助槽方法，降低了齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動。司紀(jì)凱等[7]利用田口法對電機多目標(biāo)進行優(yōu)化設(shè)計，齒槽轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩波動得到明顯降低。左曙光等[8]通過改變徑向變極弧系數(shù)，有效地降低了電機的電磁轉(zhuǎn)矩波動。劉露等[9]提出了一種加裝凸形極靴的磁極新型結(jié)構(gòu)，使得齒槽轉(zhuǎn)矩和損耗得到大幅下降。李曉峰等[10]提出了一種利用參數(shù)分層與響應(yīng)法結(jié)合方法，降低了齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動。但上述方法不足之處在于沒有考慮將電機匹配在整車上展開進一步的驗證。

參考某款新能源汽車整車參數(shù)，對永磁同步電機功率、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩等關(guān)鍵性能參數(shù)進行計算匹配，并進行結(jié)構(gòu)參數(shù)選定，利用MotorCad有限元軟件對初步方案進行仿真驗證，采用參數(shù)化方法以降低齒槽轉(zhuǎn)矩峰值作為優(yōu)化目標(biāo)，對電機永磁體厚度、寬度以及氣隙長度進行優(yōu)化設(shè)計，并選取中國乘用車行駛工況（China Light-duty vehicle Test Cycle-Passenger, CLTC-P）進行仿真分析。

1 電機參數(shù)確定

永磁同步電機性能參數(shù)主要包括額定功率、峰值功率、額定轉(zhuǎn)速和峰值轉(zhuǎn)速[11]。其值一般是根據(jù)汽車動力性參數(shù)確定，新能源汽車驅(qū)動電機參數(shù)主要是通過汽車最高速度、最大爬坡度和加速性能來確定。表1是某款新能源汽車的整車參數(shù)和性能指標(biāo)。

為保證該車型在各種工況下的后備功率，選用驅(qū)動電機峰值功率為102 kW，額定功率為45 kW，同時根據(jù)最高車速和加速時間以及參考市場上其他相似車型，驅(qū)動電機最高轉(zhuǎn)速定為12 000 r/min，驅(qū)動電機參數(shù)如表2所示。

表1 整車參數(shù)與性能指標(biāo)

參數(shù)數(shù)值 滿載質(zhì)量/kg1 656 迎風(fēng)面積/m22.432 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)1.1 空氣阻力系數(shù)0.345 滾動阻力系數(shù)0.014 輪胎滾動半徑/m0.30 傳動效率0.95 最高車速/(km/h)150 100 km/h加速時間10 爬坡性能30%（20 km/h）

表2 電機參數(shù)

參數(shù)數(shù)值 額定功率/kW45 峰值功率/kW102 額定轉(zhuǎn)速/(r/min)5 000 最高轉(zhuǎn)速/(r/min)12 000 額定轉(zhuǎn)矩/(Nm)85 峰值轉(zhuǎn)矩/(Nm)220

2 電機結(jié)構(gòu)參數(shù)選定

通過磁路法初步計算出電機定子、轉(zhuǎn)子尺寸等結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后利用MotorCad仿真軟件對于初始設(shè)計方案進行分析。

2.1 電機基本結(jié)構(gòu)尺寸

永磁同步電機尺寸的設(shè)計，主要通過永磁同步電機的額定功率、電磁負(fù)荷來確定定子內(nèi)徑和鐵芯軸向有效長度，其關(guān)系式為

式中，為電機定子內(nèi)徑；為鐵芯軸向有效長度；0為額定轉(zhuǎn)速；為電機額定功率；P為計算極弧系數(shù)；Nm為氣隙磁場波形系數(shù)；dp為繞組系數(shù)；為線負(fù)荷；δ為電機氣隙磁密。

雖然電機的功率與電負(fù)荷、磁負(fù)荷等相關(guān)，但電機的尺寸參數(shù)也受到整車布置空間影響，所以在實際確定電機尺寸時，要將理論與實際安裝空間相結(jié)合，進行綜和考慮，因此，定子外徑為1=185 mm；定子內(nèi)徑為=125 mm。

永磁同步電機采用內(nèi)置式“V”型，極對數(shù)選用4，定子槽數(shù)為48槽。槽型采用平行齒型，如圖1所示。其中=2 mm；1=3 mm；2=4 mm；1=21 mm；=27°。

圖1 定子槽型

接下來確定永磁體的尺寸，其尺寸主要包括軸向長度M、厚度M、寬度M，其中軸向長度M與電機的鐵芯長度相等或稍短，無需考慮。因此，只需考慮永磁體的厚度與寬度，適用于內(nèi)置式V型轉(zhuǎn)子磁路的永磁體尺寸的估算公式為

式中，S為飽和系數(shù)，其值范圍為1.05～1.3；α為與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有關(guān)的安全系數(shù)，其值范圍為0.7～1.2；m0為永磁體空載工作點；為氣隙大小長度；0為空載時漏磁系數(shù)，其值范圍為1～1.5；δ1為氣隙磁密基波幅值；1為極距；ef為鐵芯軸向有效長度；r為永磁體剩磁密度；φ為氣隙磁通的波形系數(shù)。永磁同步電機的主要尺寸參數(shù)如表3所示。

表3 電機尺寸參數(shù)

參數(shù)數(shù)值 定子外徑/mm185 定子內(nèi)徑/mm125 氣隙長度/mm0.8 永磁體寬度/mm16.5 永磁體厚度/mm5.5 永磁體材料N38UH 槽數(shù)48 極對數(shù)4

2.2 有限元仿真分析

表4是利用MotorCad對電機有限元分析的各項性能指標(biāo)，可以看出各項性能指標(biāo)是符合設(shè)計電機的要求，但其齒槽轉(zhuǎn)矩值有點過大。

表4 電機性能指標(biāo)

參數(shù)數(shù)值 平均轉(zhuǎn)矩/(Nm)88.15 齒槽轉(zhuǎn)矩/(Nm)6.53 輸出功率/W45403 電機效率/%96.76 功率因數(shù)0.94

3 電機結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

為了進一步削弱電機齒槽轉(zhuǎn)矩，同時保證電機的效率處于較高的水平，將采用參數(shù)優(yōu)化方法對電機永磁體寬度、厚度及氣隙長度進行優(yōu)化設(shè)計。

3.1 電機永磁體尺寸優(yōu)化

永磁體的作用是給電機轉(zhuǎn)子提供恒定的磁場，其大小直接影響電機的性能，因此合理的優(yōu)化永磁體尺寸至關(guān)重要。經(jīng)過綜合考慮后，選取永磁體寬度范圍為10～18 mm，厚度范圍為3.5～6 mm，進行參數(shù)化分析。

永磁體寬度與電機性能指標(biāo)關(guān)系如圖2所示，可以看出隨著永磁體寬度的增加，齒槽轉(zhuǎn)矩也在不斷增加，電機輸出功率也隨著永磁體寬度增加而增加。永磁體寬度在10～15 mm之間時，電機的效率隨永磁體寬度增大而增大，但當(dāng)永磁體寬度大于15 mm時，電機的效率保持不變，甚至開始降低。永磁體寬度的選取首先要滿足其齒槽轉(zhuǎn)矩較小同時也要使得效率處于較高水平，利用參數(shù)法對永磁體寬度進行不斷調(diào)整，最終永磁體寬度選取15.8 mm。與選取永磁體寬度類似，永磁體厚度與各項指標(biāo)關(guān)系與寬度相似，永磁體厚度選取5 mm。

圖2 永磁體寬度與電機性能指標(biāo)關(guān)系

3.2 氣隙長度優(yōu)化

永磁同步電機的氣隙與電機性能密切相關(guān)，氣隙長度的選擇，既要考慮制作的工藝性，也要考慮電機的弱磁擴速能力，氣隙過小，對于電機的制造工藝要求更高，氣隙過大，會使得電機的漏磁越大，效率變低。

設(shè)定氣隙長度范圍為0.5～1.5 mm，氣隙長度與電機性能指標(biāo)關(guān)系如圖3所示，可以看出隨著氣隙長度的增加，齒槽轉(zhuǎn)矩、電機的輸出功率也在不斷下降，電機效率隨著氣隙長度的增加，也在不斷的增加，但變化的范圍并不大，同樣的利用參數(shù)法不斷調(diào)整，同時也要保證其額定功率超過45 kW。最后此氣隙長度選取0.6 mm。

圖3 氣隙長度與電機性能指標(biāo)關(guān)系圖

3.3 性能驗證

根據(jù)參數(shù)優(yōu)化所選取的永磁體厚度、寬度以及氣隙長度，重新建立電機模型，進行計算分析，優(yōu)化后的齒槽轉(zhuǎn)矩與優(yōu)化前的對比如圖4所示。表5為優(yōu)化后電機的各項性能指標(biāo)。由圖4和表5可以看出經(jīng)過優(yōu)化后永磁同步電機的齒槽轉(zhuǎn)矩由原來的6.53 Nm變成了現(xiàn)在的5.71 Nm，降低了13.02%，其余的指標(biāo)比原來的略有下降，但電機的效率和功率因數(shù)仍處于較高的水平，平均轉(zhuǎn)矩以及輸出功率也都符合電機設(shè)計的指標(biāo)。

圖4 氣隙長度與電機性能指標(biāo)關(guān)系

表5 優(yōu)化后電機性能指標(biāo)

參數(shù)數(shù)值 平均轉(zhuǎn)矩/(Nm)87.55 齒槽轉(zhuǎn)矩/(Nm)5.71 輸出功率/W45 001 電機效率/%96.74 功率因數(shù)0.94

將Motor-CAD-Emag模塊建立的電機模型導(dǎo)入Motor-CAD-Lab模塊獲得電機的效率MAP圖。如圖5所示，可以看出額定轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，最高轉(zhuǎn)速能達(dá)到12 000 r/min，符合電機設(shè)計指標(biāo)。且電機調(diào)速范圍較寬，效率在90%以上占比為81.79%，同時電機的最高效率達(dá)到了96.88%，在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持96%效率。

圖5 電機效率MAP

4 典型循環(huán)工況分析

為了進一步驗證所優(yōu)化設(shè)計的電機，選取CLTC-P工況，對匹配永磁同步電機的新能源汽車進行循環(huán)工況仿真驗證。

CLTC-P工況測試時間為1 800 s，其中怠速時間長、速度波動大，運行工況更加符合中國交通實際情況。

圖6為電機在此工況下運行時各項性能指標(biāo)?？梢钥闯?，此工況下電機所需轉(zhuǎn)矩變化較為劇烈，從圖6(a)可以看出，所需最大轉(zhuǎn)矩為145 Nm，小于所設(shè)計電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩。從圖6(b)可以看出，在此工況下電機的最大效率為96.61%，整個過程的平均效率為94.20%。由此可以看出，所設(shè)計的電機在此工況下有著較好的性能。

5 結(jié)論

參考某款新能源汽車整車參數(shù)，設(shè)計的電機通過MotorCad有限元仿真分析，其性能參數(shù)基本符合設(shè)計要求。采用參數(shù)化方法對設(shè)計的電機進行優(yōu)化，在滿足基本性能的前提下，齒槽轉(zhuǎn)矩相比于優(yōu)化前下降了13.02%；通過電機效率MAP圖，可以看出設(shè)計的電機調(diào)速范圍較寬，且在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持96%的效率，可以提高該車型的續(xù)航能力。在CLTC-P工況下進行電機性能的檢驗，仿真結(jié)果表明本文所優(yōu)化設(shè)計的電機能滿足選定車型的行駛性能。

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Optimization Design of New Energy Vehicle Electric Drive Rear Axle Permanent Magnet Synchronous Motor

ZHAO Xichang1, LIN Dong2

( 1.Chery Automobile Company Limited, Wuhu 241009,China; 2.School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China )

The drive motor is one of the key components of the powertrain of new energy vehicles, and its performance index directly affects the quality of vehicle power output. With reference to the performance indicators of a new energy vehicle, permanent magnet synchronous motor is selected as the electric rear axle drive motor. The power, speed, torque and other key parameters of the motor are obtained through calculation. Based on the performance parameters of the motor, the motor structure parameters are selected. Based on MotorCad software, parametric method is used to reduce the peak of tooth groove torque as the optimization objective, the thickness, width and air gap length of the motor permanent magnet are optimized, and the efficiency MAP and external characteristic diagram of the motor are obtained. The results show that the cogging torque is significantly reduced compared with that before optimization. By selecting the driving China light-duty vehicle test cycle-passenger (CLTC-P) for simulation analysis, the rationality of the optimization design of permanent magnet synchronous motor is verified.

Electric rear axle; Permanent magnet synchronous motor; Structure design; Parameter optimization

U463

A

1671-7988(2023)20-10-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.003

趙夕長（1978－），男，碩士，高級工程師，研究方向為新能源汽車技術(shù)，E-mail:740661569@qq.com。

安徽理工大學(xué)環(huán)境友好材料與職業(yè)健康研究院（蕪湖）研發(fā)專項（ALW2021YF05）。