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        新能源車用電機設(shè)計與研究

        2025-07-04 00:00:00陳文靜羅昊
        機電信息 2025年12期
        關(guān)鍵詞:內(nèi)置式磁阻同步電機

        0 引言

        隨著節(jié)能減排的推廣,新能源電動汽車日益普及。主驅(qū)動系統(tǒng)為電動汽車的核心部件,給車輛提供動力,具有極其重要的研究意義。

        城市用輕型低速電動汽車具有典型的低速大扭矩、高速小扭矩系統(tǒng),該系統(tǒng)采用電機匹配變速箱方式驅(qū)動,且配有變頻器,具有很寬的調(diào)速范圍。常見的電機類型有交流感應(yīng)電機、直流電機、永磁電機、開關(guān)磁阻電機。隨著人們生活水平的提高,對電動汽車的性能要求也越來越高,永磁同步電機具有結(jié)構(gòu)緊湊、高效節(jié)能、低噪聲、高可靠性等優(yōu)點,因而在汽車行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。永磁電機在功率密度、效率方面性能優(yōu)越,可靠性及可控性較好,但開發(fā)成本相對較高,對制造工藝的要求也較高。綜合各方面分析,在新能源汽車領(lǐng)域,永磁電機無論是性能還是在節(jié)能環(huán)保方面都具有較強的競爭力,是當(dāng)前電動汽車行業(yè)應(yīng)用最廣泛也最有前景的電機類型[]。

        1 主驅(qū)系統(tǒng)

        新能源車用主驅(qū)系統(tǒng)由電機驅(qū)動系統(tǒng)、電池系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)構(gòu)成。其中電機驅(qū)動系統(tǒng)包括控制器、電機、變速器和車輪,是整個系統(tǒng)的核心。電池系統(tǒng)包括電池管理、充電機和電池組。輔助系統(tǒng)包括輔電、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和智能儀表。電機控制器接收系統(tǒng)加速器和剎車信號,控制電機按照要求運行,通過變速器和車輪傳遞動力,驅(qū)動整車按照要求行駛。系統(tǒng)通過CAN總線查詢控制器、電機和電池的狀態(tài),做出相應(yīng)指令并在智能儀表上顯示相關(guān)結(jié)果。電動車主驅(qū)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

        目前,電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)通常采用兩種控制方法:磁場定向矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。其中,磁場定向矢量控制具有類似直流電機的轉(zhuǎn)矩控制特性,得到了廣泛應(yīng)用。

        圖1電動車主驅(qū)系統(tǒng)架構(gòu)圖

        2 主驅(qū)電機設(shè)計

        車用主驅(qū)電機設(shè)計通常根據(jù)應(yīng)用場合,從電源電壓、控制方式、安裝空間、防護等級等方面按照要求展開,按電源電壓、額定功率、轉(zhuǎn)速、扭矩等,選擇合適的電機類型,確定技術(shù)路線。永磁同步電機按照轉(zhuǎn)子磁體的安裝形式區(qū)分,通常有內(nèi)置式和表貼式。內(nèi)置式為永磁體安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部,如圖2所示,其英文為Interior Permanent MagnetSynchronousMotor,簡稱為IPMSM或IPM。表貼式為永磁體安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯表面,如圖3所示,其英文為SurfacePermanentMagnetSynchronousMotor,簡稱為SPMSM或SPM。

        新能源車用主驅(qū)電機通常采用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)。根據(jù)內(nèi)置式永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩公式可知,其電磁轉(zhuǎn)矩 (Te) 由磁阻轉(zhuǎn)矩和永磁轉(zhuǎn)矩組成。公式中前一部分為永磁轉(zhuǎn)矩,后一部分為磁阻轉(zhuǎn)矩。

        式中: P 為電機的極對數(shù); λpm 為永磁體產(chǎn)生的磁鏈; Ld 和 Lq 分別為直軸 (d 軸)和交軸 (q 軸)電感; Id 和 Iq 分別為直軸和交軸電流。

        內(nèi)置式電機凸極比大,交直軸電感差值大,能有效利用磁阻轉(zhuǎn)矩,提升電機輸出轉(zhuǎn)矩,進而提升電機轉(zhuǎn)矩密度,達到高效節(jié)能的優(yōu)良效果;其過載能力比表貼式更強;同時,由于IPM電機磁阻效應(yīng)的存在,電機的弱磁調(diào)速范圍更寬。表貼式永磁同步電機交直軸電感幾乎相等,沒有磁阻轉(zhuǎn)矩。在電機高速運行時,表貼式永磁同步電機的磁鋼有脫落風(fēng)險。而內(nèi)置式由于磁鋼在轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部,能有效固定,其可靠性更高。

        圖2內(nèi)置式永磁同步電機結(jié)構(gòu)圖
        圖3表貼式永磁同步電機結(jié)構(gòu)圖

        3 IPMSM性能分析

        根據(jù)電機技術(shù)指標(biāo)要求,電源電壓DC144V,額定功率 8kW ,額定轉(zhuǎn)矩 19N?m ,額定轉(zhuǎn)速 4000r/min ,相數(shù)3相,設(shè)計了一款I(lǐng)PM電機。該主驅(qū)電機為交流永磁同步電機,控制方案采用磁場定向控制技術(shù)。

        3.1 電機模型尺寸

        電機的極對數(shù)由電機的額定轉(zhuǎn)速及相應(yīng)的基波電頻率共同決定,其中,電機的額定轉(zhuǎn)速由用戶根據(jù)不同應(yīng)用場合提出要求。在變頻器頻率允許的情況下,電機采用較多的極對數(shù)可以使得電機繞組的端部長度縮短,進而減小電機的定子電阻,降低電機銅耗[2]。

        研究表明,磁阻轉(zhuǎn)矩是內(nèi)置式電機的固有特性,利用這一特性,通過提高凸極比增加轉(zhuǎn)矩輸出。同時,提高弱磁能力成為電動汽車驅(qū)動與發(fā)電領(lǐng)域的研究熱點[3]。因此,本文采用內(nèi)置V字型設(shè)計。在新能源車行業(yè),電機48槽8極、24槽4極都是常見的槽極配合,該類整數(shù)槽電機NVH性能更優(yōu),更適應(yīng)對振動噪聲環(huán)境要求高的場景。相較而言,24S4P電機更適合預(yù)算有限、成本更低的場合,其體積和重量更小,設(shè)計更緊湊,效率也更高,適用于安裝空間有限的環(huán)境。根據(jù)項目需求,本方案采用4極24槽電機,電機模型如圖4所示,該IPM的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

        電機繞線方式如圖5所示,采用雙層整距繞組,跨距為5。

        3.2 性能分析

        經(jīng)仿真計算,電機額定工況8kW,轉(zhuǎn)速為4 000r/min 時,額定電流為40A,輸出轉(zhuǎn)矩約為 19N?m 。轉(zhuǎn)矩曲線如圖6所示,電流曲線如圖7所示,電機輸出轉(zhuǎn)矩、額定功率等性能均符合要求。

        額定工況下,電機的場圖及磁力線布局如圖8所示,磁密和磁力線走向均符合設(shè)計要求。

        圖4電機模型
        表1電機主要參數(shù)表
        圖5電機繞線圖
        圖6轉(zhuǎn)矩曲線
        圖7電流曲線
        圖8場圖及磁力線圖

        優(yōu)化電機電磁振動與噪聲特性。電磁場、結(jié)構(gòu)場以及聲場等多個物理場之間耦合作用,使得乘用車內(nèi)置式永磁同步電機產(chǎn)生電磁振動和電磁噪聲[5],需從激勵振力出發(fā),確定電磁力波的空間和時間階次。

        4 結(jié)束語

        本文基于新能源車用主驅(qū)電機的基本需求,設(shè)計了一款內(nèi)置式V字型永磁同步電機;介紹了車用電機的設(shè)計方法及內(nèi)置式永磁同步電機的特點;建立了IPM電機模型,經(jīng)分析,其性能、功率、效率、扭矩等滿足設(shè)計需求,為下一步電機性能優(yōu)化、樣機制造奠定了基礎(chǔ)。若需進一步優(yōu)化電機轉(zhuǎn)矩脈動,改善NVH等,可以在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計??刹捎枚ā⑥D(zhuǎn)子沖片參數(shù)化修形,定子斜槽或轉(zhuǎn)子斜極等方案,削弱氣隙諧波及畸變率,以進一步優(yōu)化并提升電機性能。

        內(nèi)置式永磁同步電機(IPMSM比表貼式結(jié)構(gòu)具有更高的功率密度,且對永磁體保護效果更好,但IPMSM的轉(zhuǎn)矩脈動較大,會引起振動且噪聲嚴(yán)重,影響了電機性能[4。經(jīng)仿真分析,本方案電機性能能滿足運行工況。若需進一步提升性能,需考慮磁橋等特殊結(jié)構(gòu),進行新的方案優(yōu)化。同時,可進一步研究并

        [參考文獻]

        [1]甘源.電動汽車永磁同步電機的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計[D].錦州:遼寧工業(yè)大學(xué),2020.

        [2]郭麗艷.內(nèi)置式永磁同步電機的建模、分析與設(shè)計[D].天津:天津大學(xué),2017.

        [3]王晶,耿偉偉,劉東旭,等.電動汽車用新型模塊化聚磁轉(zhuǎn)子永磁電機設(shè)計及其對比分析[J].中國電機工程學(xué)報,2024,44(3):1184-1195.

        [4]隋嘉慶,馮桂宏,張炳義.基于不等磁極組合的外轉(zhuǎn)子內(nèi)置式永磁同步電機轉(zhuǎn)矩脈動抑制研究[J].電機與控制應(yīng)用,2022,49(3):61-67.

        [5]杜晉文.乘用車用內(nèi)置式永磁同步電機電磁振動與噪聲特性的研究[D].北京:北京交通大學(xué),2020.

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