1 前言
随着现代社会环境问题的日益突出，低污染、高效率的纯电动汽车已经成为现代汽车发展的趋势。由于汽车运行的特殊环境，对电动汽车电机的设计要注意以下3个要求：（1）电机启动力矩大，转矩波动小，过载能力强，能够在比较宽的速度范围内实现恒定功率的输出；（2）电机的功率密度大，可以满足电动汽车内部狭窄空间的安装要求；（3）电机抗高温、颠簸能力强，能够适应各种复杂恶劣的环境。内置式调速永磁同步电机以其效率高、功率密度大、体积小、良好的弱磁扩速能力等优点，成为了纯电动汽车驱动电机的首选。本文根据汽车的实际运行工况，设计了一款用于驱动纯电动汽车的内置式调速永磁同步电机，其额定功率PN=30kW，最大功率Pmax=65kW，额定转速nN=3000rpm，最高转速nmax=7000rpm，单台电机运行，可驱动2000kg的小汽车。
2 内置式永磁同步电机电磁设计
电磁设计的任务包括根据电机的性能指标确定主要尺寸、转子结构、估算并选择永磁体的尺寸、选用的材料、设计定转子冲片、选择绕组连接方式、确定线圈匝数及热平衡计算等，然后对初始方案进行计算，计算值不符合设计的技术指标则要返回相关步骤调整相关参数进行迭代，计算值符合技术指标则继续往下计算，直到计算结果符合技术指标为止，相关流程如图1所示。
图1 电机设计流程图
2.1确定电机主要尺寸
电机的主要尺寸是电枢直径Dil和电枢长度leff，其尺寸可以通过基本关系式来确定：
公式1 电机的主要尺寸确定
上式中P'为计算功率，α为计算极弧系数，A为电负荷，Bδ为气隙磁密基波幅值，n为转速。为了提高汽车电机的启动和加速能力，电机最大转矩Tmax要为额定转矩TN的2.5倍以上。永磁同步电机最大转矩Tmax与电磁负荷、电机主要尺寸有以下关系：
公式2 永磁同步电机最大转矩Tmax与电磁负荷、电机主要尺寸之间的关系
永磁材料采用高性能的钕铁硼，Bδ可达到0.85T，该电机采用强迫水冷系统，电负荷A可取35A/cm。同时考虑到电动汽车内部的安装空间，最终取Dil=115mm，leff=200mm。
2.2转子结构选择
传统的永磁同步电机采用表贴式，每一块永磁体对于一个极。本文设计的永磁电机磁钢按“V”型结构放置，由两块永磁体组成一个极。此结构能有效增加励磁，具有比较大的凸极率，可有效提高电机的弱磁扩速能力。电机截面结构如图2所示。
图2 电机结构图
2.3永磁体尺寸的设计
适合调速永磁同步电机使用的永磁材料只有稀土永磁材料，即钐钴永磁和钕铁硼永磁。相对于钐钴永磁来说，钕铁硼永磁材料温度系数高，居里温度低，但是剩磁高，价格便宜，更适合民用。永磁体磁化方向长度hM与气隙δ大小有关。由于永磁体是永磁电机的磁动势来源，因此hM的选择首先应从电机的磁动势平衡关系出发，先给定一个估计值，再根据电磁性能计算的结果再进行调整；此外hM还决定了永磁电机的抗去磁能力，因此还要根据电枢反应去磁情况来最终决定hM的取值。为调整电动机的性能，还需要调整永磁体磁化宽度bM，因为bM直接决定了永磁体提供磁通的面积。对于内置径向转子磁路结构来说，永磁体尺寸估算公式为：
公式3 永磁体尺寸估算公式
公式4 永磁体磁化宽度计算公式
其中δ0为空载漏磁系数，Kt为电动机的饱和系数，其值为1.05~1.2。Ka与转子结构有关，其取值范围为0.7~1.2。根据估算结果初步给定值为bM=70mm，hM=5.6mm。
2.4转子隔磁桥的设计
内置式永磁同步电机的永磁体插在转子铁心内部，漏磁比较大，永磁体的利用率比表贴式的低，必须采取相应的隔磁措施。隔磁使转子的结构趋于复杂，机械强度变差，冲模的使用寿命缩短，因此在保证隔磁效果的前提下，隔磁措施越简单越好。
本方案采用空气和隔磁桥进行隔磁，如图3所示。图中隔磁桥很窄，通过较小的磁通就让其达到饱和，从而限制漏磁，达到隔磁的效果。隔磁桥的宽度越小，隔磁效果越明显，磁钢的利用率越高，但机械强度越差，容易造成铁心变形。通常隔磁桥宽度取0.8~1.5mm，本文取1mm。
图3 转子隔磁桥
2.5转子偏心距的确定
对于内置式永磁同步电机可采用不均匀气隙的方法来降低齿槽转矩，让气隙磁密尽量正弦化，同时还可以让绕组反电势尽可能接近正弦波，降低输出转矩波动，提高电机的性能。如图4所示，转子外表面与定子内表面的圆弧不同圆心，两者之间存在一个偏心距h，最大气隙为δmax，最小气隙为δmin。其中满足R2=R1+h+δmin。
图4 永磁电机的偏心气隙
根据有限元的分析结果，不同的偏心距对于的齿槽转矩值和空载气隙磁密谐波畸变率如图5、6所示。
图5 齿槽转矩与转子偏心距关系
图6 气隙磁密谐波畸变率与转子偏心距关系
由图5、6可知转子偏心距不是越大越好，在偏心距h=18mm时齿槽转矩最小，h=16mm时谐波畸变率最小，气隙磁密的正弦度最好。综合考虑，本文取偏心距h=17mm。
2.6绕组的确定
空载反电势E0是永磁同步电机一个非常重要的参数，由永磁体产生的空载气隙基波磁通在电枢绕组中感应生成。E0的大小对永磁电机性能有很大的影响，合理设计的永磁电机，E0与额定电压的比值均在合理的范围内。当永磁电机的其它尺寸参数已经确定下来时，通过空载反电势来确定绕组的匝数、连接方式、线规等就成为永磁电机设计的关键。
本项目中电动汽车所携带的驱动系统所能提供的最大交流电压为230V。一般永磁同步电机额定点空载反电势要求尽可能接近并略小于工作电压，但电动汽车电机运行的速度范围比较宽，因此E0/U一般取较小值以满足扩速要求。本文计算了在单层绕组、2路并联时，不同匝数分别对应的空载反电势E0、空载电流I0、额定电流IN、最高转速nmax，分别如表1、2所示。
表1 Y接法时不同匝数对应参数
表2 △接法时不同匝数对应参数
由表1、2可知，随着匝数的增加，空载反电势上升，空载电流和额定电流下降，最高转速也随之下降。综合各项指标，本方案的绕组采用△接法、10匝的方案。本方案具体尺寸参数如表3所示。
表3 电动机的具体尺寸参数
3 永磁电机电磁方案仿真
3.1空载漏磁系数的计算
由于本方案采用磁铁内置的方式，漏磁比永磁体表贴时要大，因此空载漏磁系数是衡量永磁电机设计合理与否的一个重要参数。利用有限元软件对电动汽车电机进行漏磁仿真计算，结果如图7所示。
图7 永磁电机空载漏磁示意图
从图7可以看到转子中有一部分磁力线没有穿过气隙与定子绕组交链产生力矩，而是从磁铁N极出来后穿过隔磁桥及加强筋回到S极。通过计算可以求出空载漏磁系数σ0=1.26。
3.2空载反电势
永磁电机空载反电势波形的正弦程度对电机有非常重要的作用，一般来说反电势的正弦度越好，输出的转矩脉动越小，电机就越平稳。
图8 空载反电势波形
图9 空载反电势傅立叶分解
本方案在额定点的反电势及其傅立叶分解图如图8、9所示。由图可得反电势的波形比较接近正弦波，谐波畸变率为11.8%。
3.3输出转矩
输出转矩的平稳程度是电动汽车电机的一个重要指标，直接关系到电动汽车的振动状况及乘车的舒适性。本方案通过一系列的优化方式，使电机的输出转矩脉动非常小，基本上接近直线，如图10所示，能够满足电动汽车的设计要求。
图10 永磁电机在额定点的输出转矩
4 试制样机及相关实验
根据设计参数，制作了样机并进行装车实验，如图11、12所示。
图11 电机样机
图12 电动汽车样机
以测功机为负载，在矢量控制方式下对样机进行转矩转速特性测试，结果如图13所示。可见，样机的低速转矩大，恒功率运行范围广，从而使整车具有强加速能力及低速爬坡能力，又具有比较高的行驶速度。
图13 电机转矩转速特性图
5 结语
本文设计一款驱动电动汽车的PN=30kW、nN=3000rpm调速永磁同步电动机，根据设计指标计算出电机的主要尺寸，对转子结构、永磁体尺寸、隔磁措施进行了分析，并根据电机在额定工况的反电势及超速性能确定电枢绕组的连接方式和匝数。对电机的空载漏磁系数、反电势的谐波畸变率、输出转矩等参数进行了仿真，最后制作了样机并进行了装车实验。根据测试结果该电机符合电动汽车的设计要求，为下一步的优化工作打下基础。
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本文标题：电动汽车用调速永磁同步电机分析与设计
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