电动汽车用永磁同步电机的选型研究

李周清，李婷婷，纪小庄

(1.华域汽车电动系统有限公司，上海201202;2.上海捷能汽车技术有限公司，上海201804)

0 引 言

改革开放30 年来，中国的经济发展取得了举世瞩目的成绩，但粗狂式的发展模式不可避免地带来了自然资源枯竭和环境恶化的后遗症。为改善这一现状，国家的在汽车行业推出了863 计划。在此政策的支持下，传统汽车企业在新能源领域取得了长足的进步。Start_Stop 技术、BSG 技术、增程器技术、纯电动技术等在汽车上逐步应用。这些技术要实现节能效果无非是从两方面着手:一方面，电驱动系统配合燃油系统工作，减少燃油使用量;另一方面，直接使用电驱动系统，不使用燃油。这样电驱动系统成为新能源汽车节能的关键部件。

众所周知，车用电驱动系统主要分为直流电动机系统、交流感应电动机系统、开关磁阻电动机系统和永磁同步电动机系统4 大类。

直流电动机系统在早期的电动汽车研发中使用过。它具有起动力矩大、运转平顺、控制系统较简单等优点，但采用了换向器和电刷，致使电机在使用维护性、过载能力、电机转速不能过高等方面受到限制。在目前新研制的电动汽车上已基本不再采用。

交流感应电动机系统在传统工业上应用较多，其功率覆盖宽广、工艺成熟、环境适应性强，维护简单方便，可靠性高。但缺点是控制系统复杂、效率及功率密度偏低;同时控制系统成本过高，这样导致整个系统成本相对较高。典型应用案例为特斯拉电动跑车，它极大地改变了众人对异步电动机的偏见。同时对应那些有足够的布置空间的公交汽车来说，也有较普遍的应用。

开关磁阻电动机系统是一种有巨大开发潜力的新型电动机。其显著特点:结构非常简单，基本不需要维护且可靠性好;电机可以运行极高转速，不存在高转速下对控制器件的耐压冲击;电机整体效率介于交流感应电动机与永磁同步电动机之间，在宽广的转速范围仍可以保持高效率，同时还不需要使用价格昂贵的稀土材料。其缺点是转矩波动大、噪声大等。

永磁同步电动机系统应用最为广泛。系统效率高、高效率区间覆盖宽、振动和噪声低、动态响应快、控制系统相对简单、功率密度高等优点。缺点是需要使用稀土材料，稀土是国家战略资源，其成本波动风险较大。目前市场主流开发的产品中，应用它的车型有通用Volt、日产Leaf、丰田Prius 和Lx200、宝马i8、上汽E50、比亚迪“秦”和电动大巴K9 等。

随着大量研发资金的投入，相信在不久，将会有更多的企业推出使用永磁同步电动机的新能源汽车。据了解，在批量生产的电动汽车中，纯电动汽车大多采用经典的48 槽8 极永磁同步电动机，圆漆包线工艺，工艺成熟可靠。例如Prius 2010 版、日产Leaf、比亚迪“秦”等驱动电机。那么是否还有更优的方案呢?本文主要分析了永磁同步电动机槽极配合、圆漆包线或扁漆包线工艺对电机性能的影响。

1 设计选型

为便于比较，我们以永磁同步电动机，转子永磁体内置式结构为分析对象，性能目标如下:

额定电压DC 320 V;持续功率35 kW;持续扭矩80 N·m;峰值功率65 kW;峰值扭矩150 N·m;最高工作转速10 000 r/min;最高空载反电动势＜530 V(峰值);最大相电流＜380 A(均方根);

表1 主要尺寸

选取4 个方案，便于比较，设计时首先限定电机线电阻、定子每相串联匝数、永磁体用量相同，同时尽量使空载反电动势相近。

方案1:36 槽8 极，内置式复合V 型磁钢，定子线圈采用圆漆包线，如图1 所示。

方案2:经典的48 槽8 极，内置式复合V 型磁钢，定子线圈采用圆漆包线，如图2 所示。

方案3:72 槽8 极，内置式复合V 型磁钢，定子线圈采用扁铜线结构，绕组半极式Y9，如图3 所示。

图1 36 槽8 极图

图2 48 槽8 极图

方案4:48 槽8 极，内置式V 型磁钢，定子线圈采用圆漆包线，绕组整极式Y8，如图4 所示。

图3 72 槽8 极(Y9)半极式

图4 72 槽8 极(Y8)整极式

转子形状均采用复合V 型，如图5 所示。特征在于每极上由V 型磁钢和“一”字型磁钢组成。这种结构的优点在于磁阻力矩较大，有利用电机的弱磁调速。

图5 转子复合V 型

2 性能参数仿真计算

2.1 反电动势

由永磁同步电动机理论可知，空载反电动势E0［1］可以表示:

式中:f 为电频率;kdp为绕组系数;N 为每相串联匝数;φ10为空载基波磁通量。

运用Maxwell 软件，分别计算出4 个方案在10 000 r/min 时的空载反电动势值。

图6 空载反电动势

4 个方案的空载反电动势FFT 分析后，可得出可谐波含量，如表2 所示。

由上述分析可知，72 槽8 极(Y8)反电动势正弦度最高，其次是48 槽8 极，36 槽8 极，72 槽8 极(Y9)。

表2 各方案空载反电动势FFT 分析

2.2 齿槽力波

利用转子分段斜极技术，可以明显减小齿槽力矩波动，目标转子均分两段斜一个定子齿距。4 个方案的齿槽力矩均小于0.1 N·m，均较理想。

2.3 短路电流

短路电流值与磁链、电阻、电抗有关。设计时，设定固定转速3 000 r/min，永磁体温度为20℃，计算出的4 个方案的短路电流值相近，在240 ～260 A(均方根)之间变化。

2.4 电机的温升

温升由两个因素决定:发热量和散热结构。在电磁设计时，可以用发热因子来对比不同方案的发热量，4 个方案在不同负载下的发热因子如表3 所示。

表3 各方案的发热因子

上述仿真结果，可以从原理上进行解释。72 槽8 极(Y8)因采用扁铜线绕组结构，可以布置更多的铜绕组，因而它的热负荷最小。72 槽8 极(Y9)虽然采用扁铜线，但采用半极式，绕组利用率低，抵消了扁铜线的优势，使得热负荷要高于48 槽8 极的圆铜线方案。

对于散热结构，4 个方案采用相同的冷水式机壳。扁铜线绕组结构和圆铜线绕组结构在导热性能上有一定差异。利用ANSYS 进行热仿真，结果如图7、图8 所示，冷却系统输入条件:75℃，冷却液流速8 L/min，电机损耗保持一致。从仿真结果可知，圆铜线的绕组平均温升为133℃;扁铜线的绕组平均温度为121℃。可判定出扁铜线的散热效果要明显高于圆铜线。

图7 圆铜线绕组温度图

图8 扁铜线绕组温度

2.5 效率map

电机效率由输出功率与损耗解决。损耗主要由机械损耗、铁耗、铜耗、杂散损耗组成。

仿真时，4 个方案的机械损耗和杂散损耗设置相同值，因其值较小，对效率的影响几乎可以忽略。四个方案的效率map，如图9 所示。72 槽8 极(Y8)效率最高，96%的效率区域较大，且90%的效率区域占整个工作区比重超过80%。其次是48 槽8极，72 槽8 极(Y9)，36 槽8 极最低。

图9 效率map 图

2.6 负载反电动势

在理想状态下，电机采用SVPWM 控制方式，可得到标准的正弦波电流。仿真时，输入一个标准的正弦电流，检测出负载反电动势，可以利用检测出负载反电动势波形评估磁场谐波含量。36 槽8 极的齿谐波为17 次和19 次，;48 槽8 极的齿谐波为11和13 次，;72 槽8 极的齿谐波17 次和19 次。此类电机弱磁深度越大，波形畸变也严重。

图10 负载反电势

2.7 电磁力波

根据麦克斯韦张力理论，电机运行过程中电枢会受到磁拉力，它可以分解成径向分量和切向分量。径向分量使电枢铁心产生振动，它是电磁噪声的主要来源;而切向分量使定子齿根产生振动变形，它也是产生电磁噪声的另一来源。除此之外，在分析电磁噪声时，还需对电枢进行模态分析，但本文中不做详细分析。

根据电磁理论，电机磁场气隙中单位面积的径向力电磁力［2］:

式中:Bμ为转子建立的μ 次谐波磁密;Bν为定子建立的ν 次谐波磁密;r =μ ±ν 为力波的次数，也称为r 阶次力波。电磁振动是由这些旋转力波产生的。电磁振动和噪声除了与力波的幅值大小有关，还与力波的阶次数有关。力波的阶次数越小则电枢变形就越大，所引起的振动就越大，通常电枢振动时动态形变的振幅与r4成反比。

2.7.1 径向力波

结合上述理论的分析，对四个方案的额定负载下的径向力波分析。36 槽8 极存在明显的4 阶力波，如图11(a)所示，这可能会引起高频噪声。48槽8 极阶次力波相对较好，在8 阶力波中主要含有12 倍频的力波，如图11(b)所示。72 槽8 极的Y8比Y9 力波高频次含量要少，力波振幅度变化较小，如图11(c)和图11(d)所示。72 槽Y8 和Y9 方案因为增强了气隙的磁密，其0 阶和8 阶的径向力波会比其他两个方案稍高，考虑到径向力波的阶次因数，综合比较来看，72 槽8 极Y8 和48 槽8 极的振动和噪声会更低。

图11 径向力波

2.7.2 切向力波

为便于分析，以1 个齿部单元为分析对象。电机运行在一定条件下，取一个电周期下的切向力，如图12 所示。从仿真结果来看，电枢齿上的切向力均主要含有常数量、2 倍频、4 倍频和8 倍频分量，其中常数量和2 倍频占比量较大。四个方案的齿部切向力差异较小，所以在做选型设计时，若把电机的振动噪声作为重要选项，则主要分析径向力的作用效果，切向力只作为参考项即可。

图12 各方案的齿部切向力

3 结 语

综上所述，4 个方案各有优缺点，主要着重从以下几个方面比较。

(1)效率角度:72S8P(Y8)和48S8P 效率基本相同，高于72S8P(Y9)和36S8P。

(2)从径向力波角度:48S8P 最好，其次为72S8P，最后是36S8P(含4 阶的力波，不容忽视)。

(3)从负载反电势角度:48S8P 谐波含量较大，波形畸变最严重。

(4)从温升角度:72S8P(Y8)方案发热因子小，且72S8P 两种方案采用扁铜线绕组，导热系数远高于圆铜线绕组，电流相同的情况下温升较低，效率较高，温升相同时72S8P 的功率和扭矩密度要高于其他两方案。

(5)从制作工艺角度:72S8P (Y8)因带过桥线，制作较72S8P(Y9)困难。

在实际应用中，对应转速要求不高的产品，可以优先选择36 槽8 极。因为它的4 阶力波的固有频率较高，只有当电机高速运行时才有可能产生高频电磁噪声，当电机低速运行，噪声将很小;同时因采用了短距绕组，还可以节省漆包线用量。对于高速电机，若产品对价格和初始生产投入资金较为敏感，推荐选用48 槽8 极。对产品性能和一致性要求苛刻的客户，推荐选用72 槽8 极扁铜线绕组。

［1］ 唐任远.现代永磁电机理论与设计［M］. 北京:机械工业出版社，2006.

［2］ 陈世坤.电机设计［M］.北京:机械工业出版社，2002.

［3］ 陈永校，诸自强，应善成. 电动机噪声的分析和控制［M］. 杭州:浙江大学出版社，1987.