一、電機磁場及工作原理

1.1電磁力原理

1.2發電原理

1.3永磁同步電動機工作原理

定子通交流電后產生旋轉磁場，該旋轉磁場吸引轉子磁場，使轉子跟隨定子磁場旋轉。

永磁同步電機扭矩組成。

根據唐院士編著的《現代永磁同步電機》，可知永磁同步電機的輸出扭矩來源于磁鋼扭矩和磁阻扭矩，如下式所示：

T= Pn*Φ0*iq+Pn*(Ld-Lq)*id*iq

由于內嵌式永磁同步電機（IPM)的交直軸電感具有明顯差異，因此IPM電機天生具備產生較大磁阻扭矩的條件。

因此，目前包括汽車驅動電機在內的永磁同步電機越來越多的采用了IPM方案。

*磁阻扭矩對電機系統的影響:

a.相同的電機反電勢系數下，實現相同的扭矩可以減小電機的相電流，有利于提高電機低速大扭矩情況下的效率，還為降低控制器主要器件成本創造條件。

b.在相同的控制器硬件條件下，高磁阻扭矩電機比低磁阻扭矩電機具備更高的空載轉速，有利于提高電機高速小扭矩的工作效率，改善電磁噪音，提高了電機系統的調速范圍。

二、車用驅動電機的主要性能參數及解讀

三、車輛對主驅電機的性能發展趨勢

四、IPMSM磁路結構

4.1常用磁路結構

“一”型磁路結構

優點：

a. 結構工藝簡單；

b. 對極漏抗有良好的抑制能力；

c.特別適用于對轉子內外徑尺寸 有要求的場合。

缺點：

a.永磁體沒有出現聚磁效果

b.電樞反應交軸回路通道單一， 不利于磁阻扭矩提高。

適合匹配的繞組結構

集中繞組（ISG)。

“V”型磁路結構

優點：

a.結構工藝相對簡單；

b. 具備聚磁效果

c.電樞反應交軸回路通道增寬

缺點：

a.極漏抗大

b.不適用于轉子厚度苛刻的場合 。

適合匹配的繞組結構

分布繞組（TM)。

“V+一”型磁路結構

優點：

a.具備聚磁效果明顯，可控；

b. 極漏抗得到約束

c. 磁阻扭矩較“V”大

d.適用于滲鏑或滲鋱工藝。

缺點：

a.設計不合理易出現局部退磁。

b. 不適用于轉子厚度苛刻的場合 。

適合匹配的繞組結構

分布繞組（TM)。

“雙V”型磁路結構

優點：

a.具備聚磁效果明顯，可控；

b. 磁阻扭矩較“V”大

c.適用于滲鏑或滲鋱工藝。

缺點：

a.磁鋼加工與裝配工藝復雜 。

b. 不適用于轉子厚度苛刻的場合 。

適合匹配的繞組結構

分布繞組（TM)。

4.2車用永磁同步電機磁路結構發展趨勢

a. 適應高磁阻扭矩性能和低磁鋼消耗

• 多層磁鋼布置l輔助槽（孔）的使用

• 不同材料的磁鋼混用

b. 滿足電機和變速箱一體化需求，追求轉子尺寸的薄型設計。

• “一”改進型（針對集中繞組電機）

• 對V或V+一結構的基礎上改進，例如特殊的慈橋孔，特殊的磁路飽和分布。

c. 新型磁鋼工藝或高性能硅鋼片材料的發展。

• 多層，薄磁鋼（磁鋼厚度≤4mm)

• 超薄磁橋

• 圓周磁橋不均勻

d. 迎合創新控制策略對電機磁路參數的特殊需求變革。

• Consequent 磁極

• FSM

• what ever ????

五、永磁同步電機相關設計參數及取值

5.1P、Z、N取值（電機設計最關鍵參數）

a.極對數P

極對數越多，電機定轉子軛部厚度需求越薄，繞組端部尺寸越小，十分有利于提高電機的扭矩密度和功率密度。所以混動動力車輛的ISG或TM電機的極對數一般都很多。l在不考慮轉子漏磁的前提下，電機的極對數約多，電樞對轉子的電樞反應越弱，因此，增加極對數還可以減薄磁鋼厚度。l考慮到實際工藝能力和定轉子機械強度問題，過多的極對數，會導致轉子漏磁系數過大，所匹配的電樞槽面積過小、反不利于功率密度的提高。l極對數決定了電機在一定轉速下的的工作頻率，因此可以根據電機鎖匹配控制器開關器件的能力和電機鎖工作到的最高轉速來獲得電機允許的最高極對數。

優先級推薦：滿足電機可控性＞滿足電機可制造性＞取盡可能多的磁極。

b.槽數Z(一般情況下，必須先決定P值再選Z值）(概念：每極每相槽數Q=Z/(3× 2 × P),Q為整數時稱作整數槽繞組，否則稱之為分數槽繞組。

車用大功率電機若是選擇了集中繞組，那么電機的Q=0.5，那么槽數Z=3×P，也有少數小功率電機8 極9槽或10極12槽。

Q值越大，電機的反電勢諧波越小，電機齒槽扭矩和力矩波動幅值越小，但根據經驗Q≥3后，對諧波改善效果可以忽略。Q值越大，電機下線工藝性越差。

華域多年電機研制經驗證明：采用分數槽分布繞組可以再相對小的Q值情況下實現較好的反電勢波形，特別是有利于電機磁阻扭矩的提高。

由于驅動電機的功率較大，電機單相串聯匝數較少，那么很多時候需要選擇合適的槽數Z，來保證電機匝數的合理。

電機常用的Q值推薦為：Q=0.5;Q=1.5;Q=2;Q=2.5；Q=3（對于車用驅動電機Q取較大值時往往應用扁銅線繞組工藝。）

匝數NlE=4.44 ×f ×Φ×N，匝數增加，電機的反電勢系數增加，相同電流下的扭矩增加

匝數增加，意味著導體的截面積減少，可能帶來電樞熱負荷過高的問題。

改變電機的體積，就改變了電機的磁通面積，改變磁路結構可以更改氣隙磁密和極弧系數。為調整電機匝數創造條件。

總之：在電機的槽數和極對數確定后，電機的匝數可以根據電機的發熱計算情況(常用電流密度和熱負荷來衡量）和電機反電勢需求來選取，并通過優化電機尺寸和磁路結構有優化。

華域專利驅動電機繞組技術（一種分數槽分布繞組）EMF波形好、繞組端部尺寸及用銅省、磁阻扭矩大、適用于機器自動下線

采用銅扁線工藝時，電機的每元件匝數等于1至3

5.2主要尺寸確定

a. 電樞外徑取值

一般情況下，根據整車尺寸需求，去除外殼厚度即得到定子鐵芯外徑。

電機機殼的厚度隨電機的外形尺寸和機殼工藝不同而不同。

近年來越來越廣泛應用的一體化水冷卻機殼，其機殼壁厚建議在18至30mm不等。

b. 電樞內徑取值Di

定義：定子外徑尺寸確定后，才能確定電樞內徑尺寸，即關鍵是設計電機的內外徑比例值Kd。

影響：Kd值增大，電機電樞磁勢影響力減小，但轉子磁通量增大、轉子磁勢增強，易于提高電機的功率能力，但需要增大了電機的銅損，反之將減小電機的功率能力，但能給提高電機效率創造條件。Kd值同樣影響了電樞槽尺寸與形狀，Kd值越小，槽越深，電樞槽口越小，槽漏抗增加。

因此：Kd是電機設計非常關鍵的參數，需要進行多方案優化對比設計。

一般經驗系數推薦

注：

1.永磁同步電機的Di值一般比對應的異步電機略小。

2.對于混合動力系統，往往對電機的定子外徑和轉子內徑都有要求，此時可能需要根據電機定轉子齒軛部尺寸的工藝可行性，先定電機的定子內徑，反過來優化電機的極對數或槽數。

3.由于涉及到定子槽型尺寸的合理性，因此表格中的數據應隨電機Z值變化而優化。

c. 電機定轉子氣隙δ選取

影響：氣隙越小越有利于提高電機動力性能，但電機噪音也喜歡過小的間隙，過小的間隙要求過高零部件裝配精度，也無法適應轉子高速時的離心力變形。所以電機的該尺寸能做多小主要取決于相關工藝水平和高速條件下轉子形變情況。

一般經驗推薦

注：鐵芯長度、噪音要求、配合精度等也是決定氣隙大小的重要依據。

5.3磁密取值

a、 出力和磁密的關系磁密取值

電磁力：F=BIL

電磁扭矩   Te=BINLfeR=BJV

可見:電機的扭矩密度取決于電機空氣間隙內的負載磁密和定子內導體的電流密度

b. 電機磁密的影響因數

磁密B等于該物質所在環境的磁場強度乘以該物質材料的磁導率

因此：電機獲得較高的磁密可以有2個途徑。

注：電機鐵芯材料的磁導率是空氣磁導率的100至3000倍左右

c. 空、負載磁密的取值問題

空載

磁密分布影響范圍: 反電勢EMF大小及波形 &空載鐵損在滿足反電勢大小前提下，建議取較低的空載定子磁密，合理的轉子磁密。

峰值負載

磁密分布影響范圍: 反電勢EMF大小及波形 & 負載扭矩、鐵損。

適當調節電機交直軸電流分配比例，在基本不犧牲電機扭矩的條件下，緩解磁路飽和程度。

定轉子多為飽和狀態，但應通過磁路有話減少電樞漏抗帶來的磁路飽和。

空負載磁密值推薦（以B35AVH1900為例）

5.4反電勢取值

1. 反電勢對電機及控制器的影響.

a. 在電機的工作電流一定的條件下， 電機的輸出扭矩正比于電機的反電勢。在相同的輸出扭矩要求下，增大電機反電勢可以降低電機的工作電流。

b. 電機在不弱磁工作時，在電機電壓一定的條件下電機的工作轉速與反電勢成反比；對于控制同步電機來說，反電勢的大小基本確定了電機峰值扭矩拐點位置。

c.最高反電勢威脅到控制器主要元器件（電容和IGBT）的安全，過高的反電勢可能會導致器件損壞。

2. 反電勢的取值

根據第2條可知，設計電機時，首先要確保控制器元器件的安全（不能過高),一般來說市場現有薄膜電容可承受低于500V的反電勢；對300V左右供電系統若定制器件，該值一般小于700V。

英飛凌800A模塊的耐壓特性

某國產薄膜電容耐電壓能力

注：目前大多數整車廠希望電機的最高反電勢低于450VDC

5.4反電勢值和電機性能估算

3. 利用反電勢估算電機性能參數

a.根據客戶或控制器IGBT提供的信息，可以判斷電機能夠獲得的最大相電流有效值，記作：IΦ。

b. 將(20℃）空載線反電勢峰值（或DC值）÷對應的轉速，得到反電勢系數Ke。

c. 將IΦ × Ke乘以9.55=理想磁鋼扭矩Tm。

d. Tm ×Kr=Tp（電機可能獲得的最大峰值扭矩）。

各種繞組與磁路結構匹配產生的磁阻扭矩系數推薦值

e.電機能獲得的最高工作電壓÷峰值扭矩下磁鏈產生的反電勢值×最高轉速=拐點轉速。

六、永磁同步電機的仿真手段

6.1軟件的選擇

目前行業內的常用商業軟件有：

軟件都沒問題，關鍵是用多了就準！

• 為什么會出現設計和實測數據的很大偏差？

答：導致性能和設計偏差的主要問題有：

a.材料定義不完善（特別是磁化曲線定義）;

b實際尺寸偏差控制不合理;

c.材料性能余量估計不足、

d. 模型等效帶來的偏差;

e. 網格劃分不合理帶來的偏差;

f. 仿真數據處理不當。

• 電機設計人員重要能力是會操作相關軟件？

答：可笑！沒有聽說過那個軟件公司設計的電機好。

6.2仿真條件注意事項：

1. 材料屬性

IPM電機的磁路天生存在深度飽和的特性，局部位置硅鋼片相對磁導率接近1，所以在進行這類電機的磁路仿真時，硅鋼片材料特性的磁化曲線應定義至XT以上。

磁鋼材料性能不僅容易受溫度影響，磁鋼的加工公差（特別是磁鋼較薄時）在建模時也需要考慮進去，具體尺寸或參數的修正需要結合產品的設計經驗，必要時需要做向供應商確認。

2. 鐵損表受實際工藝影響的變化值

電機的鐵損取決于材料特性和工作頻率和磁密。但設計人員收到供應商提供的鐵損特性數據其實無法直接應用的。導磁材料受外力影響后材料特性會發生變化（一般都是變差),此外，硅鋼片毛刺可以破換硅鋼片切邊的絕緣層，增加了切邊渦流損耗。因此電機進行效率仿真時，需要根據經驗酌情考慮鐵損補償系數。

電機鐵損需要消耗定子中的有工功率，在進行力學仿真時，同樣應考慮鐵損引起的相電流值增加.

3. 網格劃分（很多軟件是自動進行劃分的）

網格劃分是進行有限元計算的必要步驟，網格劃分越細致理論上計算月精準，但會增加有限元計算的時間。

因此行業內的工程師都知道可以選擇性進行局部細化仿真，尤其是定轉子間隙中需要增加網格劃分的密度，（個人經驗）氣隙內網格最好能劃成三層。

作為有限元網格有兩種形式：三角形和四邊形（不是所有有限元軟件都能支持），三角網格形容易劃分，四邊形網格有限元計算精度高于三角形。

所以對求解精度要求苛刻時應該優先考慮四邊形網格結構。

4. 力學求解器（Maxwell力和虛功力的理解（不是所有軟件都能支持）

兩種有限元力學求解方式理論上應該得出相同的計算結果，但實際上有限元仿真的本質是等效計算，因此兩種計算方法得出的結果有時（特別是計算磁阻扭矩和齒槽扭矩時）會有明顯差異。

增加網格密度，可以降低MAXWELL方程計算磁阻扭矩的計算誤差。

5. LD/LQ計算和判斷

一般規律：Ld隨電機弱磁升速和扭矩增加，數值基本不變。Lq隨扭矩增加（或磁密飽和）而減小，隨弱磁升速（磁密降低）而增大。

電機進行FOC控制時，電機的交直軸電流都是同時加載。在同一定轉子沖片磁路下，交直軸的磁路是相關影響的。仿真求解和加載條件必須相同。

七、永磁同步電機的設計輸出參數

1. 反電勢或空載磁鏈

2. 短路電流

3. 最大相電流和最高工作電流頻率）（是否和控制器IGBT一致）

4. Ld/Lq表

5. 負載特性（特別是峰值扭矩、功率時直軸電流和短路電流的關系）

6. 齒槽扭矩

7. 0N.m最高轉速下需要的最小相電流和磁密分布

8. 效率MAP

9. 電流密度和熱負荷判斷

10. 槽滿率

11. 繞組端部尺寸

總結

國內車用驅動電機技術和國外還有一定差距。在國內外同行的共同努力下，電機技術日新月異。市場對電機性能和成本的要求沒有極限。