電動汽車永磁同步電機的案例
純電動汽車永磁同步電機引起車內嘯叫的分析及優化
摘要：純電動汽車永磁同步電機是影響整車的NVH性能主要激勵源之一，通過對驅動電機定子的分析與優化，能有效降低電機諧頻激勵，減小電機振動，從而提高整車NVH舒適性。文章以一款純電動車型為例，重點講述通過測試排查減速能量回收車內嘯叫問題，確認驅動電機24階、48階激勵通過結構和空氣傳遞到車內，引起車內中高頻嘯叫聲，最終優化驅動電機定子繞組得以改善，達到優化車內噪聲的目的，為純電動汽車NVH性能開發和優化提供參考與借鑒。
作者信息：
姓名：朱建，鄭濤，呂運川
單位：眾泰汽車工程研究院
前言
隨著世界環境問題嚴峻化、國內汽車排放標準嚴格化，新能源電動汽車作為一種使用電能作為驅動能源的現代交通工具，將作為全球汽車工業當前和未來發展的重點。純電動汽車使用電機作為動力源，是驅動整車行駛的核心部件。而永磁同步電機（PMSM）因具有高功率密度、高效率、良好的轉矩特性，以及結構簡單、體積小、噪聲振動低等特點，是目前純電動汽車的主流選擇。驅動電機轉矩波動將直接影響到車內噪聲振動舒適性。本文以某純電動汽車開發過程中在減速能量回收工況車內電磁嘯叫聲的優化過程為例，考慮了驅動電機高階諧頻激勵對整車NVH性能的影響，并對電機定子繞組進行優化，從而達到消除車內高頻嘯叫聲的目的，旨在為純電動汽車NVH性能開發和優化提供參考與借鑒。
1 問題描述
該純電動車型搭載的電驅動系統包含永磁同步電機、單速比減速器以及三合一控制器，布置方式采用前置前驅，電機轉子為8磁極V型，定子為48槽單層繞組結構。在減速能量回收工況，電機轉速由3500rpm（轉/分鐘）降到1300rpm期間，主觀評價車內有明顯高頻嘯叫聲。對該工況下車內噪聲進行測試，結果如圖1-2所示。
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摘 要：純電動汽車永磁同步電機是影響整車的NVH性能主要激勵源之一，通過對驅動電機定子的分析與優化，能有效降低電機諧頻激勵，減小電機振動，從而提高整車NVH舒適性。文章以一款純電動車型為例，重點講述通過測試排查減速能量回收車內嘯叫問題，確認驅動電機24階、48階激勵通過結構和空氣傳遞到車內，引起車內中高頻嘯叫聲，最終優化驅動電機定子繞組得以改善，達到優化車內噪聲的目的，為純電動汽車NVH性能開發和優化提供參考與借鑒。
關鍵詞：純電動汽車；驅動電機；能量回收；嘯叫
前言
隨著世界環境問題嚴峻化、國內汽車排放標準嚴格化，新能源電動汽車作為一種使用電能作為驅動能源的現代交通工具，將作為全球汽車工業當前和未來發展的重點。純電動汽車使用電機作為動力源，是驅動整車行駛的核心部件。而永磁同步電機[1]（PMSM）因具有高功率密度、高效率、良好的轉矩特性，以及結構簡單、體積小、噪聲振動低等特點，是目前純電動汽車的主流選擇。驅動電機轉矩波動[2-3]將直接影響到車內噪聲振動舒適性。本文以某純電動汽車開發過程中在減速能量回收工況車內電磁嘯叫聲的優化過程為例，考慮了驅動電機高階諧頻激勵對整車NVH性能的影響，并對電機定子繞組進行優化，從而達到消除車內高頻嘯叫聲的目的，旨在為純電動汽車NVH性能開發和優化提供參考與借鑒。
1 問題描述
該純電動車型搭載的電驅動系統包含永磁同步電機、單速比減速器以及三合一控制器，布置方式采用前置前驅，電機轉子為8磁極V型，定子為48槽單層繞組結構。在減速能量回收工況，電機轉速由3500rpm（轉/分鐘）降到1300rpm期間，主觀評價車內有明顯高頻嘯叫聲。對該工況下車內噪聲進行測試，結果如圖1-2所示。
展開 【討論】永磁同步電機相對于永磁直流電機好在哪，為什么現在的電動汽車都采用同步電機？
永磁同步電機是定子勵磁，不需要碳刷。而且控制自由度更高，同時控制相位和電壓，啟動性能很好。反過來傳統直流永磁電機是轉子勵磁，需要碳刷給轉子供電。而且控制只能控制電壓，適應性差。
國產主流電動汽車電機盤點：永磁同步vs交流異步
在電動汽車的電機使用方面，目前大多數國內廠商喜歡使用永磁同步電機，但是歐美公司大多會選擇采用交流感應電機，這主要有以下幾個原因：
1.歐美廠商的電動汽車最初主要是做電動跑車，其需要較大的扭矩以實現高加速度，并且隨著技術的進步，雖然永磁同步電機已經出現并且效率更高，但是讓歐美廠商放棄已經成熟的感應電機技術轉向感應同步電機的研發顯然不可能，國內廠商之所以采用永磁同步電機較多也和市場環境因素有關。
商用電動車用永磁同步電機電磁振動噪聲削弱方法
摘要
電磁振動噪聲是電機振動噪聲的主要噪聲源，直接影響電機的NVH特性，而電磁力是影響電磁振動噪聲的主要原因。本文基于解析推導法和Ansys多物理仿真平臺，針對一臺250 kW的商用電動車用永磁同步電機進行研究并對其電磁振動進行了分析，指岀電機氣隙磁密的變化將會影響電機定子齒受到的電磁力，從而影響電磁振動噪聲。本文提岀了一種通過在轉子表面增加凹口的轉子結構改進方案以削弱電磁振動噪聲，并對改進前后電機的電磁、模態、振動、噪聲進行仿真計算與對比分析。經過對比優化前后的分析結果可知，優化后的電機方案在保證平均轉矩基本不變的前提下，轉矩脈動得到降低，電磁振動噪聲得到削弱。
關鍵詞
模態分析；電磁振動及噪聲；NVH；電磁激振力；永磁同步電機
0 引言
自2020年9月國家明確提出“雙碳”目標以來, 各行各業都面臨新的機遇和挑戰，其中電動化是節能減排的主要途徑，新能源行業、電動汽車產業是碳達峰及碳中和的主力軍[1]%而隨著駕駛員及乘客對駕駛、乘坐舒適度、噪音水平的需求的日漸趨升,噪聲、振動與聲振粗糙度即NVH指標成為各大零部件提供商和汽車制造商最關注的問題之一。與傳統燃油車不同，電機代替內燃機為電動汽車提供動力， 所以對電動汽車振動噪聲的研究應該圍繞電機展開。永磁同步電動機（PMSM）具有結構較為簡單、體積和重量較小、電機損耗較小、功率因數和效率高等優點，因此，PMSM作為驅動系統被廣泛應用于新能源電動汽車領域[2]。
電機的振動和噪聲主要有三個來源：電磁振動和噪聲、機械振動和噪聲以及空氣噪聲。空氣噪聲在無風扇和低轉速下，其噪音分貝值較小，一般情況下可以忽略。同時，隨著近年來材料加工和工藝領域和的不斷進步，機械振動及其產生的噪聲也可以排除掉，因此如何減小電磁振動是削弱電機振動的重中之重。
展開 【討論】電動汽車為什么有的使用交流感應電機而不是永磁同步電機？
特斯拉、蔚來都采用了感應電機而不是同步電機，除此之外有哪些采用永磁同步電機的？同步電機相對感應電機應該功率密度更大、效率更高，應該是有優勢的。采用感應電機是因為擔心永磁體磁場強度容易衰退？高溫、震動會導致退磁？
電動汽車用分裂繞組永磁同步電機設計
作者：翟秀果，李毅拓，鄭 權丨河南森源重工有限公司
摘 要：
設計了一款新型純電動物流車用驅動電機，定子采用分裂繞組形式，電機在低速區域工作時繞組全部接入，電機在高速區域工作時繞組部分接入，以替代機械式兩檔變速箱，拓寬電機高效率工作區域。
解決電動汽車續航里程問題，一方面要從儲能電池入手，研制高儲能的電芯和電池管理系統，另一方面要從電驅系統方面入手，研制高效節能的電機和電控系統。本文主要研究電機的高效節能性，以一款200 kW永磁同步電機為例，探討分裂繞組定子和交直軸電感優化對電機高效率特性的貢獻。
永磁同步電機轉子上沒有銅耗，相對于異步電機效率較高，電動汽車廠家在電驅系統中越來越傾向于使用永磁同步電機。傳統電機定子繞組為固定匝數，因為電機感應電動勢和轉速成正比，所以永磁電機在高速時必須進行弱磁控制，以免感應電勢過高擊穿開關器件，即永磁電機在高速時有相當一部分電流是起到反向弱磁功能，并不提供轉矩，該部分弱磁電流在定子中同樣存在銅耗。
為了解決這一問題，部分廠商采用兩檔變速箱的結構，在車輛高速行駛時用切換齒輪的方法降低電機轉速，以此來降低電機的感應電動勢，但該結構增加了變速箱后電驅系統的體積和成本。
展開 電動車用永磁同步電機驅動系統
來源：杭州易泰達科技 作者：鐘德剛
前言
在2014年10月22-25日《第十七屆國際電機與系統會議》上，我們展示了一套電動車用永磁同步電機驅動系統，這套系統是由一臺額定功率為1.8kw、額定轉速為2850RPM的內嵌式永磁同步電機驅動，控制系統是一套基于STM32平臺搭建的采用最大轉矩電流比以及弱磁控制的解決方案，采用外速度環、內電流環，兩環矢量控制算法。核心控制算法軟件架構如圖1所示，當電機轉速低于700r/min 采用虛線表示的霍爾傳感模式獲取轉子角度與速度信息，當電機轉速高于 700r/min 時切換無位置傳感器模式。
圖 1 核心控制算法軟件架構
本方案為正弦波的永磁同步電機控制方案，圖2所示為電機運行在2500RPM、5N.m 時電流波形，電流波形正弦性好，諧波少，噪聲小。
圖 2 電機運行在 2500RPM、5N.m 時 C相實際電流波形
1、電機控制方式
這次展會使用的是一臺內埋式永磁同步電機，其特點是轉子磁路具有不對稱性，從而可以產生磁阻轉矩，利用這個特點可以調高電機的過載能力和功率密度。
此控制系統同時使用最大轉矩電流比策略和恒功率弱磁算法。在額定轉速之
內采用最大轉矩電流比（MTPA）矢量控制算法，采用該策略可以充分利用磁阻轉矩，從而提高電機的轉矩輸出能力和系統效率。在實際應用中，有時需要擴展電機的轉速，所以在額定轉速之上采用恒功率弱磁控制算法，使得在電機超過最大恒功率運行速度時，能夠繼續提高電機的轉速，也就是提高電機的最大運行速度。
2、電機傳感器類型
無論是在最大轉矩電流比策略中還是在弱磁控制中都需要得到準確的電機位置和速度信息，本控制方案中采用了無位置傳感器控制算法，使得系統穩定、可靠、精準。
展開 新能源汽車技術 | 轉子不同方式分段斜極對永磁同步電機噪聲的影響
轉子不同方式分段斜極對永磁同步電機噪聲的影響
范慶鋒1,2,王光晨1,2
(1.中車株洲電機有限公司，湖南 株洲412001；2.湖南省新能源汽車電機工程技術研究中心，湖南 株洲412001)
0
引 言
隨著新能源汽車領域的發展，驅動電機各方面的性能不斷提升，對電磁噪聲提出了更高的要求。因為電磁噪聲主要來源于電機驅動系統，所以驅動用永磁同步電機(PMSM)的噪聲水平直接影響電動汽車的舒適性[1-3]。
PMSM電磁力可分為切向電磁力和徑向電磁力2種，前者主要用于輸出電磁轉矩，但會引起轉矩脈動，使定子齒部彎曲變形；后者使電機的定子鐵心產生周期性形變而引起振動噪聲，是引起電機振動噪聲的主要原因[4-5]。
電機的振動噪聲涉及電磁、機械、力學、聲學等多個領域，研究方法主要有解析法、有限元法和試驗法[6]。
展開 新能源汽車永磁同步電機優化
永磁同步電機 （Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）作為電動汽車驅動系統首選，因轉矩響應快、體積小、效率高、噪聲小等優點，迅速占領了新能源汽車市場，且市場占有率逐漸上升。電動汽車的快速發展和強烈的需求刺激，迫使驅動電機向高速化、輕量化、高效化等方向快速推進。通過優化電機功率密度，不僅滿足電動汽車對驅動系統高速化、輕量化、高效化需求，而且對PMSM產品競爭有重要的戰略意義。
目前實現車用永磁電機的高功率密度有兩種方法：①提高電機轉速；②提高轉矩密度，但提高轉速帶來風摩損耗過高、軸承潤滑及壽命、噪聲等問題，因此通過提高轉矩密度來提高功率密度成為很多廠家研究的重點。
1 有限元電磁仿真
1.1 模型搭建
以一臺72槽12極永磁同步電機為例，使用motor-CAD建立其模型，通過E-mag模塊進行電磁熱耦合分析。電機參數見表1。
表1 仿真模型的參數
為了節省仿真時間，取電機一極為仿真模型并劃分網格，如圖1所示。
圖1 永磁同步電機模型
1.2 邊界定義
文獻［3］描述了永磁同步電機因鐵磁物質磁導率遠遠大于空氣磁導率，電機定子軛邊緣雖有部分漏磁，但這部分衰減很快，且電機磁力線沿定子軛表面閉合，可取定子軛邊緣為零邊界，這在工程上近似合理。電機結構對稱，磁場沿周向周期變化。具有周期性條件，在相鄰兩極中心線上，磁力線垂直穿過，極間幾何中心線法線方向變化率為零，故選取一個極距進行仿真。
1.3 空載仿真
永磁同步電機空載仿真如圖2所示，從磁密云圖和空載反電勢波形看出，電機所含諧波較少。
圖2 永磁同步電機空載仿真
1.4 負載仿真
從圖3可以看出，電機各項參數選擇較合理，為了深究其材料的利用率和單位質量的出力，在不改變電機有效體積的條件下進行參數優化。
展開 關于永磁同步電機的10個知識 附永磁同步電機三個關聯參數轉矩系數Kt、反電勢系數Ke、磁鏈Phi之間
普通電機10極以上的電機很少，不是技術上達不到，而是轉速越低，效率做不高，而且機座號做的很大，功率很小，這在以前被認為劃不來的事。而永磁電機可以把極數做的很高，異步起動永磁電機有24極的，甚至32極。轉速做的很低，可以對一些設備采用直驅，省去減速設施，從節能的角度來講，這樣可以提高效率。而且永磁電機因為轉子損耗小，雖然極數高，效率也可以做的很高，節能前景很好。
8、永磁電機成本高，加工工藝復雜。由于使用了高性能的稀土永磁材料釹鐵硼，所以制造成本較高。永磁體放置在轉子內部，設計和安裝工藝復雜，也增加了制造成本。當然，隨著新技術、新材料、新工藝的不斷推陳出新，成本較永磁同步主機剛開始推行要減少的很多。
9、永磁電機的起動有自己的特點。一般永磁電機不可以采用降壓起動方式，因為普通永磁電機（380V,50HZ),在電壓降低到330V時，起動困難，轉子抖動厲害。小功率的永磁電機一般采用直接起動的方式。大功率的永磁電機，在變壓器容量足夠大的情況下，而且對設備機械沖擊要求不嚴的情況下也可以直接起動。否則，建議采用變頻器驅動的軟起動方式
10、三相交流永磁同步電動機的驅動，可以采用“定子繞組封星”方式，來提供電梯非驅動狀態下，制動器失效時的電動機本身所產生的制動電磁轉矩，以抑制意外狀態下的“快速溜車”，但該連接方式所起到的作用不能與電梯的上行超速保護裝置、電梯意外移動的保護裝置混淆。
下載地址：永磁同步電機三個關聯參數轉矩系數Kt、反電勢系數Ke、磁鏈Phi之間的關系
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新能源汽車講解丨永磁同步電機的選型與參數計算
新能源汽車講解丨永磁同步電機的選型與參數計算
新能源汽車技術|車用永磁同步電機定子鐵耗的分析與優化
0 引 言
在車載動力電池未能取得突破的情況下，提高驅動電機的效率對提高車輛續航里程至關重要[1]。
目前中國電動汽車續航里程認證標準GB/T 18386—2005《電動汽車能量消耗率和續航里程實驗方法》主要參考新歐洲駕駛循環(NEDC)工況。文獻[2]中提出車用電機在低負荷中高速運行范圍內的效率提高對于延長車輛續航里程至關重要。文獻[3]揭示采用非晶合金鐵心材質的電機比硅鋼片電機鐵耗更低、效率更高。文獻[4]研究鐵心硅鋼片的厚度對鐵耗的影響。新能源汽車行業在日趨激烈的競爭下，選用低成本原材料。降低電機成本是必須考慮的問題。
文獻[5]引入鐵耗系數計及制造工藝對鐵耗的影響，并對電機進行優化設計。文獻[6]通過采用偏移非對稱轉子極的方法，可同時有效抑制電磁轉矩、磁阻轉矩和齒槽轉矩的脈動，但制造工藝復雜。文獻[7]通過對轉子輔助槽位置和尺寸的優化來抑制空載鐵耗，得出開輔助槽對“V型”轉子結構電機空載鐵耗影響比較大，對“V一型”轉子結構電機空載鐵耗影響很小，但未考慮電機負載運行時，輔助槽對鐵耗的影響規律。
本文從考慮電機成本和加工難度角度出發，研究采用轉子開輔助槽抑制車用電機的定子鐵耗。
1 鐵耗模型及輔助槽設計分析
1.1 鐵耗分離計算模型
本文基于Bertotti鐵耗分離計算模型，分析永磁同步電機（PMSM）的鐵耗，考慮磁化方式的鐵耗計算公式[8]為
式中：PFe為鐵耗；Ph、Pe、Pa分別為磁滯損耗、渦流損耗、異常損耗；kh、ke、ka分別為磁滯損耗系數、渦流損耗系數、異常損耗系數；f為交變磁場頻率;Bm為磁密正弦波幅值；B(θ)為磁場密度。
電機實際運行時，磁化方式主要分為2種：(1)磁化方向不變，大小按正弦規律變化的交變磁化；(2)磁化方向、大小均隨時間變化的旋轉磁化。
展開 新能源汽車講解丨永磁同步電機的選型與參數計算
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淺談新能源汽車NVH—永磁同步驅動電機徑向電磁力致噪聲的來龍去脈
眼下汽車新四化已成為行業共識，汽車電動化的浪潮也越來越澎湃，電驅動作為新能源汽車能量轉換的關鍵一環，對新能源汽車的舒適性有著很大的影響。如圖1所示，沒有了發動機的掩蔽效應，電驅動和電控系統噪聲成為主要噪聲源，且其中高頻的特性使得聲品質的關注度大幅上升。且隨著驅動電機朝著寬調速區間、更高轉速、輕量化等方向的發展，給電機的NVH性能開發帶來了更多的挑戰。電機的NVH涉及的知識較為交叉，一些概念容易被混淆從而加大理解的難度，本文將針對永磁同步電機徑向電磁力致噪聲，力求用直白的描述簡略地介紹清楚其中的機理。
圖1.傳統燃油車和新能源車的NVH問題分布
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本文討論范圍的界定
驅動電機噪聲可以大致分為機械噪聲、電磁噪聲、氣動噪聲（液冷則無），其中電磁噪聲機理相對復雜，聲品質較差，常表現為高頻的嘯叫，容易引起人們的不適，電磁噪聲是本文討論的范疇。
電機電磁噪聲是由電磁力引起，其中電磁力可以分為麥克斯韋力和磁致伸縮力，一般情況磁致伸縮力的噪聲貢獻較小，本文只討論麥克斯韋電磁力；按照電機的結構，一般將電磁力分為切向力和徑向力，切向電磁力一般會導致轉矩波動，進一步帶來振動噪聲，而徑向電磁力會導致定子振動從而向結構傳遞振動和向空氣輻射噪聲，如圖2所示。限于篇幅，徑向電磁力導致的永磁同步電機定子振動噪聲是本文討論的對象。
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