車用永磁同步電機的案例
車用永磁同步電機NVH 性能的優化
車用永磁同步電機NVH 性能的優化
摘 要：從電機噪聲的分類、產生機理、優化措施三方面分析了永磁同步電機的NVH 性能，希望能對電動汽車企業排查整改電機NVH 問題起到一定的指導作用
由于永磁同步電機（后文簡稱為“電機”）具有體積小、質量輕、效率高、功率因數高、起動轉矩大等優點，目前已在電動汽車行業獲得最廣泛地應用。故本文著重對永磁同步電機的NVH 性能優化進行分析。
1 電機噪聲的分類
由于電動汽車沒有了發動機的掩蔽效應，電驅動（驅動電機+減速器）系統噪聲成為主要噪聲源，其中驅動電機的高頻特性使得人們對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。
電機噪聲主要分為三大類，即：電磁噪聲、機械噪聲、空氣動力噪聲。
展開 車用永磁同步電機的電磁噪聲分析與抑制
摘要
：電機模態的準確分析是實現電機低噪聲驅動設計的重要環節。當電機模態頻率與對應階次徑向電磁力波頻率接近時，會產生共振。以一臺6極36槽的70 kW商務車主驅動永磁同步電機(PMSM)為研究對象,對比分析轉子開輔助槽和針對一階齒諧波的轉子分段斜極方法對電磁力波的影響。采用轉子開輔助槽和轉子分段斜極的優化方法后,0階12倍頻徑向電磁力波幅值可減小79%。建立電機三維有限元模態仿真模型，分析電機結構部件對模態的影響，結合常用車載驅動電機的安裝固定方式對外殼進行約束,分析不同約束方式下電機的模態特性。結果表明，在峰值功率8 000 r/min的工況下，優化設計方案下的0階12倍頻的徑向電磁力波幅值較大,但由于頻率為4 800 Hz,遠離電機模態的固有頻率，因此不會發生共振，降低了電磁噪聲。
關鍵詞
：電磁力波;模態;輔助槽;斜極;永磁同步電機
0引言
電機的結構噪聲是電機結構受到激振源激勵而產生的，主要來源有機械振動和電磁振動⑴。機械振動由軸承摩擦或轉子不平衡等因素引起， 可以通過采用低噪聲軸承、提高加工工藝和裝配精度等措施來改善；電磁振動由作用于定子結構上的電磁力波引起，是引起車用永磁同步電機(PMSM)噪聲的重要因素。
19世紀20年代初,Fritze首次提出電機電磁噪聲主要由定、轉子之間的徑向電磁力產生⑵。文獻［3］是較早分析PMSM電磁噪聲激振源的文章，將激振源歸為轉矩波動和定、轉子之間的徑向電磁力波,發現電機振動噪聲的頻率特征與上述激振源的頻率特征有很強的關聯性。文獻［4］全面闡述了車用電機振動與噪聲的產生機理，從理論層面深入分析電機電磁噪聲的來源,揭示了電磁噪聲和電機結構參數以及控制參數之間的關系。
展開 車用永磁同步電機設計不簡單！
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.
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。
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大功率永磁同步電機溫升研究
近年來，國內外大力發展新能源汽車，永磁同步電機因具有功率密度高、體積小、重量輕、效率高等優點而得到廣泛運用。隨著整車對動力性能的要求越來越高，電機的功率需求也越來越高，高熱負荷下的溫升性能也成為挑戰，準確、快速計算大功率電機峰值工況下溫升（下文簡稱峰值溫升）對電機設計研發意義重大。
國內外學者對電機溫升進行了大量研究，主要方法有數值計算法、等效熱網絡法、有限元法等，以上研究大多聚焦于穩態工況，而對汽車用大功率電機峰值工況運行的溫升研究還相對較少。
本文以一臺200kW純電動汽車用驅動電機為例，選取整車四驅百公里加速需求3s內的峰值扭矩運行工況，考慮整車存在重復多次加減速需求，電機峰值扭矩運行需求20s，采用數值計算和仿真分析分別求解得到電機峰值運行溫升時間，并對數值計算模型進行修正，最后通過實驗驗證了求解模型的準確性。
1、電機基本參數
本文研究對象為一臺峰值功率為200kW的車用永磁同步電機，散熱方式采用液冷，在420V電壓、620Arms電流下，電機的基本參數如表1所示。
2、峰值溫升數值計算與分析
電機峰值大電流、大扭矩運行工況，特別是高功率密度電機，其主要發熱來自繞組銅耗和鐵芯損耗，且因繞組與鐵芯之間存在導熱系數低的絕緣紙、絕緣漆及空氣等導致繞組熱量短時無法散失而使繞組溫度快速上升，而鐵芯因與殼體接觸而熱量散失較快。假設電機繞組發出的熱量全部被自身吸收，即有：
式中：t為峰值運行時間，PCu為銅損，Cp為繞組比熱容，M為繞組質量，T為電機某時刻溫度，T0為電機繞組初始時刻溫度。
本文電機繞組形式為Y型連接，繞組銅損為：
式中：m為繞組相數，I為相電流，R為相電阻，R0為電機繞組初始相電阻，α為Cu的電阻溫度系數。
展開 新能源車用永磁同步電機的標定與控制
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新能源車用永磁同步電機的標定與控制
新能源車用永磁同步電機的標定與控制
新能源車用永磁同步電機的標定與控制
新能源車用永磁同步電機的標定與控制
新能源車用永磁同步電機的標定與控制
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車用永磁同步電機控制及弱磁方法
車用永磁同步電機控制及弱磁方法
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。
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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
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
1 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。
展開 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
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。
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。
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
采用永磁同步電機因其自身結構緊湊，功能齊全，集曳引電機、曳引輪、電磁制動器、光電編碼器于一身，易于安裝，便于使用，使得其在行業內近十年來大展身手、普遍開來。特別是在無機房電梯的開發應用中，將永磁同步曳引電機安裝在電梯的井道里，既節約了機房的建造成本，又美化了建筑物外觀。當電梯負載變化時，永磁同步電機通過調節夾角來適應，其響應速度很快。
為了使電梯有良好的起、制動舒適性和平層準確度，在系統中加入了準確的轉子位置裝置和電壓電流檢測裝置，隨時確定電機磁場的大小、方向。位置檢測裝置采用轉子位置傳感器（光電編碼器或旋轉變壓器等）。轎廂負載檢測裝置可采用位置型、壓力型等多種形式，對電梯負載進行預先測量并計算，給出恰當方向和大小的力矩，可輸出開關量、模擬量（電壓）和頻率量（高頻抗干擾性強，能遠距離傳送）等。
永磁同步電機，準確的講，應該叫異步起動同步運轉的永磁電機。這種電機，使用中可以同尺寸代替原來的Y,Y2,Y3等電機。減少了更換過程的麻煩。與普通電機相比，永磁電機有其自己的特點：
1、轉速恒定，為同步轉速。轉速較普通電機稍高，比如普通電機4極轉速為1400n/min多轉，永磁同步電機轉速就是1500n/min，丟轉少。
2、功率因數高。永磁電機在正常運轉時，轉子轉速和定子磁場轉速一致，轉子磁極采用永磁磁鋼，沒有電流，定子上感應電流減小，因此功率因數高。可以通過合理的設計，可使其工作在滯后功率因數、單位功率因數和超前功率因數。一般滯后功率因數都可以達到和超過0.95，大量使用永磁電機，可以省去無功功率補償器等設備。
3、效率高，特別是運行效率高。永磁電機正常運轉時，由于轉子磁極采用永磁體--釹鐵硼磁鋼，靠永磁體的磁場就可以保證電機的正常運轉，因此轉子也就沒有繞組損耗。轉子鐵耗也沒有，因此效率較普通電機高的多。
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