新能源汽車永磁電機的案例
WMEM | 探尋新能源汽車驅動電機的制造與應用
【摘要】介紹了新能源汽車常用驅動電機類型及性能，從定子總成、轉子總成、定轉子合裝測試三個方面講述通常工藝路線，給出驅動電機降本發展對策。
當下，國內新能源汽車銷售勢頭火爆，2021上半年的累計銷量追平2020全年總銷量，達到100.7萬輛。作為新能源汽車三大核心部件之一的驅動電機，必須持續提高動力輸出，不斷降低生產成本，方能有效滿足購車者對所選愛車低價高配的需求。也只有這樣，新能源汽車銷量才會持續猛增。
1. 驅動電機類型及性能
驅動電機是新能源汽車的動力源，類似常規燃油汽車的發動機。它主要由轉子總成、定子總成、電機殼、前/后端蓋、變速箱、旋變組件及冷卻水道等元器件組成，如圖1所示。
圖1 新能源汽車電機的結構示意
1-動力接頭 2-吊環螺釘 3-冷卻水道 4-變速箱 5-前端蓋
6-定子總成 7-電機殼 8-轉子總成 9-旋變組件 10-后端蓋
新能源汽車推向市場以來，用過的驅動電機形式有直流電機、異步電機、永磁同步電機和開關磁阻電機等。這些電機受其轉速范圍、功率密度、可靠性、制造成本等因素的影響，有的成為汽車新能源主流首選部件，有的被列為新生代儲備件，有的則被淘汰。新能源汽車的電機形式及性能比較，見下表。
表 新能源汽車的電機形式及性能比較
2. 定子總成及制造
新能源汽車永磁同步電機的定子總成涉及線圈、鐵芯、齒極和機殼等組件，如圖2所示。據統計，定子總成約占永磁電機成本的35%；再者新能源汽車個性化定制需求愈來愈大，多數車型處于中小批量狀態，配裝的永磁電機呈現結構多變、性能寬泛、訂單急切及定子直徑不等（80-400mm）的小眾化現象。
展開 汽車試驗：新能源汽車驅動電機用稀土永磁材料試驗方法
驅動電機是新能源汽車的“心臟”，而稀土永磁材料則是驅動電機的首選材料。稀土永磁驅動電機可以大幅減輕電機重量、縮小電機尺寸、提高工作效率。
GB/T 39494-2020新能源汽車驅動電機用稀土永磁材料表面涂鍍層結合力的測定 即將于2021年10月1日開始實施，主要適用于新能源汽車驅動電機用稀土永磁材料表面的單層或多層涂鍍層結合力的測定，涂鍍層包括采用電鍍、電泳、噴涂、物理氣相沉積、化學鍍等技術的涂鍍層（帶有涂鍍層的稀土永磁材料以下簡稱涂鍍層產品）。
標準規定了新能源汽車驅動電機用稀土永磁材料表面涂鍍層結合力的測定方法。共包含四種方法，拉開法、剪切法、劃格法、熱震法，均為破壞性試驗方法。
一、拉開法
1、方法原理：將試柱用膠黏劑固定在涂鍍層上，利用拉力試驗機在涂鍍層的法線方向上連續地施加載荷，當該載荷大于涂鍍層的結合力時，涂鍍層即從基體上分離或涂鍍層的不同膜層分離。用破壞涂鍍層／基體界面間附著所施加的拉力與粘接面積的比值或破壞涂鍍層／基體界面間附著所施加的拉力來表示涂鍍層的結合力。
2、試驗設備與材料
1）高低溫沖擊試驗箱
用于涂鍍層產品的高低溫交變處理。可使用兩個獨立的溫度試驗箱或一個快速溫度變化的試驗箱。可采用人工或自動轉換方法，試驗箱應在３ｍｉｎ內完成高低溫轉換。
2）拉力試驗機
拉力試驗機的測力系統及同軸度應按照ＪＪＧ４７５—２００８進行校準，其精確度應為１級或優于１級。拉力試驗機橫梁應能保持空載速度在０.５ｍｍ／ｍｉｎ以內恒速運行，加卸力應平穩、無振動、無沖擊。
3）試驗組合
試驗裝置
拉開法試驗裝置如圖１所示。裝置Ａ適用于上下表面平行的涂鍍層產品。對厚度小于５ｍｍ的涂鍍層產品，為避免拉伸過程中因涂鍍層產品強度不夠而導致斷裂，宜在涂鍍層產品的另一面粘接一塊鋼片，使下夾具的力作用在鋼片上。對于厚度不小于５ｍｍ的涂鍍層產品，可不粘接鋼片。
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 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
分析 | 基于新能源汽車永磁電機的電驅動橋開發探討深度分析！
筆者的觀點是，基于新能源汽車，開發電驅動橋是內在要求。
一、車橋是什么？
二、常見車型的經典車橋
簡單來說：經典車橋一般有：前橋（見圖1）、后橋（見圖2）兩個橋。
1）轉向前橋：由輪轂總成、制動鼓、制動器總成、轉向節總成、前軸（工字梁）、主銷、止推軸承、橫拉桿總成、左右橫拉桿臂、直拉桿臂等；其功能是承載、制動、轉向組成。
圖1 常規車型前轉向橋外形
2）后驅動橋：處于動力傳動系的末端。有輪轂總成、制動鼓、橋殼總成、主減速器總成、輪邊減速器總成、半軸、制動器總成等組成。
圖2 常規車型后驅動橋外形
3）前橋與后橋功能上的區別
前橋有轉向功能沒有差速功能，后橋有差速、雙級減速器功能。（說明：不同用途汽車，其車橋結構原理和功能基本相同，但產品外形、內部零部件連接，往往是許多的不同方式。）
三、經典后驅動橋為什么要配雙級減速器和差速器？
基于1）、2）的面臨的問題，工程師們想出了“雙級減速器和差速器”措施來。
四、目前有三種以上電驅動車橋研發的路線之爭
2）全新電機驅動橋基本種類
①中央電機驅動橋（見圖3）。
圖3 中央電機驅動橋
②輪邊電機驅動橋，（見圖4）
圖4 輪邊雙電機驅動橋
③輪轂電機驅動橋（見圖5），輪轂電機由于設計難度較大，上面少見市場車型。
圖5 輪轂邊雙電機驅動橋
4)傳統后橋仍然是新能源商用車主流
①由中央電機通過傳動軸連接一個傳統的后橋，也有帶一個少檔變速箱；
②由中央電機帶一個少檔變速箱，通過傳動軸連接一個傳統的后橋。
展開 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 新能源汽車用永磁電機轉子的全磚形單元劃分方法（上）
1 前言
如今，永磁同步電機在新能源汽車電機領域有著壓倒性的市場占有率。其轉子部分極高的工作轉速與復雜的結構，使CAEr們對其結構力學性能的分析提出了嚴峻的挑戰。為了降低計算規模，保證計算精度，將轉子鐵心劃分出全磚網格也挑戰著廣大CAEr的前處理技能。本文以某常見結構的永磁同步電機轉子為例，介紹采用SolidWorks軟件創建幾何模型，并使用ANSYS Workbench Meshing模塊劃分網格的方法與技巧。
由于轉子模型有著周期對稱特性，建模時可首先建立最小周期模型，并根據拓撲結構對其進行適當的分割操作，以利于將復雜的幾何外形剖分為多組可掃掠可映射的簡單形狀，并適當簡化局部細小特征，即可較為方便的劃分網格。本文的幾何建模部分與剖分操作均在SolidWorks軟件中完成；網格劃分部分與求解部分采用了ANSYSWorkbench。
本文主要由三個部分組成：首先是轉子鐵心部分的建模和網格劃分；另一部分是轉子部分的建模與網格劃分。最后將二者聯合成裝配體劃分整體網格。
2 轉子鐵芯部分的建模與網格劃分
Step1：根據工程圖創建所需的幾何模型。打開Solidworks并創建一個新文件。如圖-1所示。
Step2：創建最小周期截面形狀的45度圓心角扇形模型。如圖-2所示。
圖-1 新建模型
圖-2 扇形草圖
Step3：拉伸模型。為了節約計算量，只講扇形模型拉伸2mm厚度，創建實體模型。如圖-3所示。
圖-3 拉伸草圖
Step4：繪制磁鋼位置的草圖。為以后切除該部分模型作準備。
圖-4 繪制磁鋼草圖
Step5:繪制減重孔草圖。在鐵芯模型靠近圓心一側繪制兩組1/2減重孔模型的草圖。如圖-5所示。
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 新能源汽車驅動電機性能要求及類型對比
3）永磁同步電機：與傳統電勵磁同步電機不同，其轉子采用永磁體，該結構省
去了傳統同步電機中的電刷、集電環以及勵磁繞組，從而無以上轉子部件所
引起的銅耗，具有高效、高功率密度、高可靠性、體積小等優點。
4）開關磁阻電機是一種比較新型的電機，比之其他類型電機，在結構上沒有永
磁體、電刷和滑環等零部件，其具有結構簡單、制造成本低、適于高速運行
等優點。但是，其扭矩性能低，轉矩脈動和噪聲水平較其他類型電機都大，
因此開關磁阻電機電驅動系統在新能源汽車中的開發與應用受到一定限制。
不同電機類型有不同的優劣勢。從行業配套角度看，新能源汽車主要使用的是交
流感應電機和永磁同步電機。但高效、低損耗使得永磁同步電機相比異步電機更加節
能。從裝機量角度看，永磁同步電機由于其優異的綜合性能，一直占據最高比例，到
2019 年，我國新能源汽車中永磁同步電機的比例已超過 90%。近年來，持續選擇交
流異步電機技術路徑的特斯拉，在其新推出的 Model 3 車型中，也開始采用永磁同
步電機方案。
提升功率密度為主要發展趨勢
相比于過去幾年，我國的驅動電機技術已經取得了較大進步，已經具備自主研發各類新能源汽車所需驅動電機產品的技術能力，主要性能指標也已經達到國際先進水平，但在峰值轉速、功率密度及效率方面與國外仍存在一定的差距。
國內外電動汽車電機主要朝以下幾個方面發展：高功率密度、電機冷卻方式發展多樣化、低成本化、高集成化、良好的振動噪聲特性和高效率。
2.3.1 扁線繞組——高功率密度解決方案
根據國家制造強國建設戰略咨詢委員會正式發布的《中國制造 2025 技術路線》，到 2025 年，新能源乘用車驅動電機的 20s 有效比功率要達到 4.5KW/kg，2030 年要達到 5KW/kg。
展開 新能源汽車驅動電機的發展
一、新能源汽車驅動電機類型發展
1. 感應交流電機
目前市場上的各種純電和混動新能源汽車，永磁同步電機占多數，感應交流電機占一小部分，這兩種電機基本就是電動乘用車驅動電機的全部了。
2. 永磁同步電機
網上說中國富含稀土礦所以中國的電動汽車選用帶永磁體的同步電機，同時也是考慮到國家戰略安全作為出發點，其實并不是這樣，主要還是是永磁同步電機適合大規模生產，性能更好，更具有市場價值。
對于空間布置尺寸要求比較高的中小型電動汽車來說，功率和扭矩密度更高的永磁同步電機就是優先的選擇，并且同步電機更適合頻繁啟停的工況，適合城市上下班通勤的應用場景，而且永磁電機結構也更加簡單，便于維修。這也是Tesla Model 3改用同步電機的原因之一。
3. 開關磁阻電機
開關磁阻電機優點顯著。其結構簡單、堅固、維護方便甚至免維護，起動及低速時轉矩大、電流小；高速恒功率區范圍寬、性能好，在寬廣轉速和功率范圍內都具有高輸出和高效率而且有很好的容錯能力。
開關磁阻電機缺點也顯著，其脈動引起的噪音與震動難以控制，非常影響用戶體驗的，因此并沒有大規模應用乘用車領域。但是在商用車領域，它就可以大顯身手了，國內很多電動公交車、大巴和貨車上面，都能夠看到它的身影。
所以，基本可以這么說：中小型車以永磁同步為主，大型及高性能乘用車趨向感應電機，開關磁阻電機則適用于大型商用車，另外還運用于家用電器、航空、航天、電子領域。
二、新能源汽車驅動電機技術發展趨勢
1. 電工鋼片
驅動電機的功率、轉矩、效率和壽命與所用的硅鋼片有很大關系，尤其是電機轉子所用的無取向電工鋼片，磁性能決定了電機的轉矩和效率，鐵損越低電機效率越高，磁感增大電機轉矩才能增加，力學性能決定了定子和轉子的加工精度、承載強度和最大轉速。
2.
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
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
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
來源：模態空間 作者：朱碧華
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
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 汽車專題第七期 |新能源汽車—電機篇（三）
技術鄰推出汽車專題合集，包含新能源汽車專題、自動駕駛專題、輕量化專題、底盤專題等一系列專題，精心整理，便于大家的觀看。
本期為新能源汽車專題之電機篇，里面有優質文章、免費視頻、最新文檔，快看看有沒有大家感興趣的內容吧！
文章
1.新能源汽車驅動電機NVH仿真中的電磁力處理
主要內容：任意定子結構加載位置選擇、基于多個穩態轉速的電磁階次力提取、分段斜極的電磁力提取...
點擊鏈接查看內容：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1829916
2.電機NVH分析中的空間階次！
主要內容：基于MANATEE的階次分析、基于MANATEE的力密度的時空分布...
點擊鏈接查看內容：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1830157
3.新能源汽車NVH問題、挑戰與趨勢！
主要內容：汽車NVH基礎、新能源汽車NVH問題與挑戰、新能源汽車NVH發展趨勢、總結...
展開 新能源汽車用電機模態有限元分析
作為新能源汽車“三電系統”的重要組成部分，驅動電機朝著小型化、輕量化、高速、高功率密度、高效率的方向發展，導致電機結構設計出現較薄化，易產生振動噪聲問題。振動噪聲會引起電機結構疲勞損壞，降低整車舒適性，引起市場抱怨，進而降低產品競爭力。因此，解決電機振動噪聲問題成為近年來國內研究的熱點。
電機運行過程中，作用于定子的徑向電磁力波頻率與定子結構固有頻率接近時會引起共振，進而產生電磁噪聲。為抑制電磁噪聲，就要做到“避頻”和“避型”即需將同一階次的徑向電磁力頻率和定子結構固有頻率錯開。因此，為準確預測和抑制整機電磁噪聲，需要準確計算分析定子固有頻率及其模態特性。
本文基于Hypermesh有限元軟件建立新能源汽車用永磁同步電機模型進行模態分析，其參數指標如表1：
表1 電機參數表
2 模態分析有限元模型建立
2.1 定子鐵芯等效
為減小渦流損耗，提高電機效率，定子鐵芯通常不采用實體結構，而是由多個帶有絕緣涂層的薄硅鋼片沿軸向疊壓而成。由于鐵芯疊層結構并不是一個材料連續的彈性體，因此不能簡單地將定子鐵芯作為各向同性材料。
為便于計算求解，本文采用實體等效定子鐵芯疊層結構進行建模：實體模型平面特征與單個硅鋼片一致，長度與鐵芯軸向長度相同。等效后的材料視為橫觀各向同性材料即疊片平面內（x-y平面）視為各向同性材料，與疊片平面正交的軸向（z方向）剛度不同。等效后實體密度為鐵芯實際重量與模型體積的比值。定子材料參數有限元等效過程：在兩個相鄰硅鋼片疊片平面取單位面積的幾何作為分析對象，將疊壓過程縮短的長度平均分配到每個硅鋼片作為強制位移載荷，并把壓縮變形后狀態作為材料參數計算的初始狀態。分別在X、Y、Z單一方向上施加單位載荷，另外兩個方向施加對稱邊界條件，求解材料變形。
展開 