新能源汽車永磁同步電機的案例
WMEM | 探尋新能源汽車驅(qū)動電機的制造與應(yīng)用
【摘要】介紹了新能源汽車常用驅(qū)動電機類型及性能，從定子總成、轉(zhuǎn)子總成、定轉(zhuǎn)子合裝測試三個方面講述通常工藝路線，給出驅(qū)動電機降本發(fā)展對策。
當(dāng)下，國內(nèi)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(dá)到100.7萬輛。作為新能源汽車三大核心部件之一的驅(qū)動電機，必須持續(xù)提高動力輸出，不斷降低生產(chǎn)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(xù)猛增。
1. 驅(qū)動電機類型及性能
驅(qū)動電機是新能源汽車的動力源，類似常規(guī)燃油汽車的發(fā)動機。它主要由轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)示意
1-動力接頭 2-吊環(huán)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(zhuǎn)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(qū)動電機形式有直流電機、異步電機、永磁同步電機和開關(guān)磁阻電機等。這些電機受其轉(zhuǎn)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(jù)統(tǒng)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(shù)車型處于中小批量狀態(tài)，配裝的永磁電機呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)多變、性能寬泛、訂單急切及定子直徑不等（80-400mm）的小眾化現(xiàn)象。
展開 新能源汽車永磁同步電機優(yōu)化
永磁同步電機 （Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）作為電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)首選，因轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、體積小、效率高、噪聲小等優(yōu)點，迅速占領(lǐng)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(fā)展和強烈的需求刺激，迫使驅(qū)動電機向高速化、輕量化、高效化等方向快速推進(jìn)。通過優(yōu)化電機功率密度，不僅滿足電動汽車對驅(qū)動系統(tǒng)高速化、輕量化、高效化需求，而且對PMSM產(chǎn)品競爭有重要的戰(zhàn)略意義。
目前實現(xiàn)車用永磁電機的高功率密度有兩種方法：①提高電機轉(zhuǎn)速；②提高轉(zhuǎn)矩密度，但提高轉(zhuǎn)速帶來風(fēng)摩損耗過高、軸承潤滑及壽命、噪聲等問題，因此通過提高轉(zhuǎn)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(jìn)行電磁熱耦合分析。電機參數(shù)見表1。
表1 仿真模型的參數(shù)
為了節(jié)省仿真時間，取電機一極為仿真模型并劃分網(wǎng)格，如圖1所示。
圖1 永磁同步電機模型
1.2 邊界定義
文獻(xiàn)［3］描述了永磁同步電機因鐵磁物質(zhì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣磁導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(fù)載仿真
從圖3可以看出，電機各項參數(shù)選擇較合理，為了深究其材料的利用率和單位質(zhì)量的出力，在不改變電機有效體積的條件下進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。
展開 新能源汽車講解丨永磁同步電機的選型與參數(shù)計算
新能源汽車講解丨永磁同步電機的選型與參數(shù)計算
新能源汽車講解丨永磁同步電機的選型與參數(shù)計算
新能源汽車講解丨永磁同步電機的選型與參數(shù)計算
新能源汽車技術(shù)|車用永磁同步電機定子鐵耗的分析與優(yōu)化
0 引 言
在車載動力電池未能取得突破的情況下，提高驅(qū)動電機的效率對提高車輛續(xù)航里程至關(guān)重要[1]。
目前中國電動汽車續(xù)航里程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18386—2005《電動汽車能量消耗率和續(xù)航里程實驗方法》主要參考新歐洲駕駛循環(huán)(NEDC)工況。文獻(xiàn)[2]中提出車用電機在低負(fù)荷中高速運行范圍內(nèi)的效率提高對于延長車輛續(xù)航里程至關(guān)重要。文獻(xiàn)[3]揭示采用非晶合金鐵心材質(zhì)的電機比硅鋼片電機鐵耗更低、效率更高。文獻(xiàn)[4]研究鐵心硅鋼片的厚度對鐵耗的影響。新能源汽車行業(yè)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(xiàn)[5]引入鐵耗系數(shù)計及制造工藝對鐵耗的影響，并對電機進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。文獻(xiàn)[6]通過采用偏移非對稱轉(zhuǎn)子極的方法，可同時有效抑制電磁轉(zhuǎn)矩、磁阻轉(zhuǎn)矩和齒槽轉(zhuǎn)矩的脈動，但制造工藝復(fù)雜。文獻(xiàn)[7]通過對轉(zhuǎn)子輔助槽位置和尺寸的優(yōu)化來抑制空載鐵耗，得出開輔助槽對“V型”轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機空載鐵耗影響比較大，對“V一型”轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機空載鐵耗影響很小，但未考慮電機負(fù)載運行時，輔助槽對鐵耗的影響規(guī)律。
本文從考慮電機成本和加工難度角度出發(fā)，研究采用轉(zhuǎn)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(shè)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(shù)、渦流損耗系數(shù)、異常損耗系數(shù)；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(guī)律變化的交變磁化；(2)磁化方向、大小均隨時間變化的旋轉(zhuǎn)磁化。
展開 淺談新能源汽車NVH—永磁同步驅(qū)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(yè)共識，汽車電動化的浪潮也越來越澎湃，電驅(qū)動作為新能源汽車能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵一環(huán)，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(fā)動機的掩蔽效應(yīng)，電驅(qū)動和電控系統(tǒng)噪聲成為主要噪聲源，且其中高頻的特性使得聲品質(zhì)的關(guān)注度大幅上升。且隨著驅(qū)動電機朝著寬調(diào)速區(qū)間、更高轉(zhuǎn)速、輕量化等方向的發(fā)展，給電機的NVH性能開發(fā)帶來了更多的挑戰(zhàn)。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(tǒng)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(qū)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(fù)雜，聲品質(zhì)較差，常表現(xiàn)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(xiàn)較小，本文只討論麥克斯韋電磁力；按照電機的結(jié)構(gòu)，一般將電磁力分為切向力和徑向力，切向電磁力一般會導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動，進(jìn)一步帶來振動噪聲，而徑向電磁力會導(dǎo)致定子振動從而向結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(qū)動電機徑向電磁力致噪聲的來龍去脈
來源：模態(tài)空間 作者：朱碧華
眼下汽車新四化已成為行業(yè)共識，汽車電動化的浪潮也越來越澎湃，電驅(qū)動作為新能源汽車能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵一環(huán)，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(fā)動機的掩蔽效應(yīng)，電驅(qū)動和電控系統(tǒng)噪聲成為主要噪聲源，且其中高頻的特性使得聲品質(zhì)的關(guān)注度大幅上升。且隨著驅(qū)動電機朝著寬調(diào)速區(qū)間、更高轉(zhuǎn)速、輕量化等方向的發(fā)展，給電機的NVH性能開發(fā)帶來了更多的挑戰(zhàn)。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(tǒng)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(qū)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(fù)雜，聲品質(zhì)較差，常表現(xiàn)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(xiàn)較小，本文只討論麥克斯韋電磁力；按照電機的結(jié)構(gòu)，一般將電磁力分為切向力和徑向力，切向電磁力一般會導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動，進(jìn)一步帶來振動噪聲，而徑向電磁力會導(dǎo)致定子振動從而向結(jié)構(gòu)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(dǎo)致的永磁同步電機定子振動噪聲是本文討論的對象。
展開 新能源汽車技術(shù) | 轉(zhuǎn)子不同方式分段斜極對永磁同步電機噪聲的影響
轉(zhuǎn)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(shù)研究中心，湖南 株洲412001)
0
引 言
隨著新能源汽車領(lǐng)域的發(fā)展，驅(qū)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(qū)動系統(tǒng)，所以驅(qū)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(zhuǎn)矩，但會引起轉(zhuǎn)矩脈動，使定子齒部彎曲變形；后者使電機的定子鐵心產(chǎn)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(xué)、聲學(xué)等多個領(lǐng)域，研究方法主要有解析法、有限元法和試驗法[6]。
展開 新能源車用永磁同步電機的標(biāo)定與控制
-----------------------------------------------------------------
【免責(zé)聲明】版權(quán)歸原作者所有，僅用于技術(shù)分享與交流，非商業(yè)用途！對文中觀點判斷均保持中立，若您認(rèn)為文中來源標(biāo)注與事實不符，若有涉及版權(quán)等請告知，將及時修訂刪除，謝謝大家的關(guān)注！
新能源車用永磁同步電機的標(biāo)定與控制
新能源車用永磁同步電機的標(biāo)定與控制
新能源車用永磁同步電機的標(biāo)定與控制
新能源車用永磁同步電機的標(biāo)定與控制
新能源車用永磁同步電機的標(biāo)定與控制
【免責(zé)聲明】文章為作者個人觀點，不代表EDC電驅(qū)未來立場。如因作品內(nèi)容、版權(quán)等存在問題，請于本文布30日內(nèi)聯(lián)系EDC電驅(qū)未來進(jìn)行刪除或洽談版權(quán)使用事宜。
【討論】永磁同步電機相對于永磁直流電機好在哪，為什么現(xiàn)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(tǒng)直流永磁電機是轉(zhuǎn)子勵磁，需要碳刷給轉(zhuǎn)子供電。而且控制只能控制電壓，適應(yīng)性差。
新能源汽車驅(qū)動電機性能要求及類型對比
3）永磁同步電機：與傳統(tǒng)電勵磁同步電機不同，其轉(zhuǎn)子采用永磁體，該結(jié)構(gòu)省
去了傳統(tǒng)同步電機中的電刷、集電環(huán)以及勵磁繞組，從而無以上轉(zhuǎn)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(yōu)點。
4）開關(guān)磁阻電機是一種比較新型的電機，比之其他類型電機，在結(jié)構(gòu)上沒有永
磁體、電刷和滑環(huán)等零部件，其具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、適于高速運行
等優(yōu)點。但是，其扭矩性能低，轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲水平較其他類型電機都大，
因此開關(guān)磁阻電機電驅(qū)動系統(tǒng)在新能源汽車中的開發(fā)與應(yīng)用受到一定限制。
不同電機類型有不同的優(yōu)劣勢。從行業(yè)配套角度看，新能源汽車主要使用的是交
流感應(yīng)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(jié)
能。從裝機量角度看，永磁同步電機由于其優(yōu)異的綜合性能，一直占據(jù)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(xù)選擇交
流異步電機技術(shù)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(fā)展趨勢
相比于過去幾年，我國的驅(qū)動電機技術(shù)已經(jīng)取得了較大進(jìn)步，已經(jīng)具備自主研發(fā)各類新能源汽車所需驅(qū)動電機產(chǎn)品的技術(shù)能力，主要性能指標(biāo)也已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，但在峰值轉(zhuǎn)速、功率密度及效率方面與國外仍存在一定的差距。
國內(nèi)外電動汽車電機主要朝以下幾個方面發(fā)展：高功率密度、電機冷卻方式發(fā)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(jù)國家制造強國建設(shè)戰(zhàn)略咨詢委員會正式發(fā)布的《中國制造 2025 技術(shù)路線》，到 2025 年，新能源乘用車驅(qū)動電機的 20s 有效比功率要達(dá)到 4.5KW/kg，2030 年要達(dá)到 5KW/kg。
展開 新能源汽車驅(qū)動電機的發(fā)展
一、新能源汽車驅(qū)動電機類型發(fā)展
1. 感應(yīng)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(shù)，感應(yīng)交流電機占一小部分，這兩種電機基本就是電動乘用車驅(qū)動電機的全部了。
2. 永磁同步電機
網(wǎng)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(zhàn)略安全作為出發(fā)點，其實并不是這樣，主要還是是永磁同步電機適合大規(guī)模生產(chǎn)，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(yōu)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(yīng)用場景，而且永磁電機結(jié)構(gòu)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(guān)磁阻電機
開關(guān)磁阻電機優(yōu)點顯著。其結(jié)構(gòu)簡單、堅固、維護(hù)方便甚至免維護(hù)，起動及低速時轉(zhuǎn)矩大、電流小；高速恒功率區(qū)范圍寬、性能好，在寬廣轉(zhuǎn)速和功率范圍內(nèi)都具有高輸出和高效率而且有很好的容錯能力。
開關(guān)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(guī)模應(yīng)用乘用車領(lǐng)域。但是在商用車領(lǐng)域，它就可以大顯身手了，國內(nèi)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(yīng)電機，開關(guān)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(lǐng)域。
二、新能源汽車驅(qū)動電機技術(shù)發(fā)展趨勢
1. 電工鋼片
驅(qū)動電機的功率、轉(zhuǎn)矩、效率和壽命與所用的硅鋼片有很大關(guān)系，尤其是電機轉(zhuǎn)子所用的無取向電工鋼片，磁性能決定了電機的轉(zhuǎn)矩和效率，鐵損越低電機效率越高，磁感增大電機轉(zhuǎn)矩才能增加，力學(xué)性能決定了定子和轉(zhuǎn)子的加工精度、承載強度和最大轉(zhuǎn)速。
2.
展開 