新能源汽车用高功率密度驱动电机设计方法计划要点计划.docx

新能源汽车用高功率密度驱动电机研究大批研究表示，汽车能量消耗与汽车质量成正比关系，汽车轻量化是降低新能源汽车能量损耗，提高行驶里程的重要手段新能源纯电动汽车驱动系统平时占汽车总质量的30%-40%，驱动系统的轻量化是整车轻量化的要点之一汽车驱动电机是新能源汽车的核心驱动部件，需要在有限的部署空间内，满足汽车各个工况的动力性要求，所以在更小的空间内，设计高效、安全、靠谱的高功率密度电机，是实现电机轻量化，降低汽车能量消耗，需要解决的要点问题电机功率密度的提高一般采纳两用门路：1）提高电机转矩密度；2）电机高速化，从这两种途径出发，本文针对电机设计过程中定转子结构设计、电机资料选择、电机消耗与温升以及电机振动噪声，四个方面对实现电机轻量化，提高电机功率密度和体积密度，进行分析电机结构设计车用驱动电机设计流程电动汽车性能的好坏，取决于核心部件驱动电机是电动汽车的设计电动汽车驱动电机的研究是电动汽车研究领域最重要的方向之一电动汽车对电机的性能要求是：基速以下拥有恒转矩特征和较高的转矩过载倍数，以适应迅速起动、加速、负荷爬坡、屡次起停等要求；基速以上拥有宽范围的恒功率特征和较大的弱磁扩速比，以适应最高车速和超车等要求；在大部分运行范围内效率最优化，以节约能源。

车用新能源驱动电机设计拥有整车预留部署空间小，工作环境极其恶劣的特色，在新能源电动轿车设计中该特色表现尤其明显传统的稳态电机设计方法难以满足电动汽车驱动电机的复杂要求，不可以很好地显示出电动汽车驱动电机的特色所以，在车用驱动电机设计中应该充分考虑过载倍数、弱磁扩速比、高效区等电动汽车驱动电机的特色设计参数，针对电动汽车的不一样运行工况对电机设计所带来的影响进行分析和优化其余，在新能源轿车用驱动电机设计中，还应该依照图1所示的设计流程进行驱动电机设计依据永磁同步电动机（PMSM）的性能要求，第一借助于设计软件对电机的几何形状、尺寸及资料选择进行初始设计获取设计参数，经过有限元方法进行性能展望计算性能展望计算、性能评估和参数设计之间需要屡次重新计算直到找到最优设计，最后经过样机实验对驱动电机设计结果进行分析和考据图1.永磁同步电机设计流程电机定子结构设计1）长径比选择在电机设计过程中，跟着电机长径比的增添，体积增大，转子体积不变，转子转动惯量降低，电机用铜量增添因为整车设计中驱动电机部署空间有限，在满足整车空间布局的条件下，综合电机控制系统对电机转动响应时间的要求，合理选择电机长径比，提高电机功率密度。

在电机设计输入条件下，定子铁芯外径与电机铁芯长度之间的关系曲线如图2所示；电机转子外径与电机铁芯长度之间的关系曲线如图3所示；电机体积与电机铁芯长度之间的关系曲线如图4所示；电机每槽有效体积与电机铁芯长度关系曲线如图5所示图2.电机外径与电机铁芯长度关系曲线图3.电机定子内径与电机铁芯长度关系曲线图4.电机体积与电机铁芯长度关系曲线图5.电机每槽有效体积与电机铁芯长度关系曲线在整车设计过程中，永磁同步电机预留部署空间尺寸为：，为减小电机用铜量，降低电机成本，降低电机体积，同时考虑电机转子动向响应成效，电机定子外径设计为：235mm，铁芯长度为160mm，定子内径为160mm2）极对数选择在电机槽极比不变的状况下，跟着电机极对数的增添，电机定子铁芯轭部用铁量减小，电机体积减小，并因为定子绝缘资料的增添，电机体积减小速度逐渐下降，永磁同步电机定子外径与电机极对数之间的关系曲线，如图6所示图6.电机定子外径与电机极对数关系曲线其余，跟着电机极对数的增添，电机输入电流频率增添，电机铁耗增添，效率降低，同时提高了对电机控制系统和电机散热系统的要求，在高速电机设计中，电机极对数一般选择较小依据控制系统硬件设计和电机温升系统仿真以及样机实验的基础上，在控制器输出频率、电机温升限值、效率同意范围内，合理选择电机极对数，可以适合提高电机功率密度。

从图6中，可以看到在电机极对数小于5时，电机定子外径随电机极对数变化激烈，而在极对数大于5以后，定子外径变化缓慢，因为电机采纳高速低转矩设计，为满足控制系统有效电流输出频率，同时减低电机中的铁耗，选择电机极对数为43）槽极比选择在电机设计中，跟着槽极比的增添，电机定子内径不变，因为槽内绝缘体积增加，电机外径增添，电机体积变大，端部用铜增添，电机质量增添，但是电机绕组磁动势正弦度增添，电机纹波转矩降低，转矩脉动减小，铁耗降低，同时绕组反电势正弦度提高，谐波含量降低，但是基波绕组因数降低，电机输出扭矩降低电机每极每相槽数与电机定子外径之间的关系曲线如图7所示合理选择电机槽极比，调整电机效率和外特征图7.电机每极每相槽数与电机外径关系曲线跟着电机槽极比的增添，电机定子齿部宽度减小，定子齿部宽度与电机每极每相槽数之间的关系曲线如图8所示，因为在电机运行过程中转矩脉动、电磁径向力会以致电机振动，定子齿部过窄会以致定子齿部机械强度过差，从而以致定子齿部断折其余，每极每相槽数的增添，会造成定子制造成本大幅增添，影响电机经济性，定子绕组绕线困难，同时为定子槽口宽度优化，减小电机转矩脉动增添限制，从图8也可以看到，跟着每极每相每相槽数增添，电机定子齿部变化激烈，所以选择电机每极每相槽数为2。

图8.电机定子齿部宽度与电机每极每相槽数关系曲线4）电负荷选择在电机热负荷必定的状况下，电机设计过程中跟着电负荷的增添，电机转子体积减小，转动惯量降低，定子外径先减小后增添，同时电机用铜量不断增添因此，应该合理选择电机电负荷，综合电机铁芯质量和用铜量，实现电机质量最优化，提高电机功率密度电机定子外径与电负荷关系曲线如图9所示，定子内径与电负荷关系曲线如图10所示，电机每槽有效面积电负荷关系曲线如图1所示1图9.绕组电密与电机定子外径关系曲线图10.绕组电密与电机定子内径关系曲线图11.绕组电密与电机每槽有效面积关系曲线5）绕线环绕方式选择合理选择绕线环绕方式，减小电机端部绕线长度，减小电机长度和用铜量，降低电机铜损，提高电机效率，从而减小电机长度，减小电机体积，降低电机质量，从而较大幅度提高电机功率密度合理选择电机绕组环绕方式，可以提高定子绕组磁势正弦度，减小定子磁势谐波含量，降低由定子绕组引起的电机铁耗和电机纹波转矩，提高电机效率，减小电机振动与噪声其余，合理选择电机绕组环绕方式可以提高电机凸极虑，提高磁阻转矩，减小绕组电流，降低电机铜耗，提高电机效率集中式绕组每相线圈只越过一个齿距，不与其余相绕组，与传统绕组对比，可以大幅度减小电机端部长度，但是绕组散热性能差，磁动势谐波含量高，并且与分布式绕组对比，集中式绕组电机凸极率小，磁阻转矩小，绕组电流大。

在高速低转矩电机设计中，电机转速高，绕组电流频率也高，集中绕组设计会减小电机效率云图高效区比率，所以选择分布式绕组集中式绕组和分布式绕组定子截面图，如图所示图11.集中绕组和分布式绕组定子截面图正弦绕组经过不等距不等匝齐心式分布绕组，可以提高电机定子磁势正弦度，减小定子谐波含量，降低电机纹波转矩，同时可以减小电机端部用铜，减小电机铜损和端部漏抗，提高电机性能并降低电体系造成本但是在本设计中电机每极每相槽数为2，且正弦绕组在实质环绕过程中每槽线圈元件数一定取整数，所以对本电机来说在正弦绕组和传统短距分布绕组对比对电机性能的影响成效很小，并且正弦绕组绕线和短距分布绕组对比环绕方式复杂，所以本设计中电机绕组环绕方式仍选择传统正弦分布绕组，同时为减少电机磁势谐波重量，采纳星形连接方式本电机绕组分布睁开图，如图12所示图12.绕组睁开图6）定子槽张口宽度选择在电机设计中，槽口宽度的存在使得定子与永磁体磁场之间的有效气隙发生极大变化，从而负气隙磁导发生激烈变化，影响永磁同步电机的漏电感，负气隙磁密表现出锯齿状波形，从而产生齿槽转矩，使得电机在运行的过程中，产生转矩脉动及噪音，影响了新能源汽车的乘坐酣畅性。

利用电磁仿真软件对电机槽口宽度进行参数化扫描跟着定子槽张口宽度增添，电机等效气隙长度增添，绕组漏电感减小，电机气隙磁密减小，电机凸极率减小，磁阻转矩利用率降低，弱磁成效降低，电机转矩密度降低但是定子槽张口宽度过小，电机绕组嵌线困难，在不影响电机嵌线的基础上适合减小定子槽张口宽度，有益于电机功率密度的提高其余，合理选择电机定子槽张口宽度，可以在必定程度上，减小电机齿槽转矩，降低电机震动与噪声电机漏电感与定子槽口宽度关系曲线如图13所示，槽口宽度与气隙磁密及峰值额定功率之比关系曲线如图14所示，槽口宽度与交直轴电感值及其比值关系曲线如图15所示电机的气隙磁密和峰值功率额定功率之比在槽口宽度大于2时都比较大；漏电感跟着槽口宽度的增添而降低，并且在槽口宽度为mm以后基本上降到较低水平并且跟着槽口宽度的增添基本趋于稳固；其余槽口宽度对交轴电感和凸极率的影响也是比较大，但对直轴电感的影响比较小，但这三个量都是随槽口宽度的增添表现出降低的趋向再从永磁同步电机装置工艺的角度来考虑，槽口宽度应该是选择大一点综合以上各方面要素分析以后，永磁同步电机的定子槽口宽度选择为mm图13.定子槽口宽度与漏电感关系曲线图14.槽口宽度与气隙磁密及峰值额定功率之比关系曲线图15.槽口宽度与交直轴电感值及其比值关系曲线7）定子槽型选择在电机定子槽型结构设计中，应使得电机定子磁路磁阻最优化，定子磁路不存在磁密奇点，永磁体工作点在电机运行工况范围内位于最优工作点周边。

同时，定子槽型选择，应利于电机嵌线，方便电机批量化生产为均衡定子轭部各地址磁密，形成均匀旋转磁场，改进轭部和齿部与轭部交接处磁路，并方便嵌放成型绕组，旋转半张口梯形槽设计，定子槽型如图16所示，电机磁密分布图如图17所示图16.定子槽型结构图图17.电机磁密分布图电机转子结构设计1）电机气隙长度选择电机气隙长度在极大程度上影响电机的性能、靠谱性、装置难度和制造成本从永磁同步电机电磁性能上来说，气隙长度越小，电机功率因数变大，电机效率增加，转矩密度增添，电机弱磁调速范围变宽但是气隙磁场谐波重量增添，电机容易产生振动和噪声，同时电机杂散消耗增大，假如气隙长度过小，就很难保证电机运行时的同轴度，在电机运行时就简单以致电机扫膛现象，降低电机运行的靠谱性，同时电机装置难度提高所以在气隙长度选择上，应综合考虑电机振动、噪声、气隙磁密、杂散消耗以及装置工业和生产成本为了选择最适合的气隙长度大小，有对永磁同步电机的气隙长度进行参数化扫描分析，其仿真结果以以下图18、19和20所示图18.气隙长度与交直轴电感大小关系曲线图19.气隙长度与凸极率大小关系曲线图20.气隙长度与峰值额定功率之比关系曲线从图中可以看到，电机交直轴电感和电机过载能力和电机气隙长度关系亲近，跟着气隙长度的增添电机直轴电感降落，但变化大大，交轴电感迅速降。