车用永磁同步电机设计

车用永磁同步电机设计曹红飞中国航天科工集团公司60%华域汽车系统股份有限公司24%海鹰集团16%（+技术人员）贵州航天工业有限责任公司公司介绍Since2011电机绕组及制作两项专利技术高功率密度可达3kW/kg内嵌式永磁体及高激磁能力转子转子斜极技术螺旋水道冷却全球领先的绝缘体系“扁铜线”工艺电机模糊化高精度控制高容错率和高适应性软件架构参照AUTOSAR标准高次谐波补偿技术高集成度,一芯控多机接地层独立设计控制器双向逆变能力电力电子箱公司介绍目录•电机磁场及永磁同步电机工作原理•车用驱动电机的主要性能参数•车辆对主永磁同步电机的特殊要求•永磁同步电机的磁路结构•永磁同步电机相关设计参数及取值•永磁同步电机的仿真手段•永磁同步电机的设计输出参数一、电机磁场及工作原理SB/1定义1.1磁通φ定义:在一定截面内通过的磁场回路（磁力线）总数，单位WB，表征磁场大小的物理参数，类似于电路中的电流。1.2磁通密度(简称磁密）B定义:单位截面积内通过的磁通，单位T，表征磁场强弱的物理参数，类似电流密度。B=H/u1.磁场和电场都是能量的一种表现形式，且同时存在相互依存。2.磁场和电场不在同一在物理时空矢量相互垂直。3.电场只要存在就有能量变化，而磁场只有变化才有能量变化。注：1.3磁场强度H定义：磁场强度描写磁场性质的物理量，它表征了磁场的源泉的强弱，与磁场环境无关。H=I*N=B/u目前行业内所使用的电机仅需要磁场和电路知识，不需要电场的专业知识。一、电机磁场及工作原理1.1电磁力原理a通电导体和其所在磁场的作用力？b两个磁场的相互作用？同性相斥异性相吸条件1.2发电原理•导体切割磁力线？•导体处于变化磁场环境？1.3永磁同步电动机工作原理：定子通交流电后产生旋转磁场，该旋转磁场吸引转子磁场，使转子跟随定子磁场旋转。•永磁同步电机扭矩组成根据唐院士编著的《现代永磁同步电机》，可知永磁同步电机的输出扭矩来源于磁钢扭矩和磁阻扭矩，如下式所示：T=Pn*Φ0*iq+Pn*(Ld-Lq)*id*iq由于内嵌式永磁同步电机（IPM)的交直轴电感具有明显差异，因此IPM电机天生具备产生较大磁阻扭矩的条件。因此，目前包括汽车驱动电机在内的永磁同步电机越来越多的采用了IPM方案。PSMIPM一、电机磁场及工作原理*磁阻扭矩对电机系统的影响:a.相同的电机反电势系数下，实现相同的扭矩可以减小电机的相电流，有利于提高电机低速大扭矩情况下的效率，还为降低控制器主要器件成本创造条件。b.在相同的控制器硬件条件下，高磁阻扭矩电机比低磁阻扭矩电机具备更高的空载转速，有利于提高电机高速小扭矩的工作效率，改善电磁噪音，提高了电机系统的调速范围。二、车用驱动电机的主要性能参数及解读序号参数名称设计解读1额定电压满功率输出最低工作电压应考虑交流值，及电压利用率2最大直流电流最大工作相电流应该结合控制器的IGBT能力3峰值扭矩对于商用车客户可能的是堵转扭矩值4峰值功率应该明确是什么转速下的峰值功率5额定功率/扭矩应该考虑峰值转速下的额定功率6最高工作转速包括了最高工作转速下的功率最高转速下的反电势最高转速下的机械应力7NVH低齿槽扭矩和负载反电势谐波8效率高效区和客户需求的重合三、车辆对主驱电机的性能发展趋势性能趋势&技术趋势更高功率密度更宽调速范围更低制造成本新材料新原理新工艺更易集成新应用四、IPMSM磁路结构“一”型磁路结构•优点：a.结构工艺简单；b.对极漏抗有良好的抑制能力；c.特别适用于对转子内外径尺寸有要求的场合。•缺点：a.永磁体没有出现聚磁效果b.电枢反应交轴回路通道单一，不利于磁阻扭矩提高。•适合匹配的绕组结构集中绕组（ISG)。“V”型磁路结构•优点：a.结构工艺相对简单；b.具备聚磁效果c.电枢反应交轴回路通道增宽缺点：a.极漏抗大b.不适用于转子厚度苛刻的场合。•适合匹配的绕组结构分布绕组（TM)。“V+一”型磁路结构•优点：a.具备聚磁效果明显，可控；b.极漏抗得到约束c.磁阻扭矩较“V”大d.适用于渗镝或渗铽工艺。缺点：a.设计不合理易出现局部退磁。b.不适用于转子厚度苛刻的场合。•适合匹配的绕组结构分布绕组（TM)。“双V”型磁路结构•优点：a.具备聚磁效果明显，可控；b.磁阻扭矩较“V”大c.适用于渗镝或渗铽工艺。缺点：a.磁钢加工与装配工艺复杂。b.不适用于转子厚度苛刻的场合。•适合匹配的绕组结构分布绕组（TM)。4.1常用磁路结构四、IPM磁路结构4.2车用永磁同步电机磁路结构发展趋势a.适应高磁阻扭矩性能和低磁钢消耗•多层磁钢布置•辅助槽（孔）的使用•不同材料的磁钢混用b.满足电机和变速箱一体化需求，追求转子尺寸的薄型设计。•“一”改进型（针对集中绕组电机）•对V或V+一结构的基础上改进，例如特殊的慈桥孔，特殊的磁路饱和分布。c.新型磁钢工艺或高性能硅钢片材料的发展。•多层，薄磁钢（磁钢厚度≤4mm)•超薄磁桥•圆周磁桥不均匀d.迎合创新控制策略对电机磁路参数的特殊需求变革。•Consequent磁极•FSM•whatever????高功率密度、低材料损耗、高速旋转、控制灵活五、永磁同步电机相关设计参数及取值5.1主要设计参数P、Z、N取值5.2主要尺寸确定5.3磁密取值5.4反电势取值与电机性能估算5.1P、Z、N取值（电机设计最关键参数）a.极对数P•极对数越多，电机定转子轭部厚度需求越薄，绕组端部尺寸越小，十分有利于提高电机的扭矩密度和功率密度。所以混动动力车辆的ISG或TM电机的极对数一般都很多。•在不考虑转子漏磁的前提下，电机的极对数约多，电枢对转子的电枢反应越弱，因此，增加极对数还可以减薄磁钢厚度。•考虑到实际工艺能力和定转子机械强度问题，过多的极对数，会导致转子漏磁系数过大，所匹配的电枢槽面积过小、反不利于功率密度的提高。•极对数决定了电机在一定转速下的的工作频率，因此可以根据电机锁匹配控制器开关器件的能力和电机锁工作到的最高转速来获得电机允许的最高极对数。优先级推荐：满足电机可控性＞满足电机可制造性＞取尽可能多的磁极b.槽数Z(一般情况下，必须先决定P值再选Z值）(概念：每极每相槽数Q=Z/(3×2×P),Q为整数时称作整数槽绕组，否则称之为分数槽绕组。•车用大功率电机若是选择了集中绕组，那么电机的Q=0.5，那么槽数Z=3×P，也有少数小功率电机8极9槽或10极12槽。•Q值越大，电机的反电势谐波越小，电机齿槽扭矩和力矩波动幅值越小，但根据经验Q≥3后，对谐波改善效果可以忽略。Q值越大，电机下线工艺性越差。•华域多年电机研制经验证明：采用分数槽分布绕组可以再相对小的Q值情况下实现较好的反电势波形，特别是有利于电机磁阻扭矩的提高。•由于驱动电机的功率较大，电机单相串联匝数较少，那么很多时候需要选择合适的槽数Z，来保证电机匝数的合理。电机常用的Q值推荐为：Q=0.5;Q=1.5;Q=2;Q=2.5；Q=3（对于车用驱动电机Q取较大值时往往应用扁铜线绕组工艺。）•匝数N•E=4.44×f×Φ×N，匝数增加，电机的反电势系数增加，相同电流下的扭矩增加•匝数增加，意味着导体的截面积减少，可能带来电枢热负荷过高的问题。•改变电机的体积，就改变了电机的磁通面积，改变磁路结构可以更改气隙磁密和极弧系数。为调整电机匝数创造条件。总之：在电机的槽数和极对数确定后，电机的匝数可以根据电机的发热计算情况(常用电流密度和热负荷来衡量）和电机反电势需求来选取，并通过优化电机尺寸和磁路结构有优化。5.1P、Z、N取值华域专利驱动电机绕组技术（一种分数槽分布绕组）EMF波形好、绕组端部尺寸及用铜省、磁阻扭矩大、适用于机器自动下线采用铜扁线工艺时，电机的每元件匝数等于1至35.2主要尺寸确定a.电枢外径取值一般情况下，根据整车尺寸需求，去除外壳厚度即得到定子铁芯外径。电机机壳的厚度随电机的外形尺寸和机壳工艺不同而不同。近年来越来越广泛应用的一体化水冷却机壳，其机壳壁厚建议在18至30mm不等。b.电枢内径取值Di•定义：定子外径尺寸确定后，才能确定电枢内径尺寸，即关键是设计电机的内外径比例值Kd。•影响：Kd值增大，电机电枢磁势影响力减小，但转子磁通量增大、转子磁势增强，易于提高电机的功率能力，但需要增大了电机的铜损，反之将减小电机的功率能力，但能给提高电机效率创造条件。Kd值同样影响了电枢槽尺寸与形状，Kd值越小，槽越深，电枢槽口越小，槽漏抗增加。•一般经验系数推荐：注：1.永磁同步电机的Di值一般比对应的异步电机略小。2.对于混合动力系统，往往对电机的定子外径和转子内径都有要求，此时可能需要根据电机定转子齿轭部尺寸的工艺可行性，先定电机的定子内径，反过来优化电机的极对数或槽数。3.由于涉及到定子槽型尺寸的合理性，因此表格中的数据应随电机Z值变化而优化。c.电机定转子气隙δ选取•影响：气隙越小越有利于提高电机动力性能，但电机噪音也喜欢过小的间隙，过小的间隙要求过高零部件装配精度，也无法适应转子高速时的离心力变形。所以电机的该尺寸能做多小主要取决于相关工艺水平和高速条件下转子形变情况。•一般经验推荐：因此：Kd是电机设计非常关键的参数，需要进行多方案优化对比设计。P23466（ISG)81212（ISG)Di0.45~0.550.5至0.60.65至0.70.7至0.750.75至0.80.75至0.80.75至0.850.8至0.85Di(mm)≤8080~120120~150150~200≥200δ(mm)0.4~0.70.45~0.80.5~0.90.6~1.20.75~1.5注：铁芯长度、噪音要求、配合精度等也是决定气隙大小的重要依据。165.3磁密取值BJVRBINLTfee可见:电机的扭矩密度取决于电机空气间隙内的负载磁密和定子内导体的电流密度BILF电磁力：电磁扭矩电场和磁场空间方向正交前提b.电机磁密的影响因数磁密B等于该物质所在环境的磁场强度乘以该物质材料的磁导率因此：电机获得较高的磁密可以有2个途径。*HB提高磁场强度提高物质材料的磁导率（高磁导非线性）高性能永磁材料增加电机绕组的安匝数减少漏磁避免局部饱和。注：电机铁芯材料的磁导率是空气磁导率的100至3000倍左右1.80.2a、出力和磁密的关系磁密取值5.3磁密取值c.空、负载磁密的取值问题空载•磁密分布影响范围:反电势EMF大小及波形&空载铁损在满足反电势大小前提下，建议取较低的空载定子磁密，合理的转子磁密。位置空载峰值负载原因说明定子齿1.2至1.4T1.8至2.0T差值越大，磁阻扭矩越明显；尽可能避免局部饱和负载定子漏抗。定子轭1.1至1.4T1.8至1.95T转子轭≤1.8T≤1.8T转子轭空载适当饱和可提高电机过载能力，但会增加磁钢成本。转子磁极及磁钢层间0.7至1.2T≤1.9T差值越大，磁阻扭矩越明显；转子磁桥1.8至2.0T1.6至2.1T注意磁桥宽厚比，空载必须饱和。空负载磁密值推荐（以B35AVH1900为例）峰值负载•磁密分布影响范围:反电势EMF大小及波形&负载扭矩、铁损•适当调节电机交直轴电流分配比例，在基本不牺牲电机扭矩的条件下，缓解磁路饱和程度。•定转子多为饱和状态，但应通过磁路有话减少电枢漏抗带来的磁路饱和。1.反电势对电机及控制器的影响.a.在电机的工作电流一定的条件下，电机的输出扭矩正比于电机的反电势。在相同的输出扭矩要求下，增大电机反电势可以降低电机的工作电流。b.电机在不弱磁工作时，在电机电压一定的条件下电机的工作转速与反电势成反比；对于控制同步电机来说，反电势的大小基本确定了电机峰值扭矩拐点位置。c.最高反电势威胁到控制器主要元器件（电容和IGBT）的安全，过高的反电势可能会导致器件损坏。2.反电势的取值根据第2条可知，设计电机时，首先要确保控制器元器件的安全（不能过高),一般来说市场现有薄膜电容可承受低于500V的反电势；对300V左右供电系统若定制器件，该值一般小于700V。英飞凌800A模块的耐压特性某国产薄膜电容耐电压能力5.4反电势取值注：目前大多数整车厂希望电机