新能源汽车电机设计：创新弱磁控制方法

表4-1给出了55kW混合动力汽车的电机及7.5kW车用电机性能要求。

表4-1 55kW和7.5kW内置式永磁同步电机性能要求

内置式永磁同步电机有两个运行区间，在基速以下为恒转矩区域，在转折速度以上为恒功率区域。如1.4.1节所述，转折速度为在不超过逆变器电压和额定电流时，输出额定转矩时的最大速度。而输出恒功率的速度范围因电机设计的不同而不同。优化设计的目标应是针对电机、逆变器整个系统的优化设计，满足最高转速下所能产生的转矩最大、转矩脉动小、效率高、峰值反电动势在允许范围之内和较宽的恒功率速度范围等要求。参考文献[1]给出了优化弱磁的条件即式（4-1），只有满足该条件才能使电机具有无限的恒功率范围和无限速度。

式中 I_ch——电机特性电流；

I_e——电机额定电流；

λ_PM——永磁体磁链；

L_d——电机d轴电感。

图4-1表明特性电流大于、小于和等于额定电流三种情况下，永磁电机典型的功率—速度输出特性曲线。

1）当特性电流等于额定电流时（I_ch=I_e），电机具有无限的恒功率范围。

2）当特性电流小于额定电流时（I_ch＜I_e），电机恒功率范围下降，但仍具有较宽的速度范围。

3）当特性电流大于额定电流时（I_ch＞I_e），电机恒功率范围和速度范围均最窄。

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图4-1 三种永磁电机设计参数的功率—速度特性曲线

特性电流值的大小与电磁设计有关，需要调节定子串联匝数和永磁体的尺寸，对于内置式永磁电机可以较多地利用磁阻转矩，而减少永磁转矩使其满足优化弱磁的条件。然而优化设计需要综合考虑电机设计性能要求和降低成本，以一个最优方案使两者平衡^[2，3]。此外，还要考虑逆变器的设计，即为电机+控制器+电池的整体设计，因此最优参数的选择变得很具有挑战性和一定的难度。永磁电机的设计流程如图4-2所示^[4]。

图4-2 永磁电机的设计流程

电机设计的流程图有如下步骤：

1）确定永磁电机的性能要求，如所要求的电机稳态时的峰值转矩—速度曲线，直流电压值、定子电流大小，效率、转矩脉动等要求，如表4-1给出的电机性能要求。

2）电机拓扑结构的选择，新能源汽车用电机的形式可有永磁电机、感应电机、磁阻电机等，永磁体可以是径向充磁、轴向和横向充磁，可以选择内转子或外转子。

3）电机的关键尺寸及绕组的确定，借助于设计软件对电机的几何形状、尺寸及材料选择进行初始设计得到设计参数。

4）电机的建模和有限元分析。根据第2章的参数模型和有限元软件，采用有限元方法进行性能预测计算。

5）计算等效电路中的参数，永磁体磁链，反电动势，电感参数，铁损—速度曲线等。

6）电机性能预测转矩脉动，齿槽转矩、转矩—速度曲线，效率分布图，故障特性等。

所谓的优化设计，就是调整电机的设计满足性能要求，从而找到最佳的性能和价格成本。即在电机的性能预测、电机设计及性能要求和参数设计之间需要反复重新计算，直到找到最优设计^[5，6]。为了满足表4-1所示两种不同功率等级的性能要求，分别选择了55kW和7.5kW两台内置式永磁同步电机进行优化设计。