电动汽车用永磁同步电动机设计

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第２ ９卷 第 ６ 期
２ ０ ０ ４年 ｌ ２月
煤
炭
学
报
Ｖｏ １ ． ２ ９ Ｎ ｏ ． ６
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＨＩ ＮＡ Ｃ ＯＡＬ Ｓ ＯＣＩ ＥＴ Ｙ
Ｄ ｅ ｃ ．
２ ０ ０ ４
Leabharlann Baidu
文 章编 号 ： ０ ２ ５ ３ — ９ ９ ９ ３ （ ２ ０ ０ ４ Ｊ ０ ６— ０ ７ ５ ２ — ０ ４
电动 汽 车 用 永磁 同步 电 动机 设 计
吴延华 ， 许家 群
（ １ ． 黑 龙江科 技学 院 自动化 系 ，黑 龙江 哈 尔滨 １ ５ ０ ０ ２ ７ ；２ ．清 华大学 汽 车安 全与节 能国 家重点 实验 室 ，北 京 １ ０ ０ ０ ８ ４ ）
摘
要 ：为推进永磁 同步电动机 在 电动汽车驱动 中的应 用，对电动汽 车驱 动 用永磁 同步 电动机 的
定 ，因此 ，对 于非混 合动力 电动汽车来说 ，在 所需蓄 电池组容量 一定的前提下 ，尽可能提高母线 电压 可使 蓄电池组的体积 、质量 及电机体积有效 降低 ．
１ ． ２ 电动汽车 用 Ｐ ＭＳ Ｍ 转子的结构选择
高转矩密度要求使 得电动汽车驱 动用 Ｐ Ｍ Ｓ Ｍ 宜选 用 内置式磁 体结 构 ，可分 为瓦片 型及 ｕ型两种 基本
ｏ ｆ Ｐ ＭＳ Ｍ ｉ ｎ ＥＶ ｄ ｒ ｉ ｖ ｅ
根据 图 １ ，当设计 车速 Ｕ ｆ 大于 电机 转折转 速 ｎ 所 对应 的车速 时 ，驱动力 Ｆ与 电机最 大功率 Ｐ …间 的关 系为
Ｆ： 』 Ｐ ２ ｎ ｌ ａ
Ｉ ． ｐ２ ／
。 ， ，
（ ≤ ｔ ， ） ，
电动汽车 电驱 动系统的理想选择 ，但 国 内 目前对此 进行 的应用 与研 究还 很少 ．本 文 以电动客 车 的研 发
为背景 ，就 电动汽车驱动用永磁 同步 电动机性 能参数的确定 、转子永磁体结构 的选择 、电磁设计方法等 问 题进行 了研究 ，开发 了样机并进行 了实验 ．
收稿 日期 ：２ ０ ０ ４— ０ ３ — １ ５ 作者 简介 ：吴 延华 （ １ ９ ５ ３一） ． 男． ｆ ： 海 人 ．副 教授． Ｅ— ｍ ａ ｉ ｌ ：Ｗ ｔ １ ） ａ ｌ ｌ ［ ｉ ｕ ａ １ ０ ８ ＠１ ６ ３ ． （ ＇ Ｏ ｒ ｌ ｌ
（ ＞ ｂ ） ．
（ ２ ）
由式 （ １ ） ，（ ２ ） 可以得 到电动汽车 由静止加速 到设计 车速 Ｕ ｆ 所需 的时 间为
Ｊ ０
电动机 的最大功率为
ｒ ｆ
ｍ Ｊ ０
ｆ ｄ ｖ
ｍ Ｊ ｏ
ｒ ｂ
ｄ
＋ ｍ Ｊ ． Ｐ — ２ ／ｖ’
—
ｅ ｒ ｇ ） ．Ｔ ｓ ｉ ｎ ｇ ｈ ｕ ｃ ｚ Ｕ ｎ ｉ ｔ ￣ ｅ ｒ ｓ ｉ ０．Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ８ ４．Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ０ ｏ ｆ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍ ｏ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｓ ａ ｆ ｅ ｏ ａ ｄ Ｅ ｎ ｎ —
ｆ ｄ ｖ
ｍ ．ｘ
Ｐ ２ ： ｍ（ ＋ ） ／ ２ ｔ ｆ ．
可以看 出 ，电动汽 车所需 要的最 大功率 与 电机 的转折 转速 密切 相关 ，当 Ｐ ＭＳ Ｍ 最 大功 率一 定时 ，降 低 转折 转速 ，可提高 电机 的低速转矩 ，从而提 高电动汽车的低速爬坡能力 ，减少静止加速 时间．而提高 电 机的转 折转速则有利 于降低 其体积 、减轻其重量 ，这 对于提高 电机 的功率 密度是非常重要 的 ． Ｐ ＭＳ Ｍ 的参数确定需结 合最 高车速 和额定 车速．在确定的转折转速下 ，提高电动 机的最 高转速将 增加
处于恒转矩 运 行 范 围 ，在 ｎ 以上 电机 处 于恒 功率 运 行 范 围． 图
中， 和Ｐ ２ 分别为 电机 的输 出转矩 及功率．
加速性 能是电动汽 车的基 本要 求之 一 ，以静 止 加速 时 间 ｔ ｆ 来
・
・
衡量． 为分析方便 ，不计各种阻力 ，此 时 电机的输 出转 矩 全部用
设计进 行 了研 究．从 电动 汽车牵引 电机的运行特性入手 ，分析 了影响 永磁 同步 电动机参数确 定的
因素．应 用电磁场 分析 方法给 出了永磁 同步 电动机转子永磁体 结构的选择 原则．应 用场路耦合计
算方法设 计 了电动客车 用永磁 同步 电动机 样机． 实验 结 果表 明 ，样机 的低速 转 矩 大、恒功 率 区
Ａｂ ａ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｐ ｒ ｏ ｍ ｏ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｐ ＭＳ Ｍ （ ｐ ｅ ｒ ｍ ａ ｎ ｅ ｎ ｔ ｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｓ ｙ ｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｎ ｏ ｕ ｓ ｍ ｏ ｔ ｅ ｒ ）ｔ ｏ Ｅ Ｖ（ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｒ ｃ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ）ｄ ｉ ｒ ｖ ｅ ， ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ Ｐ ＭＳ Ｍ ｉ ｎ Ｅ Ｖ ｄ ｉ ｒ ｖ ｅ ｗ ａ ｓ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ ． Ｗｉ ｔ ｈ ａ ｖ ｉ ｅ － ｗ ｔ ｏ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｉ ｒ ｓ ｔ ｉ ｃ ｏ ｆ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｎｏ —
结构 ．为进行有效 比较 ，调整磁体宽 度及 隔磁桥 尺寸 ，保证 两种结 构 电机 具有 相 同的 空载 电动势 和空
载漏磁系数 ，且结构 定子相 同．
表１ 为相应 电感参 数的 比较．其 中 ， ，， 。 分别 为直 、交轴 电流 ；Ｌ ，Ｌ ａ ｑ 分别 为直 、交轴 电感 ；Ｂ 为 空载气隙磁密 ； 洲为 负载气 隙磁密 ； 。 为空载漏磁 系数 ．可 见 ，Ｕ型结 构 电机最 大直 轴 电流时 的电感 更 大 ，即弱磁能力更强 ．对牵引 电机来说 ，降低 直轴 电流 意味着有更大的交轴 电流用 以提供有功功率 ． 两种结构 电机交 、直轴 电感与 电流的关系如 图 ２所 示． 分析图 ２可知 ，交轴 电感 由于交轴磁路饱 和因 素受交轴 电流 的影 响较 大 ，但直轴磁路 的耦合因素对其影响较 小 ；直轴 电感在 大直轴电流下没有磁路饱 和 及耦合影响 ，在 小直轴电流下有这种影 响．另外 ，在相 同交直轴电流下 ，Ｕ型结构 电机交轴 电感 更大 ，因 此 凸极率 大小与交直轴 电流有关 ．两种结构 电机在大 交轴 电流和小直轴 电流下都 有相对较小 的交轴 电感 和
作 电动 汽车的加速 ，则 电动 汽车的加速度 口表示 为
口 粤： ， 一 ｍ ，
口 ：
（ Ｌ １ ）
ｎｂ
月…
”
图１ 电动 汽 车用 Ｐ ＭＳ Ｍ 的特 性 曲线
式 中 ，Ｆ为车轮的驱动力 ；ｍ为车 的质量 ； 为车速．
Ｆｉ ｇ ．１ Ｃｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ Ｃ ｕ ｌ ｗ ｅ ｓ
宽 ，性 能满足整车 的需要 ． 关键词 ：电动汽车 ；永磁 同步电动机 ；运行特性 中图分 类号 ：Ｔ Ｍ ３ ４ １ 文献标识码 ：Ａ
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｐ ｅ ｒ ｍａ ｎ ｅ ｎ ｔ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｓ ｙ ｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｎ ｏ ｕ ｓ ｍｏ ｔ ｏ ｒ ｉ ｎ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｄｒ ｉ ｖ ｅ
ＷＵ Ｙａ ｎ — ｈ ｕ ａ ‘ ＸＵ Ｊ ｉ ａ — ｑ ｕ ｎ
，
（ １ ． Ｄ ｅ ｐ ｔ ． ｏ ／ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｈ ｅ Ｕ ｏ ｎ ｇ ｊ ｉ ａ ｎ ｇＩ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｅ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ） ， Ⅱ ｒ ｂ ｉ ｎ １ ５ ０ ０ ２ ７ ， ｃ ＾ ， ｌ ｎ ： ２ ． Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ
速范 围内的高效率．电动汽车用 电动机 的开发必须综 合考虑上述 因素 ，保证 系统性 能优异 、高效和可靠． 目前 ，在 电动汽车电驱动 系统 中 ，永磁同步电动机 系统 以其高效 、高控制精 度 、高转矩密度 、良好 的 转矩平稳性 及低振 动噪声的特点受到 国外电动汽车界的高度重视 ，尤其在 日本得 到 了极 为广泛的应用 ，是
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第 ６期
吴 延华 等 ：电动汽 车用 永 磁 同步 电动机 设 计
ｌ 电动 汽车 用 永磁 同步 电动机 的设计
１ ． １ Ｐ ＭＳ Ｍ 参数的确定
电动 汽车驱 动用 Ｐ Ｍ Ｓ Ｍ 具有如 图 １ 所示 的转矩 转速及 功率转速 特性 曲线 ，即在 转折转速 ｎ 以下 电机
弱磁运 行区域 ，这会增加 电动机的机械损耗 、铁 耗及逆变器的开关损耗 ，提高逆变器 的成本 ．而且传动 系 统的体积 、重量 和损耗 也将 加大． 因此 ，应在考 虑低速转矩 与转折 转速 的基础 上决定 电动 机 的最 高转速 ．
同时 ，为使牵引 电机具有 长时间的高运行效率 ，额定车速应设计 处于牵 引电机 的额定转 速附近． Ｐ Ｍ Ｓ Ｍ 的参数确定还 要考虑逆变器极 限电压及极限 电流 的限制 ．由于逆变器的功 率器件 的电压 等级一
电动汽 车电驱动系统是实现整车驱 动性 能的关键．电动汽车的负载范 围和速 度范围都 较宽 ，且运行于 不 同的路况 下 ，同时要靠车载 蓄电池等 有限能量电源供 电，造成其驱动用 电动机 的运 行工况非常复杂． 电 动汽 车驱动 用电机系统应具有尽可能高 的转矩 密度 、瞬时功率 ，良好 的转矩控制 能力 、高可靠性及在宽调
ｔ ｏ ｒ ，ｍａ ｉ ｎ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ｉ ｎ ｌｕ ｆ ｅ ｎ ｃ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｉ ｆ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｐ ＭＳ Ｍ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｓ ｒ ｗｅ ｒ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ． Ｃ ｈ ｏ ｉ ｃ ｅ ｐ ｉｎ ｒ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ｏ ｆ ｐ ｅ ｍ ａ ｒ ｎ ｅ ｎ ｔ — ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｉ ｎ ｒ ｏ ｔ ｏ ｒ ｗａ ｓ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ． Ａｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ — ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｅ ｄ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ，ａ Ｐ ＭＳ Ｍ ｐ ｒ ｏ ｔ ｏ ｔ ｙ ｐ ｅ ｗａ ｓ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｅ ｄ ． Ｓ ｕ ｃ ｈ ｅ ｘ ｐ ｅ ｉｍｅ ｒ ｎ ｔ ａ ｌ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ａ ｓ ｗｉ ｄ ｅ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ａ ｎ ｔ ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｒ ａ ｎ ｇ ｅ ａ ｎ ｄ ｈ ｉ ｇ ｈ ｔ ｏ ｒ ｑ ｕ ｅ ａ ｔ ｌ ｏ ｗ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｓ ｈ ｏ ｗｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ Ｐ ＭＳ Ｍ ｐ ｒ ｏ ｔ ｏ ｔ ｙ ｐ ｅ ｃ ａ ｎ ｍｅ ｅ ｔ ＥＶ ｄ ｒ ｉ ｖ ｅ ｗｅ ｌ ｌ 、
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ￣： ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｒ ｃ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ（ Ｅ Ｖ） ；ｐ ｅ ｒ ｍａ ｎ ｅ ｎ ｔ ｍ ａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｓ ｙ ｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｎ ｏ ｕ ｓ ｍ ｏ ｔ ｏ ｒ（ Ｐ ＭＳ Ｍ） ； ｄ ｉ ｒ ｖ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｉ ｒ ｓ ｔ ｉ ｃ