电动汽车用多相永磁同步电机的设计与分析

随着电动汽车技术的日益发展，对驱动电机的研究也随之深入。优点，在电动汽车中应用前景广阔。而与传统三相电机相比，多相永磁同步电机兼有永磁同步电机和本文根据电动汽车对电机性能的要求，提出采用六相双Y移30°绕组作为定子绕组和V型结构作为电机的转子结构，并对永磁体同时设计了一台22kw的六相永磁同步电机，并结合有限元软件对电机进行了转矩性能分析。1.引言驱动电机是电动汽车的核心部分，应具有尽可能高的转矩密度、良好的转矩控制能力、高可靠性及在宽车速范围内的高效率，永磁同步电动机具有效率和转矩密度高、转矩平稳性良好及振动噪声低等特点，是电动汽车驱动系统的理想选择[1]。目前，在电动汽车的驱动系统中，人们经常使用的是三相永磁同步电机，但是出于对乘客的舒适和安全考虑，电动汽车用多相容错永磁同步电机的发展引起了人们的关注[2]。多相电机是指供电相数大于三的电机。自20世纪90年代以来电动汽车、电动船舶、多电飞机和高功率工业器件等得到飞速发展[3]，这些应用领域对驱动电机提出了更加严格的要求，多相电机凭着先天的优势在这些应用领域中得到重视，逐渐成为当前电机领域研究的一个热点。相比于三相电机，多相电机具有转矩脉动小、转矩密度大、可实现低压大功率及可靠性高等优势[4]。文献[5]对应用于电动汽车的四相电机进行了研究，证明了四相电机在一相断路、两相断路的故障下仍能提供输出转矩维持汽车行可靠性。文献[6]设计了一种电动汽车用的半十二相外转子容错永磁同步电机，它采用开放式绕组、分数槽集中绕组结构，提高了电机的转本文首先介绍了六相双Y移30°绕组的构成理论，并根据电动汽车性能要求，设计出六相永磁同步电机的设计方案，然后采用有限元软件Ansoft对目标电机进行建模，并对电机性能进行了仿真2.电动汽车电机的设计2.1绕组结构的选择六相双Y移30°绕组，该绕组采用30°相带，即“空间分布30°其空间分布图如图1：脉振磁动势相加，可得定子合成磁动势波为： (1)动势波正向顺转，转速为ω；当μ+ν=12n(n为正整数)时，合成合成磁动势正向顺转，转速为ωμ/ν；其它的μ和ν组合，合成磁间磁动势谐波的转速、方向均相同。2.2转子结构的选择电动汽车要求电机有高转矩密度、宽调速范围、高可靠性等性能，而永磁同步电机的转子结构形式是对电机性能影响的重要因素之通常永磁同步电机的转子结构可分为内置式和表贴式，表贴式永磁同步电机转子结构由于永磁体的磁导率接近于空气磁导率，所以这种转子结构的凸极效应较小，一般多用于中小功率的高精度内置式永磁同步电机的永磁体位于转子内部，永磁体外部有软磁材料制成的极靴保护，转子结构简单、坚固，而且，内置式结构永磁体加工成本比表贴式瓦型永磁体加工成本要低很多。体的直轴磁路磁阻比交轴磁路磁阻大，从而导致电机的交轴电感Lq比直轴电感Ld大，而交、直轴磁路不对称产生的磁阻转矩有利于提高电机的过载能力和功率密度，且为电动汽车驱动电机的弱磁扩速提供了可能[7]。所以本文选择V型内置式转子结构作为电动汽车用永磁同步电机2.3永磁体尺寸的设计尽管永磁材料多种多样，但为获得较高的功率密度及较宽的转速范围，永磁同步电动机的永磁体通常采用稀土钴永磁材料和钕铁硼永磁材料，二者都具有较高的磁性能。较于后者，前者磁稳定性最好，更适合于制造高性能的永磁电动永磁体尺寸主要包括磁化方向长度hM、宽度bM、轴向长度LM。一般永磁体轴向长度LM与电机铁心轴向长度相等或稍微小于铁心轴向长度，故实际只需设计两个永磁体的尺寸(即hM和LM)。在设计电机时，还需综合考虑以下因素：1)确定hM时应使永磁体处于最佳工作点且具有合理的直轴电抗值，因hM是决定直轴电抗的一个重要因素，而且直轴电抗又影响电动机输出功率、电磁转矩等性能。且不易运输与装备；另一方面，永磁体太薄会使其易于退磁，降低电动机的可靠性及稳定性。3)根据磁负荷的要求确定bM。bM决定磁通面积，可以根据磁负荷的大小来选取，同时也要考对于内置式结构的转子，永磁体尺寸计算公式为： (2) (3)2.4最终设计方案根据电动汽车电机设计指标要求，结合上面对电机结构的分析，本文设计了一台22kw电动汽车驱动用内置式永磁同步电机，电机定子采用六相双Y移30°绕组，转子采用内置式V型结构，电机的主要设计参数如表1所示。表1电机主要参数额定功率kw转子内径mm定电压V额定转矩Nm3r/min6in永磁体宽度mm定子外径mm永磁体厚度mm6定子内径mm铁心长度mm转子外径mm气隙长度mm13.转矩性能分析本文以36槽6极六相和三相永磁同步电机为例进行仿真分析(三相永磁同步电机的规格和尺寸与六相电机一致)。研究相数对负载转矩性能的影响。六相电机相比较三相电机能实现低电压大功率的优势，所以在仿真六相电机和三相电机的负载转矩时，六相电机加的电流负载是三相电机所加电流负载的一半，仿真图如图3所示。通过对比三相电机与六相容错电机的转矩输出波形，我们可以得到三相电机输出转矩为50.2Nm，转矩波动为11.8%，而六相电机输出转矩为51.1Nm，转矩波动为4.2%，要明显小于三相电机电机转矩波动，提高电机的性能和电动汽车的舒适性。4.结论本文根据电动汽车电机既要满足高转矩密度、低转矩脉动，同时还要满足宽调速范围的要求，提出了六相永磁同步电机的设计。首先介绍了六相双Y移30°绕组的结构和原理，分析得到六相电其次提出了采用V型结构作为内置式永磁同步电机的转子结构来车用六相永磁同步电机的高性能。参考文献[1]吴延华，许家群．电动汽车用永磁同步电动机设计[J]．煤炭permanentmagnetmotordrivesforelectricvehicles,”IEEEInternationalElectricMachines&DrivesConference[3]马伟明.舰船电气化与信息化复合发展之思考[J].海军工