車用永磁同步電機設計技術要點——新能源汽車百家講壇紀要

時間：2017/08/12

主講人：華域汽車電動系統有限公司 副總工程師 曹紅飛

主題：車用永磁同步電機設計技術要點

主辦方：杭州水雲間信息技術有限公司

整理：天風電新楊藻團隊

要點總結：

電機技術並沒有我們想象的那麼簡單，車用永磁同步電機國內廠商相對國外落後5年左右，差距在於設計理念、原材料和設備、以及需要避開國外專利（目前國廠商專利少說4000多份）。另外在材料損耗，工藝，關鍵參數的控制方面與國外都有差距，產品更新速度也較慢。未來電機產品的發展趨勢是更高輸出密度、更寬調速範圍、更低製造成本、 更易集成（目前最有意義的集成是電機，變速器和控制器集合在一起）。我們認為未來在技術與客戶響應上能夠做到突破的公司有望勝出。

一、電機磁場及工作原理

電磁力原理：電磁力指的是通電導線在磁場里受到電磁力的作用，電磁力是異性相吸，同性相斥的。這裡的異性相吸肯定是對的，但是同性相斥這裡的同性指的不是極性相同，而是指電磁磁位性質相同。目前的電機產生力主要靠吸力作用。

發電原理：導體在發電的磁場里被感應出來電壓，使得電路形成迴路產生電流。

永磁同步電機工作原理：定子通交流電后產生旋轉磁場，該旋轉磁場吸引轉子磁場，是轉子跟隨定子磁場旋轉。

這裡需要注意的是車上使用的電機大部分都是永磁同步電機，而其中絕大部分都是內嵌式同步電機，主要原因是內嵌式同步電機很好的利用了磁阻扭矩。磁阻扭矩對電機系統的影響在於：

• 在相同的電機反電勢系統下，實現相同的扭矩可以減小釋放的電流，從而有利於提高電機低速大扭矩情況下的效率，還為降低控制器主要部件成本創造條件。

• 在相同的控制器硬體條件下，高磁阻扭矩電機比低磁阻扭矩電機具備更高的空載轉速，有利於提高電機高速小扭矩的工作效率，改善電磁噪音，提高了電機系統的調速範圍。

二、車用驅動電機的主要性能參數及解讀

衡量車用驅動電機的主要性能主要看下面幾個數據：

1.滿功率輸出的最低工作電壓：（額定電壓不重要）這裡需要注意的是車用電機用的都是交流電，但是廠商一般給的數據都是直流電數據需要轉換成交流值，直流電轉換成交流電時要經過控制器，這一步驟需要消耗一部分電壓。

2.最大工作相電流：不能用主機廠給的數據，要結合控制器的IGBT能力。

3.峰值扭矩：對商用車客戶可能的是堵轉扭矩值。

4.峰值功率：應該明確是什麼轉速下的峰值功率。

5.額定功率/扭矩：長時間允許運行的工作點叫額定功率，但是對整車廠來說合理額定功率應當是持續的扭矩和功率，比如車高速時的電機運轉功率可以當作額定，應該考慮縫製轉速下的額定功率。

6.最高工作轉速：最高工作轉速包括了最高工作轉速下的功率，最高轉速下的反電勢，最高轉速下機械應力（是不是能在高速下穩定運行）。

7.NVH：低齒槽扭矩和負數反電勢譜波。

8.效率：這裡需要關注的數據是電機最常用的效率，同時還要注意高效區要合

理匹配客戶的需求。

三、發展趨勢

1.更高輸出密度-（拳頭那麼大最好輸出200kw）

• 有沒有什麼材料，成本低廉還能效率高

2.更寬調速範圍（0-18000轉，甚至0-20000轉）

• 有沒有新原理能把成本降下來

3.更低製造成本

• 新工藝（例如有沒有什麼好的絕緣材料能把耐溫提高）

4.更易集成

• 新應用（目前最有意義的集成是電機，變速器和控制器集合在一起）

1.常用的磁路結構

資料來源：「車用永磁同步電機設計技術要點」，天風證券研究所

2.車用永磁同步電機磁路結構發展趨勢

趨勢主要概括為：高功率密度，低材料損耗，高速旋轉，控制靈活。具體表現為：

• 適應高磁阻扭矩性能和低磁鋼消耗

• 滿足電機和變速箱一體化需求，追求轉子尺寸和薄型設計

• 新型磁鋼工藝或高性能硅鋼片材料的發展

• 迎合創新控制策略對電機磁路參數的特殊需求變革

五、永磁同步電機相關設計參數及取值

1. I , P ,Z, n取值（電機設計最相關的參數）

a）極對數p

• 極對數越多，越有利於提高電機的扭矩密度和功率密度

• 在不考慮轉子漏磁的情況下，電機的極對數越多，電樞對轉子的電樞反應越弱。

• 考慮到實際工藝能力和定轉子機械強度問題，過多的極對數，會導致漏極係數過大，縮匹配 的電樞槽面積過小，反而不利於功率密度的提高

• 極對數決定了電機在一定轉速下的工作頻率，因此可以根據電機鎖匹配控制器開關部件的能力和電機鎖工作到最高轉速來獲得電機允許的最高極對數

優先順序推薦：滿足電機可控性-滿足電機可製造性-取儘可能多的磁極。

b）指數Z（一般情況下，必須先決定p再決定Z）

（概念：每組每相槽數Q=Z/(3*2*P), Q為整數時被稱作整數槽繞組，否則稱之為分數槽繞組）

• 車用大功率電機若是選擇了集中繞組，那麼電機的Q=0.5,那麼槽數Z=3*P，也有少數小功率電機8極9槽或者10極12槽。

• Q值越大，電機的反電勢譜波越小，電機齒槽扭矩和力矩波動幅度越小，但根據經驗Q>3后，對譜波的改善效果可以忽略。

• 由於驅動電機的功率較大，電機單相串聯匝數較少，那麼很多時候需要選擇合適的槽數Z，來保證電機匝數的合理

電機常用的Q值推薦為：Q=0.5; Q=1.5; Q=2; Q=2.5; Q=3(對於車用驅動電機Q取較大值時往 往應用扁銅線繞組工藝。

C）匝數N

• 匝數增加 ，電機的反電勢係數增加，相同電流下的扭矩增加

• 匝數增加，意味著導體的截面積減少，可能帶來電樞熱負荷過高的問題

• 改變電機的體積，就改變了電機的磁通面積，改變了磁路結構可以更改氣隙磁密合極弧係數，為調整電機匝數創造了條件

2. 主要尺寸確定

1）電樞外徑取值---一般情況下，根據整車的尺寸需求，去除外殼厚度即得到定子鐵芯外徑，電機機殼的厚度隨電機的外形尺寸和機殼工藝不同而不同，近年來越來越廣泛應用的一體化水冷卻機殼，其機殼的厚度建議在18至30mm不等

2）電樞內徑取值

• 定義：定子外徑尺寸確定后，才能確定電樞內徑尺寸，即關鍵是設計電機的內外徑比例值kd

• 影響：Kd值越大，電機電樞磁勢影響力越小，但轉子磁通量增大，轉子磁勢增強，易於提高電機的功率能力，但需要增大了電機的銅損，反之將減少電機的功率能力，但能給提高電機效率創造條件，Kd值同樣影響了電樞槽尺寸與形狀，Kd值越小，槽越深，電樞槽口越小，槽漏抗增加

3）電機定轉子氣隙選取

氣隙越小越有利於提高電動機的性能，但電動噪音也喜歡過小的問題，過小的間隙要求過高 的零部件的裝配精度，也無法適應轉子高速時的離心力變形，所以電機的該尺寸能做多小主要取決於相關的工藝水平和高速條件下轉子的形變情況。

3． 磁密取值

a）出力和磁密的關係磁密取值

電磁力：F=BIL

電磁扭矩:Te =BINLfe R=BJV

電機的扭矩密度取決於電機空氣間隙內的負載磁密和定子內導體的電流密度

b）電機獲得較高的磁密可以有兩個途徑：

• 磁力取高（提高磁場強度 ）

• 電流密度取高（提高物質材料的磁導率，目前技術來看比較困難）

C）空、負載磁密的取值問題

空載：在滿足反電勢大小的前提下 ，建議取較低的空載定子磁密，合理的轉子磁密

峰值負載：

• 適當調節電機交直流電流分配比例，在基本不犧牲電機扭矩的條件下，緩解磁路飽和程度

• 定轉子多為飽和狀態，但應通過磁路優化減少電樞漏抗帶來的磁路飽和

4． 反電勢取值

a）反電勢對電機及控制器的影響

• 在電機的工作電流一定的條件下，電機的輸出扭矩正比於電機的反電勢。在相同的輸出扭矩下，增大電機反電勢可以降低電機的工作電流

• 電機在不弱磁工作時，在電機電壓一定的條件下電機的工作轉速於反電勢成反比，對於控制同步電機來說，反電勢的大小基本確定了電機峰值扭矩的拐點位置

• 最高反電勢威脅到控制器主要元件（電容和IGBT）的安全，過高的反電勢可能會導致器件損壞

b）反電勢的取值

一般來說市場現有的薄膜電容可承受低於500v的反電勢；對於300v左右的供電系統若定製器件， 該值一般小於700v，現實中超過650v，不管工作是否，薄膜電容會被擊穿，所以很多廠要求取值低於450v。

六、永磁同步電機的模擬手段

1. 導致性能和實測數據偏差的主要問題有：

A．材料定義不完善

B．實際尺寸偏差

C．材料性能余量估計不足

D．模型等效帶來的偏差

E． 網路劃分不合理帶來的偏差

F． 模擬數據處理不當

2. 模擬條件的注意事項:

A．材料屬性

B．鐵損表受實際工藝影響的變化值

C．網格劃分（很多軟體是自動進行劃分的）

D．力學求解器（MAXWELL力和虛功力的理解）

LD/LQ計算和判斷

• 一般規律：Ld隨電機弱磁升速和扭矩增加，數值基本不變。Lq隨扭矩增加（或磁密飽和）而減小，隨弱升速（磁密降低）而增大

• 電機進行FOC控制時，電機的交軸電流都是同時載入，在同一定轉子沖片磁路下，交直軸的磁路是相關影響的。模擬求解和載入條件必須相同的。

七、永磁同步電機的設計輸出參數

在永磁同步電機的設計時，以下數據是一定要算的：

• 反電勢或空載磁鏈（隨溫度變化的很多數據）

• 短路電流（穩定值等於空載磁鏈/Ld）

• 最大相電流和最高工作電流頻率（是否和控制器IGBT一致）

• Ld/lq表（對應ID/Iq，兩個要同時加）

• 負載特性（特別是峰值軸距，功率時直軸電流和短路電流的關係）

• 齒槽扭矩

• 0N.m最高轉速下需要的最小相電流個磁密分佈（非常重要，電動車上高速要深度弱磁的，所以這個數據越小，就會越節能，電池安裝數量就少）

• 效率MAP

• 電流密度和熱負載判斷

• 槽滿率

• 繞組端部尺寸

Q&A

Q：短電流分為穩態和瞬態，穩態電流是很容易計算的，但是瞬態電流怎麼計算，什麼工況下計算比較合理？

A：在什麼工況下我們決定不了，取決於車本身的故障模式，所以我們建議選擇苛刻的模式。一般情況下不用考慮最大電流，一般運行中不會產生最大電流。

Q：退磁需要多少電流？退磁的評價體系是什麼？ 退磁的面積取多少合理？

A：數據是行業機密，一般不會告知，但是我們理論上是不允許退磁的，因為一旦退磁，對電機的傷害很大，而且有第一次就會有第二次，惡性循環。

Q：國內現在主要在使用分散式和繞線式的電機，發卡式電機為什麼沒有在國內普及？您為什麼說在技術上與國外有5年差距。

A：榮威ERX5用的就是發卡式電機（國內目前只有一家），目前我們與國外的差距在於設計理念，原材料和設備，以及需要避開國外專利（目前國廠商專利少說4000多份）。另外我們在材料損耗，工藝，關鍵參數的控制方面與國外都有差距。

Q：滲鏑和滲鋱工藝現在來講只是一個折中方案，而且現在工藝成本已經大於稀土節約的成本，不知道未來發展會不會更加優化？

A：目前來看，用在家電領域的1.8mm厚的磁鋼都是滲鏑滲鋱工藝模式下的，我們也希望看到比較細的磁鋼出現，從而可以不用重稀土，但是現在理論上只有日本公司有這項技術但是市面上還沒有見到過產品。

Q：對主流鋁鐵硼磁鋼，可靠性怎麼鑒定，有什麼要求呀？

A：不允許退磁，希望在不同的溫度下磁密都保持恆定。要了解磁鋼性能底線，在設計電機時需要磁鋼設計底線，並且在應用中不能出現低於底線的情況，我們要求材料一定要穩定，不允許退磁。

Q：未來發展趨勢，HHSM，國外技術發展到哪種程度？

A：高速功率下降是最大問題，如果技術夠好，不用永磁體都沒有問題

Q：相對於IPMSM電機，HHSM電機的普及會出現什麼問題，會不會未來成為新的趨勢，或者國外還有什麼更好的替代技術。

A：只要不用永磁體，高速功率下降是個最的問題，如果電力電子技術很好，能夠把電壓升上去，確實不使用IPMSM會更好。HHSM會不會替代IPMSM要看控制器的技術，目前來說永磁電機的技術還是相對成熟的，目前使用HHSM主要有兩個問題：一，我們國內在大功率boost還做得不夠好，在轉速高，電抗很大的時候，電流就灌不進去了，功率只能往下降。二，混合電池電機是有運用HHSM，但是要犧牲功率。但是還是有替代的可能的，因為永磁電機，弱磁情況下功率下降非常快，效率很低。但是採用沒有磁鋼的電機，功率下降快但是效率依舊相對較高。但是目前電池成本還是很高，所以大部分廠商還是用永磁電機，如果未來電池成本能降下來的話還是很有替代的可能性。

Q：科普一下電機的功率與曲線在不同的轉速區間和功率區段內的變化和損耗？

A：在恆扭矩階段，功率因素不會高（差不多0.7左右），因為需要增磁，負載肯定是增磁工作，正常情況下負載磁密比空載要多40%，多出來需要的電流主要靠電機的交流峰量。過了拐點之後，磁密就會降下來，功率因數會慢慢的提上來。如果電機設計控制好的話，在2倍弱磁的情況下，功率因數基本會到1。設計不好的好，2倍弱磁需要消耗很大的電流，功率因數下降很厲害，過了拐點也不會多少恢復。

Q：主機廠商是不是要求電機高轉速下恆功率輸出。

A：取決於主機廠的選擇，如果他們有這個需求的話，需要做電壓做高，犧牲一部分電流。

Q：峰值扭矩是波動的，要取波動的最低谷嗎？

A：任何扭矩都是波動的，為了有時候大功率的行為例如爬坡，峰值扭矩必須要取波動最低值。

Q:電機設計的時候溫度是怎麼考慮的？

A：必須考慮，不管從扭矩精度還是角度來看都需要考慮，所以說標定非常重要，因為鋁鐵硼溫度係數100度差不多對磁性偏差10%的影響，10%的磁性偏差對扭矩影響非常大，所以說標定很重要。

Q：您有沒有遇到過現場退磁

A：有，退磁是惡性循環，有第一次就有第二次，絕對不允許

Q：電壓利用率，SVPWM的電壓利用率理論上能達到100%,市場上大多什麼水平?

A: 實際上不可能達到100%，因為需要考慮冷卻時間，電流感測器的消耗。歸根結底，不能改變電壓利用率。每個廠家差距挺大，國外有的廠商可以通過改變輸入電流途徑的方式找回一些電壓利用率， 但是歸根結底電壓利用率不能被改變。目前市場上控制器能做到的電壓利用率大約在0.88-0.98，國內偏低，國外偏高。

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