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摘要：驱动电机是电动汽车最为重要的组成部分，为保证电动汽车高效行驶，并具有较高过载能力和较宽调速范围，就必须确保电机设计能够满足这些性能要求。文章对电动汽车驱动电机的性能要求进行了分析，阐述了永磁同步电机的特点，论述了永磁同步电机的工作原理，并在此基础上提出了电动汽车中的永磁同步电机的设计方法，以供相关人员参考。
关键词：电动汽车；永磁同步电机；性能要求；工作原理；功率角
现阶段，大气污染问题以及全球变暖问题已经受到全世界人民的高度关注。而汽车能源消耗是导致这两种问题的重要因素，所以，当前世界各国不断加强对新能源电动汽车的研发工作。永磁同步电机以其独特优势成为电动汽车驱动电机的理想选择。与以往电机不同的是，永磁同步电机不受额定性范围限制，能够在整个转速范围内有效运行。基于此，从永磁同步电机的性能、损耗等主要方面进行分析和研究，对电动汽车驱动系统的发展有十分重要的现实意义。
1.电动汽车对驱动电机性能的要求
电工汽车在运用过程中，其工况变化较为复杂，所以对驱动电机的尺寸和性能方面有非常严格的要求。
第一点，电动汽车电机电池电量一定时，其续航里程在很大程度上决定了电动汽车的性能，所以，要想增加电动汽车的续航里程，就必须提高其电机的运行效率，减少电机运行能耗。
第二点，电动汽车不可避免地会在不同路况中行驶，也就是说电动汽车行驶过程中既要面对凸凹不平的较差路况，也可能面对平整顺畅的高速公路。所以，不同路况下电动汽车的运行工况也存在较大差异，这就要求其电机调速范围必须较宽。
第三点，电动汽车在实际运用中，会进行爬坡、加减速以及频繁起步等多种操作，这需要电机拥有一定的启动转矩，在设计时必须选用过载系数较大的电机。
第四点，为了方便电机布置，增加电动汽车的内部空间并有效减小车重，必须选用体积较小而功率相对较大的电机，并尽可能使用额定电压较高的电机。
2.永磁同步电机的特点
第一点，具有良好的节能作用。永磁同步电机无需采用励磁绕组，其利用永磁体进行充磁，并且仅需充磁一次即可长久使用，从而使电机损耗有效降低。相比于异步电机，永磁同步电机因为无需励磁，不需要定子电流中的励磁电流分量，相应减少了大量的铜耗，因此永磁电机的运行效率相对要高出很多。相比于电励磁同步电机，永磁电机的转子无需励磁绕组及滑环等构件，并且永磁电机不会产生励磁损耗，所以该类电机的稳定性相对较好，同等规格下，永磁电机能够相对节约5%左右的电量[1]。另外，在较大负载情况下，永磁电机无需利用电流建立磁场，即可始终保持较高的运行效率，在负载较小的情况下这种优势更为显著。
第二点，具有较大的起动转矩和最大转矩倍数。以往的异步电机设计中，最大转矩倍数以及启动转矩都相对较小，如果想增加二者数值，就必须将增大电机容量。但在增大电机容量后，因为电机常处于轻负载或额定负载状态，这些情况下的电机效率以及功率因素又不高。永磁电机的设计和应用能够有效解决该问题，在频繁启动情况下，永磁电机始终保持较高的运行效率，并且在轻负载状态下，因为无需利用电流建立磁场，所以此时电机的运行效率会更高。
第三点，是低速直接驱动的首选。目前，大部分电传动均需通过齿轮箱来改变转矩以及转速，但齿轮箱工作过程中会产生大量的噪音，在一定程度上使系统运行效率降低。在功率恒定状态下，齿轮箱可利用转速来改变转矩，反之亦可，如此就可以将电机体积进一步压缩。对于低速直接驱动，可利用频率对转速直接进行控制，无需使用齿轮箱，就相应降低了齿轮箱装置的成本，但这要求增加电机体积，同时因为频率范围相对较大，需要深入分析和研究变频器的功率和频率段等要素。
第四点，具有较高的功率密度。基于电动汽车内部空间的局限性，要求其电机必须具有高转矩密度和高功率密度。永磁电机通过永磁体励磁，其所产生的励磁磁势要超出等体积电励磁电机的7倍左右，因此可设计较高的小空间磁场。与其他类型的电机相比，永磁电机具有高功率密度。
3.永磁同步电机工作原理
永磁同步电机属于一种交流电机，与异步电机最大的不同在于脐转子侧装设有永磁磁极，所以电机磁极的极性已经确定。旋转电机运行过程中，其能量转换有两个必要前提，一是定转子磁场必须处于相对静止状态，二是气隙合成磁场必须保持恒定状态。所以，永磁同步电机的运行特征是其转子转速一定要等同于磁场转速。
永磁同步电机运行功率传输方向不同时，电机运行状态可分为机械能向电能转化的发电机状态、电能向机械能转化的电动机状态，以及仅吸收或发出无功功率而不转换一次调节电网功率因数的补偿机状态。而定子三相电流合成磁场与转子主磁场的夹角决定了永磁同步电机的具体运行状态，所以这个夹角有叫做功率角[2]。
在运行过程中，若永磁同步电机的转子主磁场轴线先前于定子合成磁场轴线，也就是说功率角大于0时，电子转矩方向与转子转向相反，这是转矩属于制动性质。为保证电磁转矩制动效果的平衡，促使转子保持同步转速，就一定要通过转子轴来传递驱动性的机械转矩。这时外部输入机械功率，永磁同步电机出电功率，以发电机状态运行。
若永磁同步电机的转子主磁场轴线与定子合成磁场轴线重合，也就是说功率角等于0时，电磁转矩也是0，这时电机和外部为发生功率传递，以补偿机状态运行。
若转子主磁场轴线滞后与定子合成磁场轴线，也就是说功率角小于0时，转子转向与电磁转矩一样，转矩属于驱动性质，为使转子保持同步转速，机械转矩则作为制动转矩，这时电机拖动负载输出机械功率，以电动机状态运行。如果负载机械转矩增加，功率角就随之增大，反之则变小。但若负载转矩大于电机电磁转矩最高值，此时输入输出功率的平衡状态遭到破坏，电机无法保持转子同步旋转从而不再处于同步状态。
永磁同步电机的转子转速仅与磁极极对数以及交流电流频率密切相关，即如果磁极极对数不变，仅需控制电源频率即可达到对永磁不同电机的调速目的。
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图1：永磁同步电机及其工作原理示意图
4.电动汽车用永磁同步电机的设计方法
第一点，设计永磁同步电机的主要尺寸估算。设计人员要先确定电动汽车永磁同步电机的大致设计方案，该方案必须能满足电动汽车永磁同步电机对宽调速、大转矩以及平稳转速等方面的要求。设计人员可利用电机电机尺寸公式进行估算，根据电机尺寸与电机功率关系基本确定电机尺寸。
（1）
其中，为电磁功率，为计算极弧系数，为气隙磁场波形系数，n为电机转速，为绕组系数，为定子内径，为铁芯长度，为定子电负荷，为气息磁密。
这个公式较为简单直观，定子尺寸与功率间的关系一目了然，适用于既知电机功率指标，进行电机定子尺寸的初步计算。
第二点，设计永磁同步电机的额定工作性能。对于电动汽车永磁同步电机额定工作性能的设计，最重要的工作就是把电机控制策略融入到工作性能设计中去，对电机具体工作性能进行计算，并在此基础上测试电机的运行状态，从而达到设计方案中额定性能相关要求。电机工作性能决定了电机计算方法，这也是优化电机设计的基本前提。
在计算工频供电电机工作性能的过程中，运行变量由其向量图决定，因此，在此类设计中，主要根据功率变化以及电阻参数等方面来计算电机频段，从而确定电机转速。对于电机额定转速下的电流与功率等性能，应重点关注工频供电电机运行时的计算，这要求供电电业必须为既定额定电压[3]。但电动汽车的驱动电机与其他电机不同，所以其电机反电设计值与控制策略也与其他电机存在一定差异。在电机实际运行中，其供电电压可能无法恒定，这时计算出的电机工作性能也就可能产生误差。
第三点，设计永磁同步电机的磁路、电路参数以及绕组等内容。在设计这些电机电路过程中，要将永磁同步电机与其他同步电机分开设计，由于设计过程中需要经过很多次的调整，因此电动汽车驱动电机设计也必须分开进行，也只有如此才会形成有效的解析计算方式来计算此类参数，进而促进设计效率的提高。
第四点，温升计算。电动汽车通常采用封闭式水冷结构的驱动电机，定子绕组所产生的损耗靠机座与铁心发散出去，而定子绕组端部散热条件不良，所以该部位损耗一定要通过槽部铁心发散。如此下来，定子绕组的温度分布就呈现出中部低两端高的状态。同时，电动汽车驱动电机工况变化较快，并且比单一不间断工作的温度变化要更加明显，所以必须选用合理的方式对绕组短时过电流能力与暂态温升状况进行分析。一般用等效热路法、有限元法以及等效热网络法来计算电机温升。其中，在设计电机的初始阶段，可通过等效热路法以及等效热网络法来计算电机温升，能够在短时间获得多种电机设计方案。而通过有限元法计算出的电机温升结果更加精确，可用于设计方案确定之后的相关计算。
第五点，计算永磁同步电机的过载倍数与弱磁扩速比。不同过载倍数状态下，永磁同步电机所能达到的最高温度值也存在一定差异，只有在电机最高转速以及额定转数的过载倍数确定之后，才可获得永磁同步电机带载的弱磁扩速比，然后才能在此基础上上对比这两项参数与，以便于对设计方案进行合理调整，从而得到妈祖电机转矩与转速实际要求的有效设计方案。以电机控制策略为基础，对电机工作性能进行计算的方式，是设计电动汽车永磁同步电机的最关键、最基本的一项流程，同时也是确定电机过载倍数以及弱磁扩速比的最重要前提。相比于以往其他计算方式，该控制策略的引用能够将设计精度大大提升。
5.结语
总之，将永磁同步电机作为电动汽车的驱动电机，对提高电动汽车驱动系统运行效率有非常重要的促进作用。所以，设计人员必须充分了解电动汽车对驱动电机的具体性能要求，深刻认知永磁同步电机的特点，熟练掌握永磁同步电机的工作原理，并在此基础上从多个方面着手，采用合理的设计方法，进行电动汽车用永磁同步电机的设计。
参考文献:
[1]艾永乐, 许增渊. 电动汽车用高功永磁同步电机设计与特性分析[J]. 电子测量技术, 2017, 40(2):138-143.
[2]徐斌. 电动汽车用永磁同步电机设计[J]. 中小企业管理与科技(下旬刊), 2016(3):249-250.
[3]刘莹, 靳媛媛. 电动汽车用永磁同步电动机设计[J]. 工业设计, 2017(12):110-111.
论文作者:成哲
论文发表刊物:《防护工程》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/17
标签：永磁论文; 电机论文; 转矩论文; 同步电机论文; 电动汽车论文; 功率论文; 转子论文; 《防护工程》2018年第23期论文;