1.中车株洲电机有限公司 湖南株洲 412000；2.湖南省新能源汽车电机工程技术研究中心 湖南株洲 412000
摘要：电动汽车用永磁同步电机呈现高转速化和高功率密度化的应用趋势，对电机的散热、电磁方案设计和转子冲片机械强度提出更高的设计要求。当电机转速提高时，随着弱磁程度的加深永磁同步电机（PMSM）绕组中谐波产生的损耗和转矩波动会相应增加。文中使用2D有限元就电机高转速下转子冲片强度、电机谐波含量、转矩波动和损耗进行理论计算，并通过使用Motor-CAD软件计算电机温升分布情况，设计了一款适用于高转速下高功率性能输出的电机，最后通过实验验证了该方案的可行性。
关键词：永磁同步电机；谐波；2D有限元；高转速
Design of High Speed PMSM for Electrical Vehicle
Dong Xiaoyan，You Lei
(1.(CRRC ZhuZhou Electric Co., ltd, Zhuzhou 412000, China)
(2.Hunan Provincial Engineering Research Center for Electric Vehicle Motors)
Abstract: PMSM for electrical vehicle drive present to be with higher speed and higher power density .This requires higher requirement for motor cooling、motor field design and rotor machnical strength.As the motor speed rises,the motor need deeper flux weakening ,which will cause more harmonic waves 、more losses 、higher torque ripple in the motor .2D finite element method was used to analyse the motor rotor strength、harmonic waves 、torque ripple 、 motor losses and analyzed the motor winding temperature by using Motor-CAD for a high speed&high power motor.At last validated the motor performance by the sample motor.
Keywords: PMSM;harmonic wave;2D finite element method；high speed
0引 言
在新能源汽车整车动力需求一定的情况下，通过调整齿轮箱减速比可以实现电机高功率低扭矩输出，从而降低驱动系统成本，因此新能源驱动用永磁同步电机呈现出高转速化和高功率密度化的趋势[1]。与传统电机不同的是，电机高速化后电机转子机械强度要求增加、电机损耗增加、电机控制精度要求增加。因此在方案设计阶段分析电机转子的冲片强度、电机绕组产生的谐波含量、电机损耗及温升是保证电机在高转速下高功率输出的主要手段。其中绕组产生的谐波是电机转矩波动的主要来源[2]，谐波产生的损耗是影响电机高转速下持续高功率输出的主要因素。
本文以一台额定功率50kW，峰值转速10000rpm的电机需求展开设计，对方案中的冲片结构强度、负载谐波含量、负载损耗和温升进行分析，多维度分析电磁方案的可行性。
1电机规格及转子拓扑
50kW驱动电机规格如表1。
表1 电机主要参数
电机的电磁转矩公式为：
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其中公式的前半部分为永磁转矩，后半部分为磁阻转矩。式中的 为永磁磁链，P为电机极对数，Ld为电机d轴电感，Lq为电机q轴电感，id为电机d轴电流，iq为电机q轴电流。新能源汽车电机基本为凸极电机，凸极电机的Ld＜Lq,因此Ld-Lq＜0 ；由于电机为电动状态，工作在第二象限，此时id＜0、iq＞0；因此磁阻转矩在电动状态下起到转矩增量的作用。
为使得电机在高转速下拥有好的功率输出，需提高电机的磁阻转矩占比[3]。“V”形转子拓扑结构由于既有很好永磁转矩输出又有较好的磁阻转矩转矩输出能力，广泛应用于新能源汽车驱动电机中[4]。本文中电机方案采用“V”形转子拓扑结构，转子拓扑结构如图1，转子拓扑主要尺寸如表2。
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图1 转子拓扑
表2 转子拓扑主要尺寸
2转子冲片强度分析
为保证上述转子拓扑结构满足高转速使用要求，使用Ansys Workbench中的机械分析模块对转子冲片强度进行校核，在转子磁钢装配后，计算1.2*10000rpm下转子冲片受力情况。计算出转子冲片最大应力为384MPa,小于方案中B27AV1400的冲片应力强度典型值420MPa，转子冲片强度是合格的。
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图2 转子冲片强度分析
3有限元建模分析
利用Maxwell软件建立电机模型如图3，电机有效长度130mm、采用转子斜极，利用2D有限元对电机进行分析。
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图3 2D有限元模型
计算电机10000rpm时的空载反电势如图4。
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图4 高速空载反电势
对上述空载反电势进行傅里叶分解，得到各次谐波的含量如表图5。
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图5 空载谐波分析
电机不同转速下额定功率输出时的转矩波动如图6。
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图6 各转速转矩波动
电机的铁耗与频率的关系为：
4样机实验分析
为验证设计是否准确，按电机设计方案制作了1台样机，采用测功机对电机进行性能测试。
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图6 样机测试
经过样机测算分析，电机理论计算与实测对比如表5。
表5 电机测试分析
5结语
针对一款高转速永磁同步驱动电机，本文对电机的电磁方案、电机转子冲片强度、电机温升进行理论计算，同时制作1台样机进行测试验证。实验结果表明，电机理论计算与实测很接近、证明使用该设计分析方法对高速永磁同步驱动电机进行评估是可行的。
参考文献
[1]袁中胜.新能源汽车驱动用永磁同步电机的设计[D].黑龙江：哈尔冰工业大学，2013.
[2]辜承林、陈乔夫、熊永前.电机学-高等学校-教材 IV.TM3.武汉：华中科技大学出版社，2010年1月
[3]冯桂宏.电动汽车用永磁电机弱磁调速能力.电机与控制学报，2014，8（18）：55-61.
[4]王艾萌.内置式永磁同步电机的优化设计及弱磁控制研究[D].北京：华北电力大学，2013.