【導(dǎo)讀】電機技術(shù)并沒有我們想象的那么簡單，車用永磁同步電機國內(nèi)廠商相對國外落后5年左右，未來電機產(chǎn)品的發(fā)展趨勢是更高輸出密度、更寬調(diào)速范圍、更低制造成本、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)。
電機技術(shù)并沒有我們想象的那么簡單，車用永磁同步電機國內(nèi)廠商相對國外落后5年左右，差距在于設(shè)計理念、原材料和設(shè)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(guān)鍵參數(shù)的控制方面與國外都有差距，產(chǎn)品更新速度也較慢。未來電機產(chǎn)品的發(fā)展趨勢是更高輸出密度、更寬調(diào)速范圍、更低制造成本、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(shù)與客戶響應(yīng)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(dǎo)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。這里的異性相吸肯定是對的，但是同性相斥這里的同性指的不是極性相同，而是指電磁磁位性質(zhì)相同。目前的電機產(chǎn)生力主要靠吸力作用。
發(fā)電原理：導(dǎo)體在發(fā)電的磁場里被感應(yīng)出來電壓，使得電路形成回路產(chǎn)生電流。
永磁同步電機工作原理：定子通交流電后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場吸引轉(zhuǎn)子磁場，是轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場旋轉(zhuǎn)。
這里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(nèi)嵌式同步電機，主要原因是內(nèi)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(tǒng)的影響在于：
在相同的電機反電勢系統(tǒng)下，實現(xiàn)相同的扭矩可以減小釋放的電流，從而有利于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(chuàng)造條件。
在相同的控制器硬件條件下，高磁阻扭矩電機比低磁阻扭矩電機具備更高的空載轉(zhuǎn)速，有利于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(tǒng)的調(diào)速范圍。
二、車用驅(qū)動電機的主要性能參數(shù)及解讀
衡量車用驅(qū)動電機的主要性能主要看下面幾個數(shù)據(jù)：
1.滿功率輸出的最低工作電壓：(額定電壓不重要)這里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(shù)據(jù)都是直流電數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換成交流值，直流電轉(zhuǎn)換成交流電時要經(jīng)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(shù)據(jù)，要結(jié)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(zhuǎn)扭矩值。
4.峰值功率：應(yīng)該明確是什么轉(zhuǎn)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(yīng)當(dāng)是持續(xù)的扭矩和功率，比如車高速時的電機運轉(zhuǎn)功率可以當(dāng)作額定，應(yīng)該考慮縫制轉(zhuǎn)速下的額定功率。
6.最高工作轉(zhuǎn)速：最高工作轉(zhuǎn)速包括了最高工作轉(zhuǎn)速下的功率，最高轉(zhuǎn)速下的反電勢，最高轉(zhuǎn)速下機械應(yīng)力(是不是能在高速下穩(wěn)定運行)。
7.NVH：低齒槽扭矩和負數(shù)反電勢譜波。
8.效率：這里需要關(guān)注的數(shù)據(jù)是電機最常用的效率，同時還要注意高效區(qū)要合理匹配客戶的需求。
三、發(fā)展趨勢
1.更高輸出密度-(拳頭那么大最好輸出200kw)
有沒有什么材料，成本低廉還能效率高
2.更寬調(diào)速范圍(0-18000轉(zhuǎn)，甚至0-20000轉(zhuǎn))
有沒有新原理能把成本降下來
3.更低制造成本
新工藝(例如有沒有什么好的絕緣材料能把耐溫提高)
4.更易集成
新應(yīng)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)
四、IPMSM磁路結(jié)構(gòu)
1.常用的磁路結(jié)構(gòu)
2.車用永磁同步電機磁路結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢
趨勢主要概括為：高功率密度，低材料損耗，高速旋轉(zhuǎn)，控制靈活。具體表現(xiàn)為：
適應(yīng)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(zhuǎn)子尺寸和薄型設(shè)計
新型磁鋼工藝或高性能硅鋼片材料的發(fā)展
迎合創(chuàng)新控制策略對電機磁路參數(shù)的特殊需求變革
五、永磁同步電機相關(guān)設(shè)計參數(shù)及取值
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I,P,Z,n取值(電機設(shè)計最相關(guān)的參數(shù))
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a)極對數(shù)p
極對數(shù)越多，越有利于提高電機的扭矩密度和功率密度
在不考慮轉(zhuǎn)子漏磁的情況下，電機的極對數(shù)越多，電樞對轉(zhuǎn)子的電樞反應(yīng)越弱。
考慮到實際工藝能力和定轉(zhuǎn)子機械強度問題，過多的極對數(shù)，會導(dǎo)致漏極系數(shù)過大，縮匹配的電樞槽面積過小，反而不利于功率密度的提高
極對數(shù)決定了電機在一定轉(zhuǎn)速下的工作頻率，因此可以根據(jù)電機鎖匹配控制器開關(guān)部件的能力和電機鎖工作到最高轉(zhuǎn)速來獲得電機允許的最高極對數(shù)
優(yōu)先級推薦：滿足電機可控性-滿足電機可制造性-取盡可能多的磁極。
b)指數(shù)Z(一般情況下，必須先決定p再決定Z)
(概念：每組每相槽數(shù)Q=Z/(3*2*P),Q為整數(shù)時被稱作整數(shù)槽繞組，否則稱之為分?jǐn)?shù)槽繞組)
車用大功率電機若是選擇了集中繞組，那么電機的Q=0.5,那么槽數(shù)Z=3*P，也有少數(shù)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(jù)經(jīng)驗Q>3后，對譜波的改善效果可以忽略。
由于驅(qū)動電機的功率較大，電機單相串聯(lián)匝數(shù)較少，那么很多時候需要選擇合適的槽數(shù)Z，來保證電機匝數(shù)的合理
電機常用的Q值推薦為：Q=0.5Q=1.5Q=2Q=2.5Q=3(對于車用驅(qū)動電機Q取較大值時往往應(yīng)用扁銅線繞組工藝。
C)匝數(shù)N
匝數(shù)增加，電機的反電勢系數(shù)增加，相同電流下的扭矩增加
匝數(shù)增加，意味著導(dǎo)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(jié)構(gòu)可以更改氣隙磁密合極弧系數(shù)，為調(diào)整電機匝數(shù)創(chuàng)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(jù)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(yīng)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(nèi)徑取值
定義：定子外徑尺寸確定后，才能確定電樞內(nèi)徑尺寸，即關(guān)鍵是設(shè)計電機的內(nèi)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(zhuǎn)子磁通量增大，轉(zhuǎn)子磁勢增強，易于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(chuàng)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(zhuǎn)子氣隙選取
氣隙越小越有利于提高電動機的性能，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(yīng)轉(zhuǎn)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于相關(guān)的工藝水平和高速條件下轉(zhuǎn)子的形變情況。
3.磁密取值
a)出力和磁密的關(guān)系磁密取值
電磁力：F=BIL
電磁扭矩:Te=BINLfeR=BJV
電機的扭矩密度取決于電機空氣間隙內(nèi)的負載磁密和定子內(nèi)導(dǎo)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(zhì)材料的磁導(dǎo)率，目前技術(shù)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(zhuǎn)子磁密
峰值負載：
適當(dāng)調(diào)節(jié)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(zhuǎn)子多為飽和狀態(tài)，但應(yīng)通過磁路優(yōu)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于電機的反電勢。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(zhuǎn)速于反電勢成反比，對于控制同步電機來說，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(dǎo)致器件損壞
b)反電勢的取值
一般來說市場現(xiàn)有的薄膜電容可承受低于500v的反電勢對于300v左右的供電系統(tǒng)若定制器件，該值一般小于700v，現(xiàn)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于450v。
六、永磁同步電機的仿真手段
1.導(dǎo)致性能和實測數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)劃分不合理帶來的偏差
F.仿真數(shù)據(jù)處理不當(dāng)
2.仿真條件的注意事項:
A.材料屬性
B.鐵損表受實際工藝影響的變化值
C.網(wǎng)格劃分(很多軟件是自動進行劃分的)
D.力學(xué)求解器(MAXWELL力和虛功力的理解)
LD/LQ計算和判斷
一般規(guī)律：Ld隨電機弱磁升速和扭矩增加，數(shù)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加載，在同一定轉(zhuǎn)子沖片磁路下，交直軸的磁路是相關(guān)影響的。仿真求解和加載條件必須相同的。
七、永磁同步電機的設(shè)計輸出參數(shù)
在永磁同步電機的設(shè)計時，以下數(shù)據(jù)是一定要算的：
反電勢或空載磁鏈(隨溫度變化的很多數(shù)據(jù))
短路電流(穩(wěn)定值等于空載磁鏈/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(yīng)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(guān)系)
齒槽扭矩
0N.m最高轉(zhuǎn)速下需要的最小相電流個磁密分布(非常重要，電動車上高速要深度弱磁的，所以這個數(shù)據(jù)越小，就會越節(jié)能，電池安裝數(shù)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
（來源 電機技術(shù)及應(yīng)用）
