永磁同步電機設計報告

對標業內某款優秀永磁同步電機的性能參數及外形尺寸，進行電機模擬仿真設計，期待通過學習先進產品提高自身業務能力。

電機參數如下表所示，根據此技術要求設計永磁同步電機，電機臺架測試電動和饋電最高效率均為93%，峰值轉矩為165N.m，最高轉速14000rpm，給出電機定子鐵芯外徑為p160mm，軸向尺寸150mm，徑向留出p160~p186mm的余量為設計機殼與冷卻系統。

設計要求中，規定轉矩脈動≤5%，最高效率293%，采用H級絕緣（絕緣系統溫度限值為180℃）。

2.1 48槽8極V型轉子

槽極配合對振動噪聲影響很大，目前國內主流電機均為48槽8極，72槽12極，極數越高，電機鐵損越大。

2.2 轉子斜極

斜極為常用的改善電機轉矩脈動技術手段，考慮定子斜槽工藝不便問題，采取轉子分段斜極方式控制轉矩脈動。

2.3 單層布線

用單層繞組可以減少層間絕緣，提高槽滿率，相比雙層繞組，下線工藝簡單。

2.4 螺旋水冷

螺旋式水路平滑，水流阻力損失小，不會出現因進出水口兩側溫差梯度造成三相繞組溫度不一致現象。

2.5 低阻值

電機損耗銅耗占比高，高損耗使得電機效率降低，溫升過高，采用小電阻值可以提高電機效率與降低溫升。

本設計利用Ansoft軟件仿真完成，同時利用Motorcad對仿真結果進行電磁校驗，利用workbench校驗電機轉子在低速大轉矩與高速離心力下的受力情況，利用Matlab對電機電磁激振力進行分解，同時對冷卻溫升、EUDC循環工況下仿真，在滿足技術要求前提下，給出電機電磁參數。

4.1 定轉子沖片

材料選用M330-35A-60C型硅鋼片，厚度0.35mm。B-H曲線的膝點在1.7T左右，后續電機設計時，可根據曲線來確定額定點定子齒部、軛部磁密量值。

所選硅鋼片的B-H曲線如右圖所示，其中磁滯損耗、渦流損耗為電機鐵耗的主要組成部分。

高速電機供電頻率在幾百赫茲，隨著頻率的提高，鐵心損耗會迅速增加，鐵心損耗占高速電機總損耗的比重增大，所以不能采用50Hz供電的普通電機的磁性材料，而應選用高導磁，低損耗的薄片磁性材料。

4.2 磁鋼

材料選用N30UH型永磁材料釹鐵硼，最高工作溫度為180度。剩磁為1.08T（10. 8KGs），矯頑力804KA/m。

▲磁鋼退磁曲線

▲磁鋼實物圖

4.3 繞組

繞組采用散線式，因電機會在寬頻率內調速，需使用變頻漆包線防止高頻下出現電暈情況。

▲定子實物圖

5.1 結構數據

表中所列結構數據滿足技術要求中的性能指標。為方便滿足繞組下線，控制槽滿率不超過75%。

為減少漏磁與降低轉矩脈動，需要對定子槽型、繞組、轉子等相關數據進行參數化分析，優化電機方案。

永磁體采用平型充磁，轉子磁鋼分5段斜一個槽7.5deg（360/48）。斜極可以大幅降低轉矩脈動，目前，幾乎所有永磁驅動電機均采取斜極/斜槽路線。

▲斜極模型

單元電機模型，永磁體的充磁方向沿著厚度方向。定子磁場透過氣隙與轉子永磁體作用，產生力矩。為提高轉子動態響應能力與方便散熱，轉子側開有圓孔。

▲FEA模型

5.2 繞組數據

繞組跨距為5的單層同心或鏈式分布繞組，單層繞組下線方便，槽滿率高，線圈在定子側成均勻分布，每槽中的線圈線徑、匝數完全一樣。

▲繞組布線

繞組跨距為5，并聯支路數2，繞組成120度電角度差分布，額定點頻率f=353.3Hz，繞組繞制成與轉子匹配數量的極對數，三套繞組完全對稱，繞組接法為Y接。

▲繞組電路

5.3 磁密

在磁能較低處開通風、減重孔，在每對磁極中心處的磁能較低，開通風孔較合適。開孔還可以提高轉子動態響應能力。

▲磁能分布（額定點）

PM電機的氣隙、定子齒部、定子軛部磁密關系電機性能，額定點齒部、軛部、氣隙磁密仿真值分別為1.9T、1.7T、0.75T。

▲磁密分布

6.1 轉矩

斜極與不斜極齒槽轉矩脈動分別0.01N.m與3.06N.m，齒槽轉矩限制小于0.1%，削弱齒槽轉矩有利于電機平穩運行。

▲齒槽轉矩

斜極與不斜極紋波轉矩脈動分別6.92N.m與0.83N.m，斜極可以有效降低轉矩脈動，斜極后轉矩脈動為1.07%<5%的設計目標。

▲紋波轉矩

6.2 反電動勢與磁鏈

反電動勢作為電機參數的重要指標，直接影響電機的弱磁點。電機在額定轉速下的反電動勢RMS值為150V。

▲相反電動勢

磁鏈同樣為電機的重要參數，通過磁鏈，可以得到三相電感，進一步地得到交直軸電感。

▲三相磁鏈

6.3 效率與峰值能力

電機的峰值能力如下圖所示，在14000rpm轉速下可以輸出50N.m轉矩，最大轉矩190N.m。

▲峰值能力

在峰值電流為380A下，電機效率MAP圖分布情況，最高效率93%。并且效率>80%占比較高。

▲效率Map圖

6.4 效率對比校核

在峰值電流為380A下，電機效率MAP圖分布情況對比（利用Ansoft與Motorcad仿真結果），從兩個仿真軟件對比觀察，電機峰值能力基本吻合，最大輸出轉矩都在190N.m左右，且峰值持續轉矩拐點均在4000rpm附近。

▲Ansoft仿真結果

▲vMotorcad仿真結果

6.5 損耗分析

電機在不同工況點運行的損耗不同，主要包括銅耗、鐵耗、渦流、以及機械損耗，下圖為鐵耗與總損耗Map圖，銅耗可根據電流與電阻自行計算。

▲額定點損耗

▲鐵耗Map

▲總損耗Map

6.6 功率、轉矩脈動

電機在全頻（0~14000rpm)范圍內運行時，可輸出最大功率為85kw@4000rpm，在特性曲線拐點附近輸出最大值，同時，全頻范圍內的轉矩脈動也是考察重點，在采用轉子斜極下，可有效降低電機轉矩脈動情況，在最大轉矩180N.m時，轉矩脈動約為3.5N.m，占比2%。

▲功率

▲轉矩脈動Map

6.7 交直軸電流

在采用MTPA控制算法下，電機的交直軸電流Id，Iq，角度Y量值分布情況，不同轉矩、轉速下，控制器輸出對應的電流及角度值。由于磁路飽和的影響，在高轉矩、大電流時，磁路出現飽和，電感值會隨著這電流的變化而變化。

▲直軸Id

▲交軸1q

▲控制角度Y

6.8 交直軸電感

控制器參數中，需要電機不同轉速與轉矩下的交直軸電感值，RPM電機內置轉子交軸與直軸磁路不對稱，交軸電感大于直軸電感，可提供磁阻轉矩，電感值如下圖所示。

▲直軸電感Ld

▲交軸電感Lq

6.9 永磁體退磁校核

稀土永磁體作為IPM電機最薄弱的部件，在高溫與短路/弱磁下很容易退磁，本方案選用N30UH牌號磁鋼，利用仿真手段校核在短路電流I=600A，溫度150度極端環境下永磁體的退磁情況。

仿真在0~600A的直軸電流下，沿充磁方向的氣隙磁密從0.9T變化到0.74T，遠高于150度下的退磁拐點（0.25T），有足夠的裕量防止電機退磁。

▲N30UH退磁曲線（實測）

▲不同弱磁電流下仿真B值

▲磁密隨電流變化曲線

6.10 冷卻結構參數

冷卻結構采用與xx公司電機類似的螺旋水冷結構，水冷結構參數如下（mm）：

▲XX電機水冷結構示意圖

6.11 冷卻效果分析

基于損耗法計算電機冷卻需要給出特定工況點下的電機損耗，本方案電機電阻值為1 3.8mΩ XX公司電機電阻值為10mΩ利用路算法可以得出電機各個部分損耗分布情況。

▲XX電機冷卻結構

▲本方案冷卻結構

6.12 溫升計算

在流量為10L/min下，額定點溫升數據如下表所示，繞組溫度最大值為115℃，磁鋼溫度為127℃，繞組與磁鋼溫度限時分別為150℃和180℃。

▲額定點溫度

▲軸向溫度分布

▲徑向溫度分布

6.13 冷卻方案推薦

不同水流量下水冷溫升變化曲線。電機為H級絕緣，若降級為F級考核繞組溫度應小于150℃。因水冷在冰點以下無法工作，在非寒冷地區使用此方案。

▲電磁力時間、空間分布

階數越低對振動噪音影響越大，利用Matlab對電磁力進行二維傅里葉分解得到力波階數、頻率、幅值關系。電磁力波無評估值，為電機本身固有屬性。

▲FFT電磁力分解

6.14 整車效率

在EUDC循環（市郊路況）工況下，根據整車數據及傳動比（3.045），可以得到轉矩隨時間變化曲線。

市郊行駛工況（EUDC），代表市郊車輛運行過程，測試時間為400S，行駛里程6·955km，平均車速62.6km/h，該部分最高速度為120km/h。

▲M01整車信息

▲EUDC循環工況T-S圖譜

在EUDC工況下，轉矩映射到電機效率Map圖上的關系如圖一所示，完成一個循環工況的效率及能量回收信息如圖二所示，可見，在EUDC個循環工況下平均效率為88.52%，忽略效率為。的點平均效率為86.8%，消耗電量0.689kwh。

▲循環工況點映射分布圖

▲循環工況綜合效率

6.15 轉子動力分析

電機轉子在高速和電磁拉力下容易發生變形，利用有限元分析軟件分別4000rpm@180N.m、14000rpm@50N.m工況點分析結果如下，轉子邊緣變形最大，最大變形分別為0.001466mm和0.00010721mm。

▲低速形變

▲高速形變

6.16 轉子模態

轉子模態和電機振動關系密切，應避免電機電磁力波頻率與模態頻率重合，避免發生共振，下圖為六階及以下轉子模態仿真結果。模態為轉子一種固有屬性。

▲電機轉子示意圖

▲轉子模態示意圖

6.17 三維模型

根據電磁設計方案，得到定轉子三維模型如圖所示。采用圓銅線端部較長，在汽車驅動電機要求高能量密度下，存在一定的不足，目前，部分企業已經研發扁銅線電機。可以克服上述缺點。但扁銅線電機在高速時效率不如圓銅線，且難批量化。

▲定子

▲定轉子

▲電機

● 采取適中電密值，有效利用槽滿率的同時，控制溫升不宜過大；

● 采取磁密非飽和工作點，提高輸出能力；

● 采用更高的絕緣系統、高牌號硅鋼片，提升電機系統電氣防護能力；

● 通過不同軟件相互驗證檢核，進一步提高設計的準確性與可靠性；

● 模擬整車路況，衡量電機綜合輸出性能與能量回收性能。