新能源電車永磁同步電機轉子結構分析?。?000字）

永磁同步電動機（permanentmag?net synchronous motor，簡稱PMSM），圖1 的永磁同步電機主要由轉子、端蓋及定子等各部件組成。永磁同步電機切面如圖2所示。

永磁同步電機由定子鐵芯和定子繞組，用于產生同步旋轉磁場。

定子的作用是在電機工作過程中產生磁場。向三相定子繞組通入對稱三相交流電后，就產生了一個以同步轉速沿定子和轉子內圓空間旋轉的旋轉磁場。

永磁同步電機轉子如圖所示，主要有永久磁體、轉子鐵芯和轉軸構成。

第一種形式：安裝一個永磁體磁極的轉子，永磁體磁極安裝在轉子鐵芯圓周表面上，稱為表面凸出式永磁轉子。磁極的極性與磁通走向如圖所示：   

第二種形式：永磁體磁極嵌裝在轉子鐵芯表面，稱為表面嵌入式永磁轉子。磁極的極性與磁通走向如圖所示：

表面嵌入式

第三種形式：在較大的電機用得較多是在轉子內部嵌入永磁體，稱為內埋式永磁轉子（或稱為內置式永磁轉子或內嵌式永磁轉子），永磁體嵌裝在轉子鐵芯內部，鐵芯內開有安裝永磁體的槽，永磁體的布置主要方式如圖所示，在每一種形式中又有采用多層永磁體進行組合的方式。   

內嵌式

永磁電機采用燒結鐵硼永磁材料，其抗壓強度較大而抗拉強度很小(一般<80MPa)，轉子永磁體在高速旋轉時承受巨大的離心力，因此需采用有效的固定方式來滿足轉子的結構強度及動力學要求。

目前根據永磁體的固定方式，高速永磁同步電機轉子分成內嵌式和表貼式以及表面嵌入式三種，而表貼式永磁轉子又根據護套的材質主要分為非導磁合金鋼護套轉子和碳纖維復合材料護套轉子兩種。   

在高速旋轉工況下，內嵌式永磁電機受轉子沖片強度和轉子動力學要求限制，通常允許的最大線速度較低，合金鋼表貼式永磁電機轉子由于護套渦流損耗大溫升高、熱態下護套過盈量減小等原因應用受到限制。

目前，最常用的保護措施一種是采用碳纖維綁扎永磁體，另外一種是在永磁體外面加一高強度非導磁合金保護套。

有學者對一臺60000r/min的高速永磁電機設計了合金保護套，并對靜止和旋轉等不同工況下的轉子機械強度進行了理論分析和二維有限元計算，理論分析和有限元分析結果相吻合。另外一些學者用有限元法對高速永磁電機轉子應力進行了分析，對一臺額定轉速60000r/min的高速永磁電機，分析了過盈量求解以及護套和永磁體的應力的解析法，并用Ansys Workbench分析了護套和永磁體的應力，理論計算值與有限元仿真結果接近。

還有一些研究人員推導出了兩層過盈配合、三層過盈配合轉子的應力場、應變場、位移場的解析公式，并利用有限元方法驗證了解析公式的正確性，同時以一臺額定轉速120000r/min，10kW的高速永磁同步電機為例，給出了兩種常用過盈配合高速電機轉子的強度設計方法。   

但以上研究都只是針對合金保護套，沒有涉及碳纖維復合材料保護套。其中一些學者用3D實體單元分析計算了飛輪儲能復合材料轉子工作時的應力分布。研究人員對飛輪儲能非均質各向異性復合轉子，建立了計算模型，得到了復合材料飛輪在工作轉速下的應力和位移的解析公式，并分析了不同材料對應力、位移分布的影響。對飛輪儲能三層復合材料轉子推導了應力和位移的解析公式，并對復合飛輪進行了優化設計。另外，用解析法和3D有限元法計算了碳纖維和玻璃絲纖維兩層復合飛輪的應力與位移分布。

眾所周知，新能源電車電機多數還是采用內置式的永磁同步電機。內置式電機按繞組形式分為分布式和集中式，新能源汽車用的就是分布式繞組電機，為什么沒用集中式呢？

按理說集中式可以產生更大的扭矩，但同時也會產生更多的諧波這就導致電機會有更大的損耗和NVH問題，而分布式可通過極槽配合對產生的電磁力波階次、頻率及大小來優化NVH問題，所以分布式更適合新能源電車。

采用分布式繞組的電動機定子還沒有凸性的極掌，且每個磁極都是由一個或幾個線圈按照一定的規律嵌裝布線組成線圈組，這樣延伸出了轉子結構的多樣化。

其實永磁電機的轉子就是由多層硅鋼片連接而成，轉子的內部是由多個槽來組成的，外端我們稱之為V槽，是用來固定永磁體的。永磁體最怕的是高溫，所以中間的槽一般是用來防止退磁散熱和降低渦流，另一個功能就是減少啟動電流和保證轉子的輕量化。

新能源汽車的電機在運轉過程中，需要考慮到電機的使用壽命、噪音、振動等因素，轉子結構的變化對電機性能有哪些影響呢？

應用在新能源汽車電機的轉子，其結構主要是要保證安裝永磁體后轉子不易變形，尤其是高速工況下。另外，轉子的結構形式需要足夠的空間為永磁體提供更大的放置空間，且其結構尺寸要易于優化等這些性能。從某種意義上來說，沒有絕對完美的轉子機構，各車企也只是根據自身產品性能來做優化。

首先是結構分段和錯極，轉子不斜極時，幾乎不產生軸向電磁力，隨著轉子線性移位斜極分段數的增加，軸向電磁力增大，線性移位斜極分段數增加后，總的移位角增大，漏磁增多，簡單說就是分段數越多，諧波抑制效果越好，轉矩脈動越低。

錯極這種反對稱分布式結構，對軸向電磁力有抑制效果。錯極可分為普通錯極、V型錯極、交叉錯極等，主要還是削弱諧波，優化齒槽轉矩和轉矩脈動，這能有效降低徑向電磁力造成的振動噪聲。

■V型和Z型

比亞迪的傳統轉子疊片采用的是扣點+焊接設計進行固定連接的，轉子鐵心疊片為6段（中間粗的其實是2級），其結構為雙V結構，雙V結構就代表其永磁材料會用的更多，比亞迪甚至還在轉子薄片的制作材料中加入了少量硅，這種新型的低鐵損系數的電工鋼，可以改變轉子的導電能力，從而控制熱量。

特斯拉model S Plaid的電機轉速能夠達到20000rpm，那其轉子結構有什么特殊性呢？從公開的專利可以看到，轉子一共有6組永磁體，硅鋼疊片有529層，這也側面反映了其轉子硅鋼片有多薄，另外還取消了隔磁橋直接用碟片做了一個擋板，當然是要配合碳纖維套筒來固定。隔磁橋其實是保證電機高速旋轉時不解體的一種保護框架，但因為需要引導磁場穿出，這個地方是不能做的太厚，隔磁橋過薄高轉速下會導致損壞，過厚會導致產生局部閉合磁場，所以這是一個相對「矛盾」的設計。   

特斯拉采用的是在轉子外部纏繞一層碳纖維套筒，加上本身其擋板結構本身就是有定位銷固定的，所以在結構穩定性上是沒問題的。另外，隔磁橋取消還可進一步提高磁通量，允許磁通量從轉子進入定子，達到永磁通量損失最小，磁鋼沒有完全封閉的其他磁體結構也可以減少永磁通量的損失，進而使電機達到更高的峰值扭矩。   

雖然碳纖維的導電率低，幾乎不會產生額外的渦流損耗，但與其他金屬材料相比，也難以屏蔽氣隙內的諧波，這對降低轉子渦流損耗的效果不明顯，在散熱方面也是有利有弊。當然，這也不是其主流電機。23年10月中旬，特斯拉備案的兩款電機，帶來的改變主要是性能上和價格上的變化，沒有采用碳纖維包裹的方式，也回歸了8層扁線繞組，估計也是降成本的考量，這兩款電機是4D1和4D3電機，其實在北美市場之前就已經開始使用了，4D3的功率和現在國內特斯拉Model Y用的3D6電機的功率相同都是220kW，所以大概率它的零百加速成績來到了5.9秒左右。