新能源汽车永磁同步驱动电机性能提升分析

第53卷第3期

53卷第No．Vol．第53期33

农业装备与车辆工程

AGRICULTURALEQUIPMENT&VEHICLEENGINEERING

2015年3月

March2015

doi：10．3969／j．issn．1673－3142．2015．03．007

新能源汽车永磁同步驱动电机性能提升分析

孟祥坤，张学义，徐进彬，赵玉真，张攀

（255049山东省淄博市山东理工大学)

［摘要］通过分析永磁材料磁特性、转子结构形式、电枢绕组方式和控制策略对永磁同步驱动电机性能的影响，选用具有高剩磁感应强度、高内禀矫顽力和高最大磁能积的钕铁硼稀土永磁材料，采用稳态性能好、功率密度高的内嵌永磁钢转子，槽满率高、铜材消耗少、齿槽转矩小的分数槽集中绕组以及直接转矩弱磁扩速控制策略，给出了提升新能源汽车永磁同步驱动电机性能的最优设计方法。［关键词］新能源汽车；永磁同步驱动电机；控制策略；性能提升［中图分类号］U463.23

［文献标志码］A

［文章编号］1673-3142(2015)03-0025-04

AnalysisofPerformanceImprovementofNewEnergyVehicle

PermanentMagnetSynchronousMotor

MengXiangkun，ZhangXueyi，XuJinbin，ZhaoYuzhen，ZhangPan

（ShandongUniversityofTechnology，ZiboCity，ShandongProvince255049，China）

［Abstract］Throughanalyzingtheinfluenceofpermanentmagnetmaterialsproperties，rotorstructurestyle，armaturewinding

structureandcontrolstrategyontheperformanceofpermanentmagnetsynchronousmotor，choosingNdFeBrare－earthpermanentmagneticmaterialwithhighremanenceinductionintensity，highintrinsiccoerciveforceandhighmaximummagneticenergyproduct，adoptingthebuilt－inpermanentmagneticsteelrotorthatcanprovidegoodsteady－stateperformanceandhighpowerdensity，andthefractionalslotconcentratedwindingformwithhighfullrateofslot，littlelossofcoppermaterialandsmallcoggingtorque，andtogetherwiththedirecttorqueweakmagneticexpansionspeedcontrolstrategy，theoptimaldesignmethodofimprovingtheperformanceofnewenergyvehiclepermanentmagnetsynchronousmotorisprovided．

［Keywords］newenergyvehicle；permanentmagnetsynchronousmotor；controlstrategy；performanceimprovement

0引言

目前世界范围内能源严重缺乏，生态环境急

1永磁材料对永磁同步驱动电机性能的影响

近年来，永磁材料发展迅速、种类繁多，目前最常用的主要种类有：铁氧体永磁材料、铝镍钴永磁材料和钕铁硼稀土永磁材料等。永磁材料的发展历程如图1所示。

48040032024016080

剧恶化，环境保护问题日益突出，发展低碳经济迫在眉睫，新能源汽车成为全球节能与环保领域里最受推崇的新兴产业，汽车电气化技术提高更受人们关注。而作为混合动力汽车和纯电动汽车“发动机”的驱动电机，成为直接关系新能源汽车性能

最大磁能积/／（kJ／m3）

与节能减排的核心部件。永磁同步驱动电机具有高功率密度、高效率、脉动转矩小和较宽的弱磁调速范围，是节能、环保新能源汽车驱动电机的最佳选择[1]。为了更好发挥永磁同步驱动电机的价值，本文在继续突破永磁材料研究瓶颈的基础上，优化电机结构设计，提升永磁同步驱动电机性能，推进新能源汽车更好地发展。

全致密块体纳米晶磁体

Sm2Co17

BaSr-铁氧体Co-铁氧体KS钢

铝镍钴

Nd2Fe14B

（SmPr）Co5纳米复合REM甩带粉末

烧结Sm2Fe17N3

SmCo5FeCrCo

MKMKS

PtCo

1940

1960

1980

2000

MnAl

2020

01900

1920

年份

图1永磁材料的发展历程

收稿日期：2014－12－01

修回日期：2015－01－14

Fig．1Developmenthistoryofpermanentmagneticmaterial

26

农业装备与车辆工程2015年

铁氧体永磁材料的突出优点是不含稀土元素和钴、镍等贵重金属，价格低廉，制造工艺简单，矫顽力大，抗去磁能力强，密度小，质量轻。但铁氧体永磁材料硬而脆，不能进行电加工，生产出来的电机功率小、效率低。铝镍钴永磁材料的特点是温度系数低、剩磁感应强度高、矫顽力低，易充磁和去磁，但含有钴这种贵重金属，所以价格很高。钕铁硼稀土永磁材料以其优异的磁性能成为永磁材料的主力军，其磁性能远超过铁氧体和铝镍钴等其他磁性材料。新一代钕铁硼永磁材料发展至今，其室温下剩余磁感应强度Br已达到1.47T，内禀矫顽力Hci最高可超过1000kA/m，最大磁能积(BH)max高达398kJ/m3[2]，为铁氧体永磁材料的5~12倍、铝镍钴永磁材料的3~10倍。钕铁硼永磁材料的不足之处是居里温度较低，在高温下使用时磁损失较大，热稳定性、耐腐蚀性和抗氧化性差，因此要根据磁体的使用环境来对其表面进行涂层处理，以满足车用环境要求。

钕铁硼稀土永磁材料的磁性能和机械性能都明显高于铁氧体和铝镍钴永磁材料，加工性能好，我国稀土产量占世界总量的80%以上，具有得天独厚的稀土资源，因此钕铁硼稀土永磁材料更加适用于新能源汽车永磁同步驱动电机。

同步驱动电机的过载能力和功率密度，而且易于“弱磁”扩速。

选用合适的转子结构对永磁同步驱动电机性能有着极其重要的影响。日本丰田公司生产的混合动力汽车Prius（2003、2004、2010）、2007Camry和2008LS600h，本田公司生产的2005Accord，其主驱动电机都采用了永磁同步驱动电机，但转子结构不尽相同。其中，2005Accord为表面嵌入式结构，Prius、2007Camry和2008LS600h为内置式结构，2003Prius的转子结构为“一”字型，2004

Prius、2010Prius和2007Camry为“V”字型，2008LS600h为“三角”型结构，如图2所示，主要

参数如表1。

（a）（b）

2转子结构对永磁同步驱动电机性能的影响

永磁同步驱动电机以转子上永磁钢的安装方

（c）

（d）

式可分为表面式和内置式两种转子结构，表面式转子结构又可分为表贴式和嵌入式两种，内置式按永磁钢励磁方向可分为径向式转子结构、切向式转子结构和集径向与切向为一体的混合磁路的永磁转子结构。

表贴式转子结构，其d轴和q轴电感相等，转子不具有凸极效应，因此不产生磁阻转矩，由于永磁钢直接暴露在气隙磁场中，导致永磁钢易退磁，其弱磁能力受到限制。嵌入式转子结构，q轴电感大于d轴电感，转子具有凸极效应，因此有磁阻转矩产生，利用磁阻转矩可有效提高电机的功率密度。嵌入式结构动态性能较表贴式有所改善，但漏磁系数和制造成本均大于表贴式。内置式转子结构的永磁钢位于转子内部，永磁钢外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，用以保护内置式转子铁芯内的永磁钢，因其转子磁路结构具有不对称性而产生磁阻转矩，有助于提高永磁

（e）

图2转子结构图

（f）

Fig.2Graphofrotorstructure

（a）2003Prius（d）2005Accord

（b）2004Prius（e）2007Camry

（c）2010Prius（f）2008LS600h

由表1可以看出，内置式转子结构的2004

Prius、2007Camry、2010Prius和2008LS600h驱动电机比表面式转子结构的2005Accord驱动电机

的最大功率、最大转速和功率密度都有明显的提高，并且不同的永磁体内置结构对驱动电机的参数也有着较大影响。

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