新能源汽车电驱后桥永磁同步电机优化设计

赵夕长，林 东

新能源汽车电驱后桥永磁同步电机优化设计

赵夕长1，林 东2

（1.奇瑞汽车股份有限公司，安徽 芜湖 241009；2.安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南 232001）

驱动电机是新能源汽车动力总成关键部件之一，其性能指标直接影响汽车动力输出品质。参考某款新能源汽车整车性能指标，选用永磁同步电机作为电动后桥驱动电机，通过计算获得电机的功率、转速及转矩等关键参数，基于电机的性能参数对电机结构参数进行选定，基于MotorCad软件利用参数化方法以降低齿槽转矩峰值作为优化目标，对电机永磁体厚度、宽度以及气隙长度进行优化设计，并得到电机的效率MAP图和外特性图，结果表明齿槽转矩相比于优化前有较为显著的降低，选取中国乘用车行驶工况（CLTC-P）进行仿真分析，验证了永磁同步电机优化设计的合理性。

电动后桥；永磁同步电机；结构设计；参数优化

为了缓解传统燃油汽车对环境的污染，发展新能源汽车成为了最好的解决方案[1]。驱动电机作为新能源汽车重要部件，它直接影响新能源汽车的行驶性能。而永磁同步电机相比于其他类型的驱动电机具有较为明显的优势：功率效率高、转速密度高和调速范围较宽[2-3]，因此，开发和推广永磁同步电机势在必行[4]。

永磁同步电机优化设计是新能源汽车的关键技术之一，基于电机相关优化设计已成为热点问题，温嘉斌等[5]基于田口法，建立正交矩阵，优化了齿槽转矩。高锋阳等[6]通过对转子开辅助槽方法，降低了齿槽转矩和转矩脉动。司纪凯等[7]利用田口法对电机多目标进行优化设计，齿槽转矩和电磁转矩波动得到明显降低。左曙光等[8]通过改变径向变极弧系数，有效地降低了电机的电磁转矩波动。刘露等[9]提出了一种加装凸形极靴的磁极新型结构，使得齿槽转矩和损耗得到大幅下降。李晓峰等[10]提出了一种利用参数分层与响应法结合方法，降低了齿槽转矩和转矩脉动。但上述方法不足之处在于没有考虑将电机匹配在整车上展开进一步的验证。

参考某款新能源汽车整车参数，对永磁同步电机功率、转速及转矩等关键性能参数进行计算匹配，并进行结构参数选定，利用MotorCad有限元软件对初步方案进行仿真验证，采用参数化方法以降低齿槽转矩峰值作为优化目标，对电机永磁体厚度、宽度以及气隙长度进行优化设计，并选取中国乘用车行驶工况（China Light-duty vehicle Test Cycle-Passenger, CLTC-P）进行仿真分析。

1 电机参数确定

永磁同步电机性能参数主要包括额定功率、峰值功率、额定转速和峰值转速[11]。其值一般是根据汽车动力性参数确定，新能源汽车驱动电机参数主要是通过汽车最高速度、最大爬坡度和加速性能来确定。表1是某款新能源汽车的整车参数和性能指标。

为保证该车型在各种工况下的后备功率，选用驱动电机峰值功率为102 kW，额定功率为45 kW，同时根据最高车速和加速时间以及参考市场上其他相似车型，驱动电机最高转速定为12 000 r/min，驱动电机参数如表2所示。

表1 整车参数与性能指标

参数数值 满载质量/kg1 656 迎风面积/m22.432 旋转质量换算系数1.1 空气阻力系数0.345 滚动阻力系数0.014 轮胎滚动半径/m0.30 传动效率0.95 最高车速/(km/h)150 100 km/h加速时间10 爬坡性能30%（20 km/h）

表2 电机参数

参数数值 额定功率/kW45 峰值功率/kW102 额定转速/(r/min)5 000 最高转速/(r/min)12 000 额定转矩/(Nm)85 峰值转矩/(Nm)220

2 电机结构参数选定

通过磁路法初步计算出电机定子、转子尺寸等结构参数，然后利用MotorCad仿真软件对于初始设计方案进行分析。

2.1 电机基本结构尺寸

永磁同步电机尺寸的设计，主要通过永磁同步电机的额定功率、电磁负荷来确定定子内径和铁芯轴向有效长度，其关系式为

式中，为电机定子内径；为铁芯轴向有效长度；0为额定转速；为电机额定功率；P为计算极弧系数；Nm为气隙磁场波形系数；dp为绕组系数；为线负荷；δ为电机气隙磁密。

虽然电机的功率与电负荷、磁负荷等相关，但电机的尺寸参数也受到整车布置空间影响，所以在实际确定电机尺寸时，要将理论与实际安装空间相结合，进行综和考虑，因此，定子外径为1=185 mm；定子内径为=125 mm。

永磁同步电机采用内置式“V”型，极对数选用4，定子槽数为48槽。槽型采用平行齿型，如图1所示。其中=2 mm；1=3 mm；2=4 mm；1=21 mm；=27°。

图1 定子槽型

接下来确定永磁体的尺寸，其尺寸主要包括轴向长度M、厚度M、宽度M，其中轴向长度M与电机的铁芯长度相等或稍短，无需考虑。因此，只需考虑永磁体的厚度与宽度，适用于内置式V型转子磁路的永磁体尺寸的估算公式为

式中，S为饱和系数，其值范围为1.05～1.3；α为与转子结构有关的安全系数，其值范围为0.7～1.2；m0为永磁体空载工作点；为气隙大小长度；0为空载时漏磁系数，其值范围为1～1.5；δ1为气隙磁密基波幅值；1为极距；ef为铁芯轴向有效长度；r为永磁体剩磁密度；φ为气隙磁通的波形系数。永磁同步电机的主要尺寸参数如表3所示。

表3 电机尺寸参数

参数数值 定子外径/mm185 定子内径/mm125 气隙长度/mm0.8 永磁体宽度/mm16.5 永磁体厚度/mm5.5 永磁体材料N38UH 槽数48 极对数4

2.2 有限元仿真分析

表4是利用MotorCad对电机有限元分析的各项性能指标，可以看出各项性能指标是符合设计电机的要求，但其齿槽转矩值有点过大。

表4 电机性能指标

参数数值 平均转矩/(Nm)88.15 齿槽转矩/(Nm)6.53 输出功率/W45403 电机效率/%96.76 功率因数0.94

3 电机结构尺寸优化

为了进一步削弱电机齿槽转矩，同时保证电机的效率处于较高的水平，将采用参数优化方法对电机永磁体宽度、厚度及气隙长度进行优化设计。

3.1 电机永磁体尺寸优化

永磁体的作用是给电机转子提供恒定的磁场，其大小直接影响电机的性能，因此合理的优化永磁体尺寸至关重要。经过综合考虑后，选取永磁体宽度范围为10～18 mm，厚度范围为3.5～6 mm，进行参数化分析。

永磁体宽度与电机性能指标关系如图2所示，可以看出随着永磁体宽度的增加，齿槽转矩也在不断增加，电机输出功率也随着永磁体宽度增加而增加。永磁体宽度在10～15 mm之间时，电机的效率随永磁体宽度增大而增大，但当永磁体宽度大于15 mm时，电机的效率保持不变，甚至开始降低。永磁体宽度的选取首先要满足其齿槽转矩较小同时也要使得效率处于较高水平，利用参数法对永磁体宽度进行不断调整，最终永磁体宽度选取15.8 mm。与选取永磁体宽度类似，永磁体厚度与各项指标关系与宽度相似，永磁体厚度选取5 mm。

图2 永磁体宽度与电机性能指标关系

3.2 气隙长度优化

永磁同步电机的气隙与电机性能密切相关，气隙长度的选择，既要考虑制作的工艺性，也要考虑电机的弱磁扩速能力，气隙过小，对于电机的制造工艺要求更高，气隙过大，会使得电机的漏磁越大，效率变低。

设定气隙长度范围为0.5～1.5 mm，气隙长度与电机性能指标关系如图3所示，可以看出随着气隙长度的增加，齿槽转矩、电机的输出功率也在不断下降，电机效率随着气隙长度的增加，也在不断的增加，但变化的范围并不大，同样的利用参数法不断调整，同时也要保证其额定功率超过45 kW。最后此气隙长度选取0.6 mm。

图3 气隙长度与电机性能指标关系图

3.3 性能验证

根据参数优化所选取的永磁体厚度、宽度以及气隙长度，重新建立电机模型，进行计算分析，优化后的齿槽转矩与优化前的对比如图4所示。表5为优化后电机的各项性能指标。由图4和表5可以看出经过优化后永磁同步电机的齿槽转矩由原来的6.53 Nm变成了现在的5.71 Nm，降低了13.02%，其余的指标比原来的略有下降，但电机的效率和功率因数仍处于较高的水平，平均转矩以及输出功率也都符合电机设计的指标。

图4 气隙长度与电机性能指标关系

表5 优化后电机性能指标

参数数值 平均转矩/(Nm)87.55 齿槽转矩/(Nm)5.71 输出功率/W45 001 电机效率/%96.74 功率因数0.94

将Motor-CAD-Emag模块建立的电机模型导入Motor-CAD-Lab模块获得电机的效率MAP图。如图5所示，可以看出额定转速为5 000 r/min，最高转速能达到12 000 r/min，符合电机设计指标。且电机调速范围较宽，效率在90%以上占比为81.79%，同时电机的最高效率达到了96.88%，在较大转速范围内保持96%效率。

图5 电机效率MAP

4 典型循环工况分析

为了进一步验证所优化设计的电机，选取CLTC-P工况，对匹配永磁同步电机的新能源汽车进行循环工况仿真验证。

CLTC-P工况测试时间为1 800 s，其中怠速时间长、速度波动大，运行工况更加符合中国交通实际情况。

图6为电机在此工况下运行时各项性能指标。可以看出，此工况下电机所需转矩变化较为剧烈，从图6(a)可以看出，所需最大转矩为145 Nm，小于所设计电机的最大输出转矩。从图6(b)可以看出，在此工况下电机的最大效率为96.61%，整个过程的平均效率为94.20%。由此可以看出，所设计的电机在此工况下有着较好的性能。

5 结论

参考某款新能源汽车整车参数，设计的电机通过MotorCad有限元仿真分析，其性能参数基本符合设计要求。采用参数化方法对设计的电机进行优化，在满足基本性能的前提下，齿槽转矩相比于优化前下降了13.02%；通过电机效率MAP图，可以看出设计的电机调速范围较宽，且在较大转速范围内保持96%的效率，可以提高该车型的续航能力。在CLTC-P工况下进行电机性能的检验，仿真结果表明本文所优化设计的电机能满足选定车型的行驶性能。

[1] 王君银,何锋,杨冬根,等.纯电动商务车动力系统匹配与性能仿真[J].机械设计与制造,2017(8):235-238.

[2] 李琦,孙承旭,范涛,等.车用双层内嵌式永磁电机转子磁极优化设计研究[J].电机与控制学报,2020,24 (9):56-64.

[3] 于慎波,薛镜武,夏鹏澎,等.利用谐波注入法改善永磁同步电机的运动特性[J].机械设计与制造,2021 (11):79-82.

[4] 马伟明,王东,程思为,等.高性能电机系统的共性基础科学问题与技术发展前沿[J].中国电机工程学报, 2016,36(8):2025-2035.

[5] 温嘉斌,于岚.田口方法在永磁同步电机结构优化中的应用[J].哈尔滨理工大学学报,2019,24(5):64-69.

[6] 高锋阳,高建宁,李明明,等.内置式Halbach永磁同步电机的参数敏感度分层优化设计[J].西安交通大学学报,2022,56(5):180-190.

[7] 司纪凯,张露锋,封海潮,等.表面-内置式永磁转子同步电机多目标优化设计[J].煤炭学报,2016,41(12): 3167-3173.

[8] 左曙光,吴双龙,吴旭东,等.轴向磁通永磁同步电机转矩解析模型和转矩优化[J].电工技术学报,2016,31 (23):46-53.

[9] 刘露,刘坤,张羽丰,等.凸形极靴表贴式永磁磁极同步电机性能优化[J].机械科学与技术,2019,38(10): 1514-1518.

[10] 李晓峰,高锋阳,齐晓东,等.对称V型异步启动永磁同步电机齿槽转矩优化[J].电力系统及其自动化学报,2021,33(5):1-8.

[11] 崔伟,熊会元,于丽敏.双驱动电动汽车动力参数匹配与优化方法[J].机械设计与制造,2016(11):9-13.

Optimization Design of New Energy Vehicle Electric Drive Rear Axle Permanent Magnet Synchronous Motor

ZHAO Xichang1, LIN Dong2

( 1.Chery Automobile Company Limited, Wuhu 241009,China; 2.School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China )

The drive motor is one of the key components of the powertrain of new energy vehicles, and its performance index directly affects the quality of vehicle power output. With reference to the performance indicators of a new energy vehicle, permanent magnet synchronous motor is selected as the electric rear axle drive motor. The power, speed, torque and other key parameters of the motor are obtained through calculation. Based on the performance parameters of the motor, the motor structure parameters are selected. Based on MotorCad software, parametric method is used to reduce the peak of tooth groove torque as the optimization objective, the thickness, width and air gap length of the motor permanent magnet are optimized, and the efficiency MAP and external characteristic diagram of the motor are obtained. The results show that the cogging torque is significantly reduced compared with that before optimization. By selecting the driving China light-duty vehicle test cycle-passenger (CLTC-P) for simulation analysis, the rationality of the optimization design of permanent magnet synchronous motor is verified.

Electric rear axle; Permanent magnet synchronous motor; Structure design; Parameter optimization

U463

A

1671-7988(2023)20-10-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.003

赵夕长（1978－），男，硕士，高级工程师，研究方向为新能源汽车技术，E-mail:740661569@qq.com。

安徽理工大学环境友好材料与职业健康研究院（芜湖）研发专项（ALW2021YF05）。