（广州博捷电机有限公司）
摘要：目前，用于电动车的永磁同步电动机的调速系统以其结构简单、运行可靠、效率高、维护量小等优点，发展得越来越快。由于单位功率因数控制策略能节省变流器容量，缩小变流器体积，减少工业成本，在电动车工业领域具有广阔的前景。文章从永磁网步电机的概述出发，重点讨论了新能源汽车驱动永磁同步电机的设计。
关键词：新能源汽车；汽车驱动；永磁同步；电机设计
引言
近年来迫于石油资源短缺、环境污染严重以及全球气候变暖趋势的压力，各国政府都在力推节能减排，而新能源汽车以其低排放、低污染特性得到各国政府的大力扶持，其发展形势如火如茶。
与同规格其他类型的电机相比，永磁同步电机性能更加可靠，功率密度、效率以及转矩电流比更高，运行时振动和噪声水平更低，这种优异的性能推动了新能源汽车驱动系统向着永磁化的方向大步迈进，成为了整个新能源汽车行业乃至轨道机车行业的发展方向。
一、永磁同步电机的概述
永磁同步电机的体积小、噪声低、效率高、功率密度较大，在电力电子技术与现代控制理论迅速发展的大环境下，这些优点使PISM渐渐得到了广泛的应用。永磁同步电机的直接转矩控制（DTC）是在失最控制发展日渐成熟之后兴起的另一种高性能交流调速技术。由于拥有控制结构简洁、动态响应较快、对电机参数依赖较少等特点，直接转矩控制已成为学术界研究的热点。
在现代交流调速系统领域中，速度传感器由于存在降低系统可靠性，增加系统成本等问题，已经大大制约了交流传动系统的发展，所以采用无速度传感器的调速方案是当今国内外研究的趋势。
永磁同步电机无速度传感器的研究方法主要有基于磁链位置的估算法、基于反电动势法、滑膜观测器法、扩展卡尔曼滤波法、高频注入法、人工智能估算法、模型参考自适应法（MRAS）。因为模型多考自适应法具有控制相对简单面且精度高的优点，所以本文将模型参考自适应法应用到永磁同步电机调速系统当中。将永盛同步电机本身作为参考模型，将含有转子转速的模型作为可调模型，采用并联型结构进行速度辨识，两个模型的输出量物理意义相同。利用可调和参考模型输出量所构成的误差，计算出合适的比例积分自适应率，并以此来调整可调模型的参数，满足Popov超稳定性定理，使系统逐渐稳定，最终使可调模型的状态能稳定、快速地逼近参考模型，即让误差值趋近于零，进而使转速估计值逐渐逼近实际值，实现转速的识别。
二、新能源汽车永磁同步电机的设计特点
在新能源汽车运行的过程当中，驱动电机往往可以分为两种状态，即长时间连续运行以及短时间峰值运行等，因此，在进行驱动电机设计的过程中所要遵循的原则为：在永磁同步电机额定性能之下，能够确保新能源汽车实现长时间连续运行；当新能源汽车处于加速爬坡、急加速以及急减速等状态之下，电机需要能够在极短时间之内处于峰值的工作点。这就要求新能源汽车所使用的永磁同步电机在设计的过程当中，需要考虑的性能指标包括：其一，长时间运行中额定的功率、转矩以及转速；其二，短时间运行过程当中峰值的转矩，峰值的功率以及最高的转速等，其三，高效率的运行区间以及最大化的效率；其四，电机自身的重量、体积以及耐压、绝缘的等级等。
三、新能源汽车驱动用永磁同步电机的设计步骤
（1）初选磁路结构型式。对于永磁同步电机不同的转子磁路结构，其性能各异，要综合考虑新能源汽车驱动特点要求、电机制造开发成本等因素选定：大致的转子结构型式。
（2）主要尺寸、磁路及绕组参数计算。为满足新能源汽车驱动电机设计方案频繁调整的特点要求，主要尺寸的确定要多采用基于“路”的解析计算方法，磁路及绕组参数应参照传统永磁同步电机。
（3）相关尺寸及参数的优化。利用RMxprt软件工具的参数化扫描功能，对永磁体尺寸、气隙长度和定子槽口宽度等参数进行优化和微调。
（4）转子结构改进及气隙磁密波形有限元分析。利用Maxwell对永磁同步电机做进一步的有限元优化分析，使得永磁同步电机气隙磁密波型及空载反电势波形满足正弦度要求，得到最终优化方案。
（5）样机试制。将试验结果与有限元仿真结果进行对比分析，为下一步的工作打好理论基础。上述新能源汽车驱动用永磁同步电机的设计计算流程如图1所示。
图1 新能源汽车驱动用永磁同步电机的设计计算流程图
四、新能源汽车驱动所用永磁同步电机的结构设计
针对电动汽车驱动系统空间较小，驱动电机高功率密度的要求，本文UC-PMSM电机设计采用V型永磁体排布方式，具有转子结构稳定，漏磁系数较小的优点。图2为本文提出的48槽8极（48s-8p）UG PMSM电机拓扑结构。与传统PMSM电机不同，转子极弧两端设计凹槽，在优化V型永磁体排布角度的同时，优化凹槽尺寸，进一步改善UG-PMSM电机空载反电势正弦特性。此外，转子气隙不均匀有效提高了UG-PMSM电机的凸极特性，改善了电机弱磁调速能力。
图3 电机关键尺寸结构
功率尺寸方程能够较准确的表达电机输出特性与电机各结构参数间的关系。此外，由电机关键空间尺寸结构，通过功率尺寸方程能够快速准确的确定电机输出功率。由于UG-PMSM电机空载反电动势为正弦波，因此，其功率尺寸方程与传统PMSM电机相似，可表示为：
结束语
综上所述，随着新能源汽车的问世，对于永磁同步电机设计的要求越来越高，在进行设计的过程当中，需要明确永磁同步电机的工作原理以及结构设计的特点，有针对性的选择最为适合新能源汽车驱动应用的类型，根据相关的技术标准，科学合理的进行设计，确保永磁同步电机设计的规范性，为新能源汽车的发展提供必要的保障。
参考文献：
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[4]程福秀，林金铭.现代电机设计[M].机械工业出版社，2013.
论文作者:程光远
论文发表刊物:《河南电力》2018年23期
论文发表时间:2019/7/16
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