新能源汽车技术I EMCA
違权控刹名阄2019,46 (2)
新能源汽车用永磁电机转子结构分析
陈\"香，潘敬涛，孙宁
(沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心，辽宁沈阳110870)
摘要：针对新能源汽车用永磁电机，通过有限元法分析了 V型、V—型、双弧型、U—型4种不同转子 结构电机的交直轴电感、电磁转矩、磁阻转矩等性能，分析了不同转子结构的弱磁扩速能力及影响弱磁扩速能 力的因素，仿真给出了不同转子结构的效率云图。通过综合分析，得出不同转子结构的特点，总结了不同转子 结构
用的新能源汽车用
电机的类型。
关键词！永磁同步电机\"新能源汽车用电机\"交直轴电感\"弱磁扩速中图分类号：TM 351
文献标志码！ A
文章编号：1673-6540(2019)02-0114-06
Rotor Structure Analysis of Permanent Magnet Motor for
New Energy Automobile
CHENLixiang，PANJingtao， SUN Ning
(National Engineering Research Center for REPM Electrical Machine，Shenyang University of Technology，
Shenyang 110870， China)
Abstract: The permanent magnet motor for new energy automobile was introduced. The quadrature-direct axis
inductance，electromagnetic torque and magnetic resistance torque properties were analyzed by finite element methodfor four kinds
of motors with
different rotor and
the
structures: “V” factors
type， (V—，’
flux
type，double-arc weakening
type，and ( U—，’ tcapability were
The flux weakening capability influencing a
maps of different rotor structures were given by simulation. By comparing and analyzing the characteristics of different rotor structures，it was concluded that different rotor magnetic circuit structures were suitable for different new energy automobile applications.
Key words ： permanent magnet synchronous motor ( PMSM )* new energy automobile motor *quadrature-direct axis inductance; flux weakening
转子的
0
，转子磁路不对 生的磁率
，
有
为汽车驱
电
Prius 2010
引言
阻转矩
盖宽、对简单等用
[1_2]。、内转
的不同分类，
的特性， 电机的
高电动机的过载能力 弱磁扩速[3]。
转子磁路结构PMSM
，
永磁同步电机（PMSM)具有结构简单、转矩 密度高、效率高、功率因数高、高效率 振动噪声低、动态响应快
，新能源汽车 永磁
PMSM —
Prius 2003
电机
机永磁体采用一型结构，Prius 2004和
转子 。
3
电机永磁体采用V型结构，Prius 2015驱动 电机采用V —型转子磁路结构，丰田公司2008
Lexus LS600H
分为3种转子磁路结构：
种转子磁路结构
，
电机采用了双层V —型永磁的
Active E
子磁路结构应用较为 转子的永磁体体结构， . 电机采用
作者简介：陈丽香（1973—)，女，硕士，高级工程师，研究方向为永磁电机设计及关键技术
潘敬涛（1992—)，男，硕士研究生，研究方向为永磁电机关键技术。孙宁（1980—)，男，硕士，工程师，研究方向为永磁电机设计及关键技术。
—114 —
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双层一型永磁体结构+4_6]。
新能源汽车 电机的弱磁扩速性能和
转矩输出能力。转子永磁
不同的
不同的
合成了多种
的磁路结构，
不同的转子磁路结构其电机的性能特 有所不
同， 设计出适合新能源汽车用的PMSM :了解不同转子磁路结构电机的性能特点。文献[7]分析 了 5种不同转子磁路结构永磁电机 的弱磁扩速能力，分析 结构的永磁电机 V型结构和分段一型结构永磁电机 的弱磁扩速能力差，为了得 的电机性能，对永磁体的 了
，使得PMSM
合混合动力 。 [']分析 了 一
型转子结构
U(V)型转子结构的性能特
点，分析结 转矩输出能力 的 层U(V)型结构电机 种结构电机的转矩脉动 率低。
[9 ]对电动汽车用永磁电机的电磁设
计 了研究分析，分 出了 V型和V—型两种结构的20 QV电动汽车用永磁电机的样机，并 了 种转子结构电机的试验。 [10]对V型和V —型两种不同转子磁路结构电机进 了分析，通过有限元法分析了两种转子结构电 机的转矩、交直轴电感、弱磁扩速能力及铁耗等性 能并仿真了两种转子磁路结构的效率云图。文献 [11 ]作了 100 kw新能源汽车 用V型转子磁路结构PMSM的样机，通过ANSYS Maxwell对 电机性能特 了电磁场仿真分析，并对机
了试验，然后将试验数据与电磁场仿真计算
结
对比分析。
[1&]针对气隙磁密幅
值、谐波含量、齿槽转矩和转矩波动等方面，分析 了一型、V型和U型3种磁路结构电机。文献[13]对 V型转子磁路结构电机的交直轴电
感
了分析。
[14]分析了高功率
电
机在设计时 考虑的若干问题，对V型和一
型转子磁路结构电机
分析
，得出V型转子磁路结构
合用于高功率
汽车电机
的结论。
本文针对1台峰值功率158 kW的新能源汽 车用永磁电机，对V型、V —型、U —型和双弧型 4种不同转子磁路结构电机 分析，并通过分
析总结了不同转子结构所适用的新能源汽车用驱
电机的类型。
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1
PMSM
办轴数学模型
PMSM23轴数学模型不但可以分析调速 PMSM稳态运行特性， 对电动机的瞬态运
特性
分析。在建立电机的办轴数学模型
时，首先作如下假设：（1 %忽略电动机铁心饱和;
(& %不计电动机中的涡流和磁滞损耗；（3 %电动机 的电流为对称的三相正弦波电流。
电动机的相电阻较小，故忽略电机的电
阻。
量图如图1所示。
电机在办轴系统下参数可表示为
Ud =- coe\"q
⑴1 4 !e\"d
(2)\"
d = \"prn 6 Ldld
(3)
\"q =Lq 7 ( 4)7d4-7>n# (5)7 4 7cos # (6)\"pH 4 — ( 7)
式中\"1d、1
d、g轴电压；\"d、\"
d、g轴磁链；7、7d、q轴电流；Ld、Lq -
d、q轴电感；!e-电角速度；\"pH永磁
生的磁链；
7s$
$$-
定子电流的有效值；7
电流 角。通常认为电机的电磁转矩为永磁转矩和磁阻转矩之和，在dq轴数学模型下电机的转矩 ；示为
8=8p 6 8c =|就
7 + (%d -%q)77]
(8)
—115 —
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9\"—7(9)
8 4 普
(10)
式中：8 8p、8?——
电磁转矩、永磁转矩、磁阻
转矩；
9---极对数。
电机设计中，交直轴电感的计算十分 。
在办轴数学模型下交直轴电感的计算方法如下:
「kl
!—T\"
abc!
(11)
cos $-sin $ C0S( $ 2!)sin( $ —2!)
C0S( $ + 了！)
-sin( $ + 了！)
( 12)
% AA % AB % AC
L
a
% BA % BB % BC(13)
% C A % C
% C
式中：$--永磁体与A相绕组夹角:
L
a
电机电感矩阵。
2
不同转子磁路结构电机的性能特点
选择V型、V —型、U —型和双弧型4种不同 转子磁路结构 。4种转子磁结构的电机除永磁体结构
不同外，其余参数都相同，如
定子参数、永磁体用量、气隙长度等。分析不同转 子磁路结构电机的性能特点，不同转子结构空载磁力线分布如图2所示。
(c)双弧型结构
（d) U —型结构
图2
不同转子结构空载磁力线分布图
—116 —
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2.1不同转子磁路结构电机的转矩
新能源汽车电机的运 分为&个阶段:(1)恒转矩阶段。电机的 方式为最大转矩电流 方式，在该阶
寻找合适的电流角，
电机
同电流下产生的转矩最大。（&%弱磁
阶段。为了满足电机对转速的需求，对电机
‘
弱磁 。4种转子磁路结构电机在相同电流175 A和
不同电流
角下转速的变化曲线如图3所示。
4种转子磁路结构电机产生最大转矩对应的电流
角如表1所示。
同电流下U —型结构
生的转矩最大，V —型结构产生的转矩最小。
9oo
8
oo76oo(E.MVi5oo4oo3oo2oo1oooo
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
电流角度/(°)
图3不同转子结构电机的电流控制角-转矩曲线
表1不同转子磁路结构电机电流控制角及转矩
转子结构V型V—型双弧型U—型最大转角矩/(。电流）23262622转矩/(N.m)824
777
837
847
2. 2
不同工况下电机所需电流
4种转子磁路结构电机达到额定转矩和过载
峰值转矩时所需电流如表&所示。
表2
不同转子磁路结构电机不同工况所需电流
A
转子结构 V型 V—型 弧型 U—型电流 170.7 180.6 168.2 165.8峰.流矩
423.8
447.9
416.4
413.2
由表2可知，当达到额定转矩时U —型结构 电机
电流最小，为165.8 A，V —型结构电机
电流最大，为180.6 A，比U —型高8.93% *当
达到峰值转矩时U —型结构电机
电流最小，
为413.2 A，V —型结构电机所需电流最大，为
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447.9 A，比 U —型高 8.40% &
新能源汽车对电机的过载能力有一定要求。 通过仿真不同电流下的最大转矩，可得不同转子 磁路结构电机的转矩-电流曲线如图4所示。
图4 看出，永磁体用量相同的
下
个电流 ，4种转子磁路结构电机产生
转矩的能力 弱 为：U—型、双弧型、V
型、V—型。2. 3
不同转子磁路结构电机的交直轴电感电机的电磁转矩由永磁转矩和磁阻转矩组
。一 下磁阻转矩占电磁转矩的：越
大，电机的弱磁扩速性能 。交直轴电感比 大 率越大， 同时电机的率越大，电机磁阻转矩在转矩中的 大。
P
(14)
& 4 ____^5_____腿
(15)
式中：P—
凸极率；
&maX---电机的最大转速；
、&5—逆变器输出电压和电流的极 限值；\"B---电机的永磁磁链。变器的最大输出电压、电流、电机的直轴电
感及永磁磁链决定了电机所能达到的最高转速。
不同的转子磁路结构
永磁体的
及其
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他因素的影响，导致电机的交直轴电感和永磁磁 链不同，电机所能达到的最高转速
不同。4
种转子磁路结构电机 同电流下的交、直轴磁 力线分布如图5和图6所示。
图5不同转子结构电机交轴磁力线分布图
(c)双弧型结构 （d) U —型结构
图6
不同转子结构电机直轴磁力线分布图
图5
，交轴电流产生的磁通从定子进
入转子时会受到转子槽末端的阻挡，双弧型结构 转子对交轴电流产生的磁通阻挡最小，交轴磁力 线进入转子的部分
，％
大。由图6 ，
直轴电流产生的磁通从定子进入转子时很难通过 永磁体槽， 转子 的隔磁 转子 ；
的 通过，U —型结构直轴磁力线进入转子的部分 ，％2较大。交直轴电感 值如
表3所示。
4种转子磁路结构电机的交轴电感随电流变
化曲线如图7所示。
—117 —
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表3不同转子磁路结构电机交直轴电感
mH转子结构
V
型
V
—型双弧型U
—型
%1.4391.4471.5261.467%0.755
0.832
0.797
0.8
1.40
U
—型结构
50
100
150
200
I/A
图7
不同转子结构电机交轴电感-电流曲线
从图7可以看出， 电流的增大交轴电感
小，双弧型结构电机的交轴电感较大，V型
结构电机的交轴电感较小。
4
种转子磁路结构电机的直轴电感随电流变
化曲线如图8所示。
图'
不同转子结构电机直轴电感-电流曲线
图8可以看出，
电流的增大直轴电感
变
小，U —型结构电机的直轴电感较大，V型
结构电机的直轴电感较小。
2. 4
不同转子磁路结构电机的磁阻转矩
电机的弱磁扩速能力与磁阻转矩
关。一
下磁阻转矩占电磁转矩的
大，电
机的弱磁扩速性能 ，电机所能达到的转速
高。4种转子磁路结构电机在额定电流下的磁 阻转矩如表4所示。
4
，额定电流下
双弧型结构电机磁阻转矩最大，U —型结构电机 的磁阻转矩最小。
2. J不同转子磁路结构电机的弱磁扩速能力
4
种转子磁路结构电机在额定电流下的转
矩-转速曲线如图9所示。—118 —
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表4不同结构电机在电流为175 A时的转矩性能
转子结构
V
型
V
—型双弧型
U
—型
P
1.9141.7271.9271.698磁阻转矩
/(N.m)
118
122
145
102
电磁转矩
/(N.m)
802802802802
磁阻转矩 占比/%
14.715.218.112.7
900800 700 ^600
邑400? 500
^ 300
200
100
0 1 000 2 000 3 000
w/(r.min_1)
图9不同转子磁路结构电机转速-转矩曲线
从图9
看出，
转速的
，电机转矩
下降。V—型结构电机的转矩下降得最慢，弱磁扩 速能力最强;U —型结构电机的转矩下降得最快， 弱磁扩速能力最差;V型结构和双弧型结构电机转 矩-转速曲线十分接近，弱磁扩速能力相差不大。
4
种转子磁路结构电机在额定电流下的功率-
转速曲线如图10示。
从图10可知，V—型结构电机恒功率区域较 宽，U —型结构电机恒功率 ，V型结构电机和双弧型结构电机恒功率
。
2. 6不同转子磁路结构电机的效率云图
不同转子磁路结构电机的效率云图如图11
示。
图11可以看出，V —型转子结构电机高效
大，高效
的转速
大;U
省机滅刹名闱2019,46 (2)
97887970%61
/齋52较43342516
97887970%61
/齋52较43342516
98
8 98 07 1%6 2/5 齋4 3较3 42 51 67
转速/(r. min-1)
(C)双弧型结构
988071%62
/齋53较44352617
转速/(r. min-1) (d) U—型结构
图11不同转子磁路结构电机效率云图
一*型转子结构电机+效区间范围较小，+效区间 横跨的转速
小。
3
结语
本文分析了4种不同转子磁路结构的电机特 性，通过分析得出以下结论:V —型转子结构电机 弱磁扩速能力最强，恒率 最大，高效率
最大，但 出转矩的能力最差;U —型转子结构 电机的弱磁扩速能力最弱，恒功率范围最小，高效 率最小，但 出转矩的能力最强;V型和双 弧型转子结构的弱磁扩速性能和转矩输出能力比
，双弧型结构比V型结构输出转矩能力强 但成本较高。新能源汽车用
电机应用场合不
同，对电机的性能要求也不同。对转矩 求 高的新能源汽车电机 U —型结构电
新能源汽车技术I EMCA
机;对弱磁扩速能力要求较高的新能源汽车电机
V—型电机； 转矩 弱磁扩速性能的新能源汽车电机 V
型和双
弧型结构电机。
【参考文献】
+ 1 ]
KIM K C，LEE J，KIM H J，et al. Multiobjective optimal design for interior permanent magnet
synchronous motor
+ J ]. IEEE Transactions on
Magnetics，2009,45 (3)： 1780.
+ 2 ]李周清，李婷婷，纪小庄.电动汽车用永磁同步电机 的选型研究[J].微特电机，2015,43(6): 50.
+ 3 ]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M]微t京：机 械工业出版社，1997.
[4 ]
BURRESS T A，C0
0MER C L，CAMPBELL S L，e
al. Evaluation of the 2010 Toyota Prius hybrid synergy drive system [ R ]. Office of Scientific & Technical
Information Technical Reports，2011.
[5 ]严蓓兰现新能源汽车电机发展趋势及测试评价研究 [J].电机与控制应用，2018,45(6): 109.
[6 ]解志霖.电动大巴车用永磁电机设计[D].沈阳：沈 工业大学，2017.
[7 ]王艾萌，卢伟甫.五种拓扑结构的永磁同步电动机 性能分析与
[JL微特电机，2010,38(4) : 20.
[8 ]李新华，阮波，徐竟成.电动大巴永磁辅助磁阻同步 电动机仿真分析[J].微特电机，2014,42(3): 1.
[9 ]刘奇林，沈启平.车用高功率密度永磁同步电机设 计及试验研究[J ].电机与 用，2016，43 (1):
88.
[10] 陈丽香，付鸣达，解志霖.电动大巴车用永磁电机转
子结构分析[J].电机与 用，2018,45(4):
105.
[11] 胡天召，李祥成，黄新宇.电动汽车驱动用永磁同步电机结构分析[J].防爆电机，2018,53(2): 23.
[12]
DLALA E，SOLVESON M，STANTON S. Efficiency map simulations for an interior PM motor with experimental comparison and investigation of magnet size reduction [ C] #2013 IEEE，International Electric Machines & Drives Conference，2013 : 23.
[13] 符荣，窦满峰.电动汽车驱动用内置式永磁同步电机直交轴电感产生计算与实验研究[J].电工技术 学报，2014,29(11): 30.
[14] 王晓远，高鹏，赵玉双.电动汽车用高功率密度电机关键技术[J].电工技术学报，2015,30(6): 53.
:2018-08-30—119 —
