【電機企業(yè)如何把握好車用市場發(fā)展趨勢爭取技術(shù)上的反超？】電機技術(shù)并沒有我們想象的那么簡單，車用永磁同步電機國內(nèi)廠商相對國外落后5年左右，差距在于設計理念、原材料和設備、以及需要避開國外專利(目前國廠商專利少說4000多份)。另外在材料損耗，工藝，關鍵參數(shù)的控制方面與國外都有差距，產(chǎn)品更新速度也較慢。未來電機產(chǎn)品的發(fā)展趨勢是更高輸出密度、更寬調(diào)速范圍、更低制造成本、更易集成(目前最有意義的集成是電機，變速器和控制器集合在一起)。未來在技術(shù)與客戶響應上能夠做到突破的公司有望勝出。

一、電機磁場及工作原理

電磁力原理：電磁力指的是通電導線在磁場里受到電磁力的作用，電磁力是異性相吸，同性相斥的。這里的異性相吸肯定是對的，但是同性相斥這里的同性指的不是極性相同，而是指電磁磁位性質(zhì)相同。目前的電機產(chǎn)生力主要靠吸力作用。

發(fā)電原理：導體在發(fā)電的磁場里被感應出來電壓，使得電路形成回路產(chǎn)生電流。

永磁同步電機工作原理：定子通交流電后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場吸引轉(zhuǎn)子磁場，是轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場旋轉(zhuǎn)。

這里需要注意的是車上使用的電機大部分都是永磁同步電機，而其中絕大部分都是內(nèi)嵌式同步電機，主要原因是內(nèi)嵌式同步電機很好的利用了磁阻扭矩。磁阻扭矩對電機系統(tǒng)的影響在于：

在相同的電機反電勢系統(tǒng)下，實現(xiàn)相同的扭矩可以減小釋放的電流，從而有利于提高電機低速大扭矩情況下的效率，還為降低控制器主要部件成本創(chuàng)造條件。

在相同的控制器硬件條件下，高磁阻扭矩電機比低磁阻扭矩電機具備更高的空載轉(zhuǎn)速，有利于提高電機高速小扭矩的工作效率，改善電磁噪音，提高了電機系統(tǒng)的調(diào)速范圍。

二、車用驅(qū)動電機的主要性能參數(shù)及解讀

衡量車用驅(qū)動電機的主要性能主要看下面幾個數(shù)據(jù)：

1.滿功率輸出的最低工作電壓：(額定電壓不重要)這里需要注意的是車用電機用的都是交流電，但是廠商一般給的數(shù)據(jù)都是直流電數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換成交流值，直流電轉(zhuǎn)換成交流電時要經(jīng)過控制器，這一步驟需要消耗一部分電壓。

2.最大工作相電流：不能用主機廠給的數(shù)據(jù)，要結(jié)合控制器的IGBT能力。

3.峰值扭矩：對商用車客戶可能的是堵轉(zhuǎn)扭矩值。

4.峰值功率：應該明確是什么轉(zhuǎn)速下的峰值功率。

5.額定功率/扭矩：長時間允許運行的工作點叫額定功率，但是對整車廠來說合理額定功率應當是持續(xù)的扭矩和功率，比如車高速時的電機運轉(zhuǎn)功率可以當作額定，應該考慮縫制轉(zhuǎn)速下的額定功率。

6.最高工作轉(zhuǎn)速：最高工作轉(zhuǎn)速包括了最高工作轉(zhuǎn)速下的功率，最高轉(zhuǎn)速下的反電勢，最高轉(zhuǎn)速下機械應力(是不是能在高速下穩(wěn)定運行)。

7.NVH：低齒槽扭矩和負數(shù)反電勢譜波。

8.效率：這里需要關注的數(shù)據(jù)是電機最常用的效率，同時還要注意高效區(qū)要合理匹配客戶的需求。

三、發(fā)展趨勢

1.更高輸出密度-(拳頭那么大最好輸出200kw)

有沒有什么材料，成本低廉還能效率高

2.更寬調(diào)速范圍(0-18000轉(zhuǎn)，甚至0-20000轉(zhuǎn))

有沒有新原理能把成本降下來

3.更低制造成本

新工藝(例如有沒有什么好的絕緣材料能把耐溫提高)

4.更易集成

新應用(目前最有意義的集成是電機，變速器和控制器集合在一起)

四、IPMSM磁路結(jié)構(gòu)

1.常用的磁路結(jié)構(gòu)

2.車用永磁同步電機磁路結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢

趨勢主要概括為：高功率密度，低材料損耗，高速旋轉(zhuǎn)，控制靈活。具體表現(xiàn)為：

適應高磁阻扭矩性能和低磁鋼消耗

滿足電機和變速箱一體化需求，追求轉(zhuǎn)子尺寸和薄型設計

新型磁鋼工藝或高性能硅鋼片材料的發(fā)展

迎合創(chuàng)新控制策略對電機磁路參數(shù)的特殊需求變革

五、永磁同步電機相關設計參數(shù)及取值

1.I,P,Z,n取值(電機設計最相關的參數(shù))

a)極對數(shù)p

極對數(shù)越多，越有利于提高電機的扭矩密度和功率密度

在不考慮轉(zhuǎn)子漏磁的情況下，電機的極對數(shù)越多，電樞對轉(zhuǎn)子的電樞反應越弱。

考慮到實際工藝能力和定轉(zhuǎn)子機械強度問題，過多的極對數(shù)，會導致漏極系數(shù)過大，縮匹配的電樞槽面積過小，反而不利于功率密度的提高

極對數(shù)決定了電機在一定轉(zhuǎn)速下的工作頻率，因此可以根據(jù)電機鎖匹配控制器開關部件的能力和電機鎖工作到最高轉(zhuǎn)速來獲得電機允許的最高極對數(shù)

優(yōu)先級推薦：滿足電機可控性-滿足電機可制造性-取盡可能多的磁極。

b)指數(shù)Z(一般情況下，必須先決定p再決定Z)

(概念：每組每相槽數(shù)Q=Z/(3*2*P),Q為整數(shù)時被稱作整數(shù)槽繞組，否則稱之為分數(shù)槽繞組)

車用大功率電機若是選擇了集中繞組，那么電機的Q=0.5,那么槽數(shù)Z=3*P，也有少數(shù)小功率電機8極9槽或者10極12槽。

Q值越大，電機的反電勢譜波越小，電機齒槽扭矩和力矩波動幅度越小，但根據(jù)經(jīng)驗Q>3后，對譜波的改善效果可以忽略。

由于驅(qū)動電機的功率較大，電機單相串聯(lián)匝數(shù)較少，那么很多時候需要選擇合適的槽數(shù)Z，來保證電機匝數(shù)的合理

電機常用的Q值推薦為：Q=0.5;Q=1.5;Q=2;Q=2.5;Q=3(對于車用驅(qū)動電機Q取較大值時往往應用扁銅線繞組工藝。

C)匝數(shù)N

匝數(shù)增加，電機的反電勢系數(shù)增加，相同電流下的扭矩增加

匝數(shù)增加，意味著導體的截面積減少，可能帶來電樞熱負荷過高的問題

改變電機的體積，就改變了電機的磁通面積，改變了磁路結(jié)構(gòu)可以更改氣隙磁密合極弧系數(shù)，為調(diào)整電機匝數(shù)創(chuàng)造了條件

2.主要尺寸確定

1)電樞外徑取值

一般情況下，根據(jù)整車的尺寸需求，去除外殼厚度即得到定子鐵芯外徑，電機機殼的厚度隨電機的外形尺寸和機殼工藝不同而不同，近年來越來越廣泛應用的一體化水冷卻機殼，其機殼的厚度建議在18至30mm不等

2)電樞內(nèi)徑取值

定義：定子外徑尺寸確定后，才能確定電樞內(nèi)徑尺寸，即關鍵是設計電機的內(nèi)外徑比例值kd

影響：Kd值越大，電機電樞磁勢影響力越小，但轉(zhuǎn)子磁通量增大，轉(zhuǎn)子磁勢增強，易于提高電機的功率能力，但需要增大了電機的銅損，反之將減少電機的功率能力，但能給提高電機效率創(chuàng)造條件，Kd值同樣影響了電樞槽尺寸與形狀，Kd值越小，槽越深，電樞槽口越小，槽漏抗增加

3)電機定轉(zhuǎn)子氣隙選取

氣隙越小越有利于提高電動機的性能，但電動噪音也喜歡過小的問題，過小的間隙要求過高的零部件的裝配精度，也無法適應轉(zhuǎn)子高速時的離心力變形，所以電機的該尺寸能做多小主要取決于相關的工藝水平和高速條件下轉(zhuǎn)子的形變情況。

3.磁密取值

a)出力和磁密的關系磁密取值

電磁力：F=BIL

電磁扭矩:Te=BINLfeR=BJV

電機的扭矩密度取決于電機空氣間隙內(nèi)的負載磁密和定子內(nèi)導體的電流密度

b)電機獲得較高的磁密可以有兩個途徑：

磁力取高(提高磁場強度)

電流密度取高(提高物質(zhì)材料的磁導率，目前技術(shù)來看比較困難)

C)空、負載磁密的取值問題

空載：在滿足反電勢大小的前提下，建議取較低的空載定子磁密，合理的轉(zhuǎn)子磁密

峰值負載：

適當調(diào)節(jié)電機交直流電流分配比例，在基本不犧牲電機扭矩的條件下，緩解磁路飽和程度

定轉(zhuǎn)子多為飽和狀態(tài)，但應通過磁路優(yōu)化減少電樞漏抗帶來的磁路飽和

4.反電勢取值

a)反電勢對電機及控制器的影響

在電機的工作電流一定的條件下，電機的輸出扭矩正比于電機的反電勢。在相同的輸出扭矩下，增大電機反電勢可以降低電機的工作電流

電機在不弱磁工作時，在電機電壓一定的條件下電機的工作轉(zhuǎn)速于反電勢成反比，對于控制同步電機來說，反電勢的大小基本確定了電機峰值扭矩的拐點位置

最高反電勢威脅到控制器主要元件(電容和IGBT)的安全，過高的反電勢可能會導致器件損壞

b)反電勢的取值

一般來說市場現(xiàn)有的薄膜電容可承受低于500v的反電勢;對于300v左右的供電系統(tǒng)若定制器件，該值一般小于700v，現(xiàn)實中超過650v，不管工作是否，薄膜電容會被擊穿，所以很多廠要求取值低于450v。

六、永磁同步電機的仿真手段

1.導致性能和實測數(shù)據(jù)偏差的主要問題有：

A.材料定義不完善

B.實際尺寸偏差

C.材料性能余量估計不足

D.模型等效帶來的偏差

E.網(wǎng)絡劃分不合理帶來的偏差

F.仿真數(shù)據(jù)處理不當

2.仿真條件的注意事項:

A.材料屬性

B.鐵損表受實際工藝影響的變化值

C.網(wǎng)格劃分(很多軟件是自動進行劃分的)

D.力學求解器(MAXWELL力和虛功力的理解)

LD/LQ計算和判斷

一般規(guī)律：Ld隨電機弱磁升速和扭矩增加，數(shù)值基本不變。Lq隨扭矩增加(或磁密飽和)而減小，隨弱升速(磁密降低)而增大

電機進行FOC控制時，電機的交軸電流都是同時加載，在同一定轉(zhuǎn)子沖片磁路下，交直軸的磁路是相關影響的。仿真求解和加載條件必須相同的。

七、永磁同步電機的設計輸出參數(shù)

在永磁同步電機的設計時，以下數(shù)據(jù)是一定要算的：

反電勢或空載磁鏈(隨溫度變化的很多數(shù)據(jù))

短路電流(穩(wěn)定值等于空載磁鏈/Ld)

最大相電流和最高工作電流頻率(是否和控制器IGBT一致)

Ld/lq表(對應ID/Iq，兩個要同時加)

負載特性(特別是峰值軸距，功率時直軸電流和短路電流的關系)

齒槽扭矩

0N.m最高轉(zhuǎn)速下需要的最小相電流個磁密分布(非常重要，電動車上高速要深度弱磁的，所以這個數(shù)據(jù)越小，就會越節(jié)能，電池安裝數(shù)量就少)

效率MAP

電流密度和熱負載判斷

槽滿率

繞組端部尺寸