黃國坪

某款純電動物流車驅(qū)動電機系統(tǒng)方案設(shè)計

黃國坪

（廈門市福工動力技術(shù)有限公司，福建 廈門 361100）

針對某款純電動物流車進行驅(qū)動電機系統(tǒng)方案設(shè)計，從純電動物流整車基本參數(shù)及指標得到其驅(qū)動電機系統(tǒng)的配置方案，并進行電機設(shè)計及仿真分析。

純電動物流車；驅(qū)動電機系統(tǒng)；方案設(shè)計

電動汽車具有能源利用率高、無有害氣體排放等優(yōu)勢，有著廣闊的市場前景和巨大的發(fā)展空間。實現(xiàn)電動汽車動力性能優(yōu)化的關(guān)鍵在于適當設(shè)計其動力驅(qū)動系統(tǒng)。本文根據(jù)某款2.5 t純電動物流車性能指標要求，設(shè)計永磁同步電機系統(tǒng)的技術(shù)方案。

1 驅(qū)動電機系統(tǒng)

1.1 整車基本參數(shù)要求

某款2.5 t純電動物流車動力系統(tǒng)采用永磁同步電機匹配減速器方案。永磁同步電機與減速器采用花鍵聯(lián)接，通過減速器與車輛驅(qū)動軸直接相連并驅(qū)動車輪，電池組則通過電機控制器控制驅(qū)動電機的運行。電機經(jīng)過減速器，降低了輸出轉(zhuǎn)速，增大了輸出轉(zhuǎn)矩，降低了驅(qū)動系統(tǒng)的輸出電流，從而降低了電機及電機控制器的體積和重量，驅(qū)動系統(tǒng)成本進一步下降。該車的基本參數(shù)及性能要求如下：整備質(zhì)量m為1 300 kg，滿載質(zhì)量M為2 500 kg，迎風面積A為3 m2，風阻系數(shù)CD為0.5，輪胎半徑r為301 mm，滾動阻力系數(shù)f取0.012，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)δ取1.07，重力加速度g取9.8 m/s2，后橋主減速比i0為4.46，減速器減速比ig為1.91，傳動效率ηT取0.9，電池電壓U為320 V（DC），最高車速umax為90 km/h，常規(guī)車速u0為40 km/h，最大爬坡度α取20%，加速時間t≤15 s（0~50 km/h）。

1.2 電機參數(shù)的計算

電機的轉(zhuǎn)矩Tm、功率Pm、轉(zhuǎn)速n等參數(shù)可根據(jù)以下各式進行計算[1-2]：

式中：ua為計算點的車速。

根據(jù)上述公式，電機匹配參數(shù)計算結(jié)果見表1。

表1 2.5 t純電動物流車電機匹配參數(shù)

根據(jù)表1的計算結(jié)果分析，驅(qū)動電機參數(shù)可按照以下4點進行確認：

1）車輛在平路、常規(guī)車速狀態(tài)下的電機轉(zhuǎn)速確定為電機的額定轉(zhuǎn)速，即此電機的額定轉(zhuǎn)速在3 000 r/min左右。

2）車輛在平路、最高車速狀態(tài)下確定電機最高轉(zhuǎn)速和電機額定功率，即此電機的最高轉(zhuǎn)速在6 760 r/min左右，額定功率約為24 kW。

3）車輛在20%爬坡度(30 km/h)滿載狀態(tài)下確定電機峰值轉(zhuǎn)矩和電機峰值功率，即此電機的峰值轉(zhuǎn)矩約為198 N·m，峰值功率約為47 kW。

4）車輛在15 s(0~50 km/h)加速狀態(tài)下，電機所需轉(zhuǎn)矩約為114 N·m，所需功率約為45 kW，分別小于前述峰值轉(zhuǎn)矩和峰值功率。

通過以上分析，所采用的永磁同步電機參數(shù)確定如下：額定電壓為220 V（AC），額定功率為25 kW，峰值功率為50 kW，額定轉(zhuǎn)矩為79.6 N·m，峰值轉(zhuǎn)矩為200 N·m，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，最高轉(zhuǎn)速為6 800 r/min，最大電流≤230 A，最高效率≥94%，冷卻方式為風冷。

1.3 電機控制器性能參數(shù)

電機控制器主要負責控制驅(qū)動電機的前進、倒退，維持電動機的正常運轉(zhuǎn)。電機控制器采用先進的閉環(huán)矢量控制技術(shù)，具有轉(zhuǎn)矩控制、速度控制以及轉(zhuǎn)矩/速度切換控制等多種方式，控制精度高，響應時間快，驅(qū)動效率高；具有過溫、過載、相間短路、對地短路、過電流、過電壓、欠電壓、缺相、失速、工作時負載突變等即時停機的保護功能[3]。根據(jù)永磁同步電機參數(shù)選型，所配置的電機控制器主要性能參數(shù)如下：額定功率為30 kW，峰值功率為60 kW，額定輸入電流為138 A（DC），額定輸出電流為 115 A（AC），峰值輸出電流為 230 A（AC），輸出頻率范圍為0~500 Hz，輸入電壓范圍為200~400 V（DC），輸出電壓范圍為0~260 V（AC），額定驅(qū)動效率≥98%，工作溫度范圍為-40~85℃，冷卻方式為風冷。

1.4 電機尺寸及其零部件設(shè)計

根據(jù)電機電磁性能、整體結(jié)構(gòu)、重量和成本要求，首先確定電機的主要尺寸。電機主要尺寸是電樞直徑D和電樞長度lef。其關(guān)系式如下[4]：

式中：P′為計算功率，對應額定功率25 kW的設(shè)計值為28 kW；αp′為計算極弧系數(shù)，設(shè)計值為0.87；KNm為氣隙磁場波形系數(shù)，當氣隙磁場正弦分布時為1.11；Kdp為電樞繞組系數(shù)，設(shè)計值為0.94；A為線負荷，設(shè)計值為225 A/cm；Bδ1為氣隙磁密基波幅值，設(shè)計值為0.84 T；n為電機額定轉(zhuǎn)速，設(shè)計值為3 000 r/min。

從式（4）中計算得到D2lef=3 317.9 cm3?？紤]電動汽車內(nèi)電機的安裝空間，然后憑經(jīng)驗選取一定的主要尺寸比lef/τ（τ為極距，設(shè)計值為5.338 cm），可得到電機的主要尺寸[5]D=13.6 cm，lef=18 cm。

本文設(shè)計采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，磁鋼按“V”型結(jié)構(gòu)放置，極數(shù)為8，永磁體牌號為N35UH。永磁體位于轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部，機械強度高，有利于減少電機的整體尺寸，并可以有效地提高電機的弱磁擴速能力。永磁體尺寸主要包括永磁體的軸向長度LM，磁化方向長度hM和寬度bM。永磁體的軸向長度LM一般等于或者略小于電機鐵芯長度。根據(jù)永磁同步電機相關(guān)理論，內(nèi)置徑向式永磁電機永磁體尺寸bM和hM的預估公式如下:[6]

式中:σ0為空載漏磁系數(shù)，設(shè)計值為1.28；bm0為空載下永磁體工作點，設(shè)計值為0.87；Br為剩余感應磁場強度，設(shè)計值為1.14；KΦ為氣隙磁通波形系數(shù)，設(shè)計值為0.91；Ks為電機飽和系數(shù)，其值為1.05~1.3，本文取1.18；Ka為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有關(guān)系數(shù)，其值為0.7~1.2，本文取1.02；δ1為氣隙長度，設(shè)計值為0.7 mm。

根據(jù)式（5）和式（6）計算，得bM=40.5 mm，hM=4.42 mm。由于hM應使電動機的直軸電抗合理，且是永磁體最佳工作點；調(diào)整電動機的性能通常可調(diào)整寬度bM，bM直接決定了永磁體提供磁通的面積；綜合電機性能，將計算結(jié)果調(diào)整為bM=40 mm，hM=5 mm。

本文設(shè)計的永磁同步電機定子槽數(shù)為48,定子槽型為半開口梨型槽，定子、轉(zhuǎn)子沖片牌號為50W360，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。定子繞組采用短距（節(jié)距5），雙層疊繞組,采用Y接法，其繞組排列方式如圖2所示。根據(jù)電動機的電磁負荷、定子槽型尺寸和槽滿率可以確定繞組的匝數(shù)和線規(guī)，電機結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)參數(shù)如下：定子外徑為210 mm，內(nèi)徑為136 mm；每槽導體數(shù)為8，導體線規(guī)為0.8mm,15根并繞；轉(zhuǎn)子外徑為134.6 mm，內(nèi)徑為50 mm；永磁體寬度為40 mm，厚度為5 mm；定子、轉(zhuǎn)子、永磁體長度皆為180 mm。

圖1 定子槽型及尺寸示意圖

圖2 雙層疊繞組排列方式示意圖

2 驅(qū)動電機性能仿真分析

下面通過有限元方法對電機有關(guān)性能進行仿真分析[7-8]。

2.1 空載仿真分析

2.1.1 空載磁場分析

電機空載磁場是定子三相繞組中不通入電流，即定子電流全部賦零，僅由永磁體作用產(chǎn)生。分析空載磁場就是分析永磁磁極與定轉(zhuǎn)子磁路相互作用的磁場。通過后處理的空載磁場及磁力線分布如圖3所示，定子齒部磁密峰值為1.43 T,定子軛部磁密峰值為1.38 T。從圖3中可知，定子齒部和軛部磁密明顯小于隔磁磁橋附近的磁密，滿足提高電機過載能力的設(shè)計要求。

圖3 空載磁密及磁力線示意圖

圖4 空載氣隙磁密波形示意圖

電機氣隙是電機進行機電能量轉(zhuǎn)換的重要區(qū)域，電機的參數(shù)、性能都以氣隙磁場計算為基礎(chǔ)。氣隙磁通的各分量中只有徑向磁密才是定子繞組有效匝鏈的主磁通，氣隙徑向有效磁通決定了電機的基本性能。對氣隙高度中心位置（距離軸心半徑67.65 mm）徑向磁密分布情況如圖4所示,橫坐標距離表示氣隙軸心半徑與氣隙位置弧度的乘積。氣隙徑向磁密為平頂波分布，波頂幅值達到0.84 T，可以滿足空載氣隙磁場的磁通密度設(shè)計要求。

2.1.2 空載反電動勢

空載反電動勢是永磁體的空載氣隙磁密基波磁通切割電樞繞組產(chǎn)生的感應電動勢，是永磁同步電機的重要參數(shù)。由于永磁體勵磁分布和繞組設(shè)計等原因，使得實際的感應電動勢含有諧波成分，從而增加電機損耗，降低效率。采用斜槽或者斜極就可以有效降低齒諧波帶來的影響。考慮到內(nèi)置式永磁磁極加工難度大，故采取定子斜槽。在電機額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min時斜槽后的空載反電動勢如圖5所示，斜槽后的空載反電動勢有效值約為219.5 V，波形正弦度更好。經(jīng)過傅里葉分解得到空載反電動勢的諧波成分如圖6所示，基波峰值約為310.2 V,并且極大的削弱了齒諧波分量。從而使空載反電動勢的正弦度更好，輸出轉(zhuǎn)矩的脈動更小，電機運轉(zhuǎn)就更加平穩(wěn)。

圖5 空載反電動勢波形示意圖

圖6 空載反電動勢傅立葉分解示意圖

2.2 負載仿真分析

2.2.1 額定負載計算

由永磁同步電機設(shè)計輸入?yún)?shù)可知，電機額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，輸出轉(zhuǎn)矩為79.6 N·m。經(jīng)過電流和內(nèi)功率因素角的若干次迭代，得到滿足端電壓的額定電流如圖7所示，額定電流有效值大約為70 A。額定電流對應的額定轉(zhuǎn)矩約為80.3 N·m，如圖8所示。并且通過計算，額定工作點的效率約為96%，滿足純電動物流車的額定工況設(shè)計要求。

圖7 額定電流波形示意圖

圖8 額定轉(zhuǎn)矩示意圖

2.2.2 峰值轉(zhuǎn)矩計算

電機過載性能是車用驅(qū)動電機非常重要的一項指標。由永磁同步電機參數(shù)可知，電機過載轉(zhuǎn)矩為200 N·m，是額定轉(zhuǎn)矩的2.5倍，則至少需要通入額定電流的2.5倍以上。從仿真結(jié)果可知，在電機轉(zhuǎn)速為2 300r/min時，峰值電流有效值約為220 A，如圖9所示。峰值電流對應的峰值轉(zhuǎn)矩約為202.8 N·m，如圖10所示，可以滿足純電動物流車的峰值工況設(shè)計要求。

圖9 峰值電流波形示意圖

圖10 峰值轉(zhuǎn)矩示意圖

3 結(jié)束語

本文對2.5 t純電動物流車驅(qū)動電機系統(tǒng)進行了匹配選型及設(shè)計分析。根據(jù)永磁同步電機的設(shè)計指標計算出電機的主要尺寸、永磁體尺寸、定子繞組的連接方式和匝數(shù)。對電機的空載磁密、空載反電勢、輸出轉(zhuǎn)矩等參數(shù)進行了有限元仿真分析，結(jié)果表明永磁同步電機性能滿足物流車的動力要求。

[1]余志生.汽車理論[M].5版.北京:機械工業(yè)出版社，2011.

[2]查鴻山，宗志堅，劉忠途，等.純電動汽車動力匹配計算與仿真[J].廣州:中山大學學報(自然科學版)，2010，49（5）：47-51.

[3]段蘇振.變頻器的選型配置與維護技術(shù)[M].北京:中國電力出版社，2010.

[4]戴文進，張景明.電機設(shè)計[M].北京:清華大學出版社，2010.

[5]黃堅，郭中醒.實用電機設(shè)計計算手冊[M].上海:上海科學技術(shù)出版社，2014.

[6]張蔚.內(nèi)置式永磁同步電動機的設(shè)計與分析[D].南京：東南大學，2007.

[7]唐任遠.現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社，2016.

[8]李旭宇,陳鵬飛,陳剛.電動汽車用無刷直流電機協(xié)調(diào)控制研究[J].公路與汽運,2015(3):5-8.

Scheme Design of the Drive Motor System for a Pure Electric Logistic Vehicle

Huang Guoping(Xiamen Fugong Engineering Technology Co.,Ltd,Xiamen 361100，China)

Aiming at the scheme design of the drive motor system of a pure electric logistics vehicle,the configuration scheme of the drive motor system is obtained from the basic parameters and indexes of the pure electric logistics vehicle,the motor design and simulation analysis are carried out.

pure electric logistics vehicles;drive motor system;scheme design

U469.72；U463.63+1

B

1006-3331（2017）05-0019-04

黃國坪(1986-)，男，工程師；主要從事電機系統(tǒng)開發(fā)與應用方面的工作。

修改稿日期:2017-05-31