基于扁銅線(xiàn)繞組的車(chē)用永磁同步電機性能分析

作者簡(jiǎn)介：姚學(xué)松（1987—），男，工程師，碩士，主要從事新能源汽車(chē)電驅動(dòng)系統研究工作。

0   引言

永磁同步電機作為當前電動(dòng)汽車(chē)的核心零部件^[1]，其性能直接影響電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟性及可靠性。目前的永磁同步電機技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，動(dòng)力性、可靠性方面均可滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)的要求。

但對經(jīng)濟性的追求是無(wú)止境的。電動(dòng)汽車(chē)對永磁同步電機的經(jīng)濟性需求主要指以最低的單位成本實(shí)現最高的輸出能力，同時(shí)獲得更高的能量轉換效率。扁銅線(xiàn)繞組（又稱(chēng)發(fā)卡式繞組、Hair-Pin繞組）技術(shù)是當前的熱門(mén)技術(shù)，國內外電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)電機已普遍采用。區別于傳統的圓線(xiàn)電機繞組通過(guò)定子槽口嵌入到定子槽內，扁銅線(xiàn)電機的結構特點(diǎn)為繞組成型后直接從定子端面插入到定子槽內，不受定子槽口尺寸的影響，所以定子繞組的兩端尺寸短，且繞組的槽滿(mǎn)率可以設計得更高。因此，扁銅線(xiàn)繞組電機的端部損耗更低、功率密度更高，從而達到了提高電機效率、降低成本的目的^[2]，符合電動(dòng)汽車(chē)對驅動(dòng)電機的性能需求及經(jīng)濟性需求。

本文基于一款36 kW的電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)用永磁同步電機，將原本的傳統圓銅線(xiàn)繞組永磁同步電機改為扁銅線(xiàn)繞組永磁同步電機，通過(guò)對比分析圓銅線(xiàn)繞組電機和扁銅線(xiàn)繞組電機的性能，并結合電動(dòng)汽車(chē)的NEDC（新歐洲駕駛周期）工況^[3]，分析圓銅線(xiàn)繞組電機和扁銅線(xiàn)繞組電機整車(chē)NEDC工況下的能耗情況，總結扁銅線(xiàn)繞組對電機性能和整車(chē)能耗的提升幅度，為后續的扁銅線(xiàn)電機設計提供一定的參考。

1   電機主要參數模型

電機運轉時(shí)，能量以電磁能的形式通過(guò)定、轉子之間的氣隙進(jìn)行傳遞，對應的功率稱(chēng)為電磁功率，因此電磁功率與電機的主要尺寸密切相關(guān)^[4]，其計算公式可表達為：

式中，D為電機的定子鐵心直徑； l_ef為電機的定子鐵心有效長(cháng)度；P為電機的功率；α_p為極弧系數；K_Nm為氣隙磁場(chǎng)的波形系數； K_dp為電樞繞組系數；A為電流線(xiàn)負荷； B_δ為氣隙磁密。

由式（1）可知，電機功率和轉速一定的前提下，電機的主要尺寸取決于電機電磁負荷A和B_δ的選擇，而在電機體積和最高轉速不變的前提下，電磁負荷設計得越高，電機的輸出功率越大，這樣可以有效提升電機的功率密度。由于扁銅線(xiàn)電機所具有的結構特性，其繞組槽滿(mǎn)率高，繞組端部短，散熱能力強，所以其電流線(xiàn)負荷可以設計得更高，從而實(shí)現功率密度和輸出能力的提升。同時(shí)扁銅線(xiàn)的特性也可以進(jìn)一步降低電機的銅損，實(shí)現電機效率的提升。

2   性能分析

2.1 圓銅線(xiàn)電機性能分析

原車(chē)使用的圓銅線(xiàn)電機主要性能參數見(jiàn)表1，其是一款電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)用永磁同步電機，峰值功率36 kW、峰值扭矩120 N·m、最高轉速7 500 r·min-1，電壓平臺345 Vdc。

表1 圓銅線(xiàn)電機標稱(chēng)性能參數

測功機實(shí)測的圓銅線(xiàn)電機的外特性曲線(xiàn)如圖1所示，圖1(a)為圓銅線(xiàn)電機的峰值扭矩曲線(xiàn)，圖1(b)為圓銅線(xiàn)電機的峰值功率曲線(xiàn)。實(shí)測的電機峰值功率約為33 kW，峰值扭矩為120 N·m，因測功系統和冷卻條件可能存在誤差，峰值功率與標稱(chēng)功率存在約8%的差異。

(a)轉矩曲線(xiàn)

(b)功率曲線(xiàn)

圖1 圓銅線(xiàn)電機外特性曲線(xiàn)

圖2所示為圓銅線(xiàn)電機的實(shí)測效率MAP圖，圖中上半部分為電機運行于第一象限中的電動(dòng)工況，下半部分為電機運行于第四象限的發(fā)電工況。全轉速全扭矩段范圍內，其中效率超過(guò)80%的高效區域占比為87.5%，效率超過(guò)90%的超高效區域占比為51.3%，電機的平均效率為87.7%，最高效率為93.9%。

圖2 圓銅線(xiàn)電機效率MAP圖

2.2 扁銅線(xiàn)電機性能分析

本文基于上述圓銅線(xiàn)電機，在保證電機體積不變的前提下，對電機進(jìn)行重新設計，定子繞組改用扁銅線(xiàn)，制作完成的樣件如圖3所示。對樣件進(jìn)行性能測試，改為扁銅線(xiàn)后，電機的峰值功率可達到46 kW，峰值扭矩達到127 N·m，峰值功率提升39%，峰值扭矩提升6%。測試的扁銅線(xiàn)電機外特性曲線(xiàn)如圖4所示，圖4(a)為扁銅線(xiàn)電機的峰值扭矩曲線(xiàn)，圖4(b)為扁銅線(xiàn)電機的峰值功率曲線(xiàn)。

圖3 扁銅線(xiàn)電機定子

(a)轉矩曲線(xiàn)

(b)功率曲線(xiàn)

圖4 扁銅線(xiàn)電機外特性曲線(xiàn)

圖5所示為扁銅線(xiàn)樣機的實(shí)測效率MAP圖，全轉速全扭矩段范圍內，其中效率超過(guò)80%的高效區域占比為94.3%，效率超過(guò)90%的超高效區域占比為69.3%，電機的平均效率為90.4%，最高效率為95.4%。在電動(dòng)工況和發(fā)電工況下，整體效率均有明顯的提升。

圖5 扁銅線(xiàn)電機效率MAP圖

表2所示為圓銅線(xiàn)電機和扁銅線(xiàn)電機的實(shí)測性能數據對比，在電機體積不變的前提下，電機繞組由圓銅線(xiàn)改為扁銅線(xiàn)后，通過(guò)樣件的對比測試分析，電機的功率密度、效率均有較大的提升，符合電動(dòng)汽車(chē)對驅動(dòng)電機性能的需求。

2.3 整車(chē)NEDC工況下性能分析

NEDC工況是歐洲的汽車(chē)續航測試標準，我國的電動(dòng)汽車(chē)綜合續航里程測試也采用了NEDC測試標準^[5]。如圖6所示，NEDC循環(huán)工況由4個(gè)市區循環(huán)①和1個(gè)郊區循環(huán)②組成。

表2 圓銅線(xiàn)電機與扁銅線(xiàn)電機性能對比

圖6 NEDC循環(huán)工況

在NEDC循環(huán)工況中，存在停車(chē)工況和剎車(chē)減速工況，此2種工況分別對應電機的轉速為0和扭矩為0，此時(shí)電機不做功，對應的效率也為0，本文主要分析NEDC循環(huán)工況下的電機效率，固對上述電機不做功的點(diǎn)進(jìn)行篩除，僅分析電機有功率輸出時(shí)的工作點(diǎn)。根據車(chē)型參數通過(guò)軟件將圖6中的NEDC工作點(diǎn)分解為對應的驅動(dòng)電機轉速和扭矩，得到該款車(chē)型NEDC工況下的驅動(dòng)電機轉速和扭矩分布圖，如圖7所示。

圖7 NEDC工況下電機轉速、扭矩分布

根據圖7得到的NEDC工況下電機的工作點(diǎn)分布，結合圖2圓銅線(xiàn)電機效率MAP和圖5扁銅線(xiàn)電機效率MAP，利用Matlab軟件進(jìn)行插值計算，得到NEDC工況下圓銅線(xiàn)電機和扁銅線(xiàn)電機所有工作點(diǎn)的效率，如圖8所示。由圖可見(jiàn)，扁銅線(xiàn)電機NEDC工況下的效率明顯優(yōu)于圓銅線(xiàn)電機，特別是當電機工作在5 500 r·min-1之后的高轉速段時(shí)，即整車(chē)高速行駛時(shí)，電機效率大幅提升。NEDC工況下圓銅線(xiàn)電機的平均效率為88.4%，扁銅線(xiàn)電機的平均效率為90.4%，提升2%。NEDC工況下電機轉速在5 500 r·min-1之后，即整車(chē)車(chē)速大于80 km/h時(shí)，圓銅線(xiàn)電機的平均效率為88.5%，扁銅線(xiàn)電機的平均效率為94.2%，提升達到5.7%。

3   結論

本文基于一款36 kW的電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)用永磁同步電機進(jìn)行分析，在原車(chē)搭載的圓銅線(xiàn)電機基礎上保證電機體積不變的前提下，對電機進(jìn)行重新設計，將圓銅線(xiàn)繞組改為扁銅線(xiàn)繞組，并分別進(jìn)行性能對比測試和分析，得出如下結論。

圖8 NEDC工況下電機效率對比

1）扁銅線(xiàn)電機較圓銅線(xiàn)電機功率密度和扭矩密度均有提升，其中峰值功率提升約39%，峰值扭矩提升約6%。

2）扁銅線(xiàn)電機較圓銅線(xiàn)電機效率有明顯提升，其中平均效率提升2.5%，最高效率提升1.7%，同時(shí)高效率區的面積也大幅提升，其中效率超過(guò)80%的高效率區占比提升6.8%，效率超過(guò)90%的超高效率區占比提升18%。

3）整車(chē)NEDC工況下的電機運行效率有明顯改善，其中NEDC工況下的平均效率提升2%，車(chē)速大于80 km/h的高速行駛工況下的平均效率提升達到5.7%。

參考文獻：

[1] 姜華.扁銅線(xiàn)電機交流損耗的計算方法[J].微特電機, 2019,47(12):32-34.

[2] 韓守亮,馮勇敢,楊思雨,等.高效扁銅線(xiàn)繞組電機設計優(yōu)化[C].第十五屆河南省汽車(chē)工程科技學(xué)術(shù)研討會(huì )論文集, 2018.

[3] 姚學(xué)松,沙文瀚,杭孟荀,等.NEDC工況下電動(dòng)汽車(chē)雙電機驅動(dòng)系統能耗分析[J].寧夏工程技術(shù), 2018,17(3):235-238.

[4] 陳世坤.電機設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000.

[5] 王淑旺,劉健,馬志林,等.基于NEDC的純電動(dòng)汽車(chē)兩擋變速器傳動(dòng)比設計[J].機械傳動(dòng),2020,40(1):79-83.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年9月期）