电动汽车用分裂绕组永磁同步电机设计 _电动汽车

设计了一款新型纯电动物流车用驱动电机，定子采用分裂绕组形式，电机在低速区域工作时绕组全部接入，电机在高速区域工作时绕组部分接入，以替代机械式两档变速箱，拓宽电机高效率工作区域。
解决电动汽车续航里程问题，一方面要从储能电池入手，研制高储能的电芯和电池管理系统，另一方面要从电驱系统方面入手，研制高效节能的电机和电控系统。本文主要研究电机的高效节能性，以一款200 kW永磁同步电机为例，探讨分裂绕组定子和交直轴电感优化对电机高效率特性的贡献。
永磁同步电机转子上没有铜耗，相对于异步电机效率较高，电动汽车厂家在电驱系统中越来越倾向于使用永磁同步电机。传统电机定子绕组为固定匝数，因为电机感应电动势和转速成正比，所以永磁电机在高速时必须进行弱磁控制，以免感应电势过高击穿开关器件，即永磁电机在高速时有相当一部分电流是起到反向弱磁功能，并不提供转矩，该部分弱磁电流在定子中同样存在铜耗。
为了解决这一问题，部分厂商采用两档变速箱的结构，在车辆高速行驶时用切换齿轮的方法降低电机转速，以此来降低电机的感应电动势，但该结构增加了变速箱后电驱系统的体积和成本。本文采用分裂绕组的定子结构，从根本上解决永磁同步电机宽转速运行的弱磁问题，电机定子绕组分段引出，在低速区域运行时绕组全部接入工作，保证电机恒转矩输出；在高速区域运行时绕组部分接入工作，定子磁链减小，所需弱磁电流降低，保证电机恒功率输出。
1 动力匹配及电机性能
1.1 计算电机外特性曲线
本文所研究的永磁同步电机拟用作物流车的驱动电机，物流车相关动力需求参数如表1所示。
表1 电动物流车动力需求参数

文章插图

物流车最大需求功率出现在满载时的爬坡路段，根据最大爬坡功率计算式[4]：

文章插图

(1)
计算爬坡路段所需驱动电机峰值功率Pr=150 kW ，计算爬坡时电机转速

文章插图

3 650 r/min ，再由公式：

文章插图

(2)
计算电机恒转矩段峰值转矩T=392 N·m,取T=400 N·m 。
电机低速段工作在恒转矩区域，高速段工作在恒功率区域，绘制电机需求外特性曲线如图1所示。

文章插图

图1 电动物流车需求电机外特性
1.2 计算电机参数
首先用解析法根据永磁同步电机所需功率和转矩确定电机的大致尺寸，有经验公式[3]：

文章插图

(3)
式中：T为电机输出转矩；暂取电机输出效率η=96%；电枢绕组系数kw=0.92 ，水冷电机电负荷A=50 kA/m ，磁负荷B=0.8 T ，根据车辆底盘安装空间估算电机的有效长度le=0.15 m 。
根据需求T=400 N·m ，计算定子内径Dsi=0.22 m 。
取定子裂比0.66 ，定子外径Dso=330 mm 。
根据公式: