新能源汽车用高功率密度驱动电机设计方法要点.pdf

新能源汽车用高功率密度驱动电机研究

大量研究表明，汽车能量损耗与汽车质量成正比关系，汽车轻量化是降低新能源汽车能量损

耗，提高行驶里程的重要手段。新能源纯电动汽车驱动系统通常占汽车总质量的30%-40%，

驱动系统的轻量化是整车轻量化的重点之一。汽车驱动电机是新能源汽车的核心驱动部件，需

要在有限的布置空间内，满足汽车各个工况的动力性要求，因此在更小的空间内，设计高效、

安全、可靠的高功率密度电机，是实现电机轻量化，降低汽车能量损耗，需要解决的重点问

题。

电机功率密度的提高一般采用两用途径：1）提高电机转矩密度；2）电机高速化，从这两种途

径出发，本文针对电机设计过程中定转子结构设计、电机材料选择、电机损耗与温升以及电机

振动噪声，四个方面对实现电机轻量化，提高电机功率密度和体积密度，进行分析。

1电机结构设计

1.1车用驱动电机设计流程

电动汽车性能的优劣，取决于核心部件驱动电机是电动汽车的设计。电动汽车驱动电机

的研究是电动汽车研究领域最重要的方向之一。

电动汽车对电机的性能要求是：基速以下具有恒转矩特性和较高的转矩过载倍数，以适

应快速起动、加速、负荷爬坡、频繁起停等要求；基速以上具有宽范围的恒功率特性和较大的

弱磁扩速比，以适应最高车速和超车等要求；在大部分运行范围内效率最优化，以节约能源。

车用新能源驱动电机设计具有整车预留布置空间小，工作环境极其恶劣的特点，在新能

源电动轿车设计中该特点表现尤为明显。传统的稳态电机设计方法难以满足电动汽车驱动电机

的复杂要求，不能很好地显示出电动汽车驱动电机的特点。因此，在车用驱动电机设计中应该

充分考虑过载倍数、弱磁扩速比、高效区等电动汽车驱动电机的特征设计参数，针对电动汽车

的不同运行工况对电机设计所带来的影响进行分析和优化。

另外，在新能源轿车用驱动电机设计中，还应该按照图1所示的设计流程进行驱动电机

设计。根据永磁同步电动机（PMSM）的性能要求，首先借助于设计软件对电机的几何形状、

尺寸及材料选择进行初始设计得到设计参数，通过有限元方法进行性能预测计算。性能预测计

算、性能评估和参数设计之间需要反复重新计算直到找到最优设计，最后通过样机实验对驱动

电机设计结果进行分析和验证。

图1.永磁同步电机设计流程

1.2电机定子结构设计

1）长径比选择

在电机设计过程中，随着电机长径比的增加，体积增大，转子体积不变，转子转

动惯量降低，电机用铜量增加。由于整车设计中驱动电机布置空间有限，在满足

整车空间布局的条件下，综合电机控制系统对电机转动响应时间的要求，合理选

择电机长径比，提高电机功率密度。

在电机设计输入条件下，定子铁芯外径与电机铁芯长度之间的关系曲线如图2所

示；电机转子外径与电机铁芯长度之间的关系曲线如图3所示；电机体积与电机

铁芯长度之间的关系曲线如图4所示；电机每槽有效体积与电机铁芯长度关系曲

线如图5所示。

图2.电机外径与电机铁芯长度关系曲线

图3.电机定子内径与电机铁芯长度关系曲线

图4.电机体积与电机铁芯长度关系曲线

图5.电机每槽有效体积与电机铁芯长度关系曲线

在整车设计过程中，永磁同步电机预留布置空间尺寸为：，为减小电机用铜量，

降低电机成本，降低电机体积，同时考虑电机转子动态响应效果，电机定子外径

设计为：235mm，铁芯长度为160mm，定子内径为160mm。

2）极对数选择

在电机槽极比不变的情况下，随着电机极对数的增加，电机定子铁芯轭部用铁量

减小，电机体积减小，并由于定子绝缘材料的增加，电机体积减小速度逐渐下

降，永磁同步电机定子外径与电机极对数之间的关系曲线，如图6所示。

图6.电机定子外径与电机极对数关系曲线

另外，随着电机极对数的增加，电机输入电流频率增加，电机铁耗增加，效率降

低，同时提高了对电机控制系统和电机散热系统的要求，在高速电机设计中，电

机极对数一般选择较小。根据控制系统硬件设计和电机温升系统仿真以及样机实

验的基础上，在控制器输出频率、电机温升限值、效率允许范围内，合理选择电

机极对数，能够适当提高电机功率密度。

从图6中，可以看到在电机极对数小于5时，电机定子外径随电机极对数变化剧

烈，而在极对数大于5之后，定子外径变化缓慢，由于电机采用高速低转矩设

计，为满足控制系统有效电流输出频率，