电动汽车驱动电机设计流程-以永磁同步电机为例

电动汽车是以电力驱动系统为基础的车辆，并以蓄电池组、燃料电池组、超级电容组或飞轮组为其相应的动力能源。电力驱动系统主要由驱动电动机、驱动控制器、动力传动等机构组成。那么该如何针对电动汽车设计一款驱动电机呢？

整体设计流程

在确定设计目标后，首先应该掌握整车参数，如下图为某款电动汽车整车参数，然后通过参数进行动力学分析，从而确定驱动电机的主要参数。

某小型客车主要参数

性能指标

评价汽车的动力性，一般从加速时间、最高车速及爬坡能力三个方面入手。本文所设计的电机主要应用于轻型载客车，其行驶工况主要是市区循环工况，在行驶过程中需要面对频繁起停、加速减速、负荷爬坡等不同复杂情况，因而驱动电机的工作区间必须是一个相当宽广的范围区间，而不仅仅是在电机额定点等特殊工作点。选定驱动电机的输出功率时，一般应从保证车辆预期的车速、加速能力及爬坡能力三个方面来选定电机的功率，公式如下：

电动车辆以最大速度在水平道路上行进消耗的功率是

电动车辆以某一给定速度爬上一定坡度消耗的功率是

爬坡消耗功率

电动车辆在水平道路上加速行进消耗的功率是

加速消耗功率

电动车辆的最大功率应该达到车辆对最大车速、爬坡度以及加速度的需求，

因此电动汽车驱动电机的最大功率应为：

电机动力需求

通过计算获得转速及功率达到水平路面最大速度和爬坡状态下最大转矩的要求。

电动车辆在最大速度下在水平道路上行进的最大扭矩为：

最大速度转矩

电动车辆在爬坡状态下最大转矩为

爬坡最大转矩

根据以上公式的计算获得驱动电机的额定转速、最高转速、额定功率、峰值功率、额定转矩、峰值转矩参数。

驱动电机的主要参数

这里要强调的是：最高车速决定峰值转速、额定功率，经济车速决定额定转速、加速性和爬坡决定峰值功率、峰值转矩，额定转矩由公式T=9550P/n决定。这样再去看给出的公式就不会乱，当然公式中迎风面积、滚动阻力系数自己去整车参数上对应数值。

然后就是电磁方案设计和仿真。其机构主要包含定子总成和转子总成。定子包含：定子铁芯片、叠长、线圈绕组参数；转子包含：转子铁芯片、叠长、磁钢大小和数量。

电磁设计方案

定转子结构

在驱动电机本体设计初期，先采用磁路解析法对驱动电机初始结构尺寸的精确变化范围进行合理分析与计算，对减小驱动电机电磁场有限元的计算量，提高驱动电机结构优化设计效率，缩短样机研发周期、降低生产成本等也提供了重要前提，如图所示，为纯电动汽车驱动电机结构设计流程。

电机设计流程

接下来就是电机的仿真及优化，比如建立了永磁同步电机自感及互感系数的数学模型，深入分析了直交轴电感参数两种不同磁场数值计算方法的内在机理，即忽略交叉饱和影响的静态有限元法与考虑交叉饱和影响的冻结磁导率法。转子不带笼型阻尼导驱动用IPMSM带负载起动有限元计算方法，对样机负载饱和磁场进行了准确计算与分析，在此基础上分别采用两种不同有限元法计算了样机不同负载工作点的直交轴电感参数，并采用静态交流实验法对样机直交轴电感参数进行了实验测量，通过实验测试值与两种有限元计算值的对比分析发现，样机静态实测值与忽略交叉饱和影响的静态有限元计算值吻合较好，而考虑交叉饱和影响的冻结磁导率法计算结果更接近于样机不同负载点直交轴电感参数值。

带额定负载起动定子相电流仿真波形

磁力线分布图

在做完电机的初步设计后，需要与厂商制订电机图纸即相关材料的选择，可行性分析如结构测试，散热防水等是否符合要求。

电机结构外形选择

最后就是通过对样机定子电阻、直交轴电感、转子永磁体磁链、空载反电势等重要电机参数的实验测试，同时对样机控制系统硬件、软件、通信接口与数据传输等重要组成部分进行空载实验测试。

电机空载测试

驱动电机的设计是一个很复杂的过程，同时也需要考虑的因素很多，这里只是大概阐述设计的流程，如果想真的自己能够设计一款电机，还需要作更深入的研究。