以PriusIII驱动电机为例，研究一下48槽8极永磁同步电机

pat

这个想法由来已久，因为目前主流的EV， HEV如prius I, II, III代驱动电机，日产Leaf，以及新版雅阁，都采用了48槽8极的PMSM，这里不妨以Prius III的电机为例，好好研究一下该电机的性能与特点，推而广之，对这种或者主流的电动车用电机就会有深刻的体会了。

感谢之前龍が如く发的讨论帖《以第三代TOYOTA Prius为例，讨论电动汽车驱动系统》： https://bbs.simol.cn/thread-33596-1-2.html
很多原材料和基本信息都在这里了，我就从这些信息里面梳理，仿真，分析吧，力争在新年初的这个月里面做点贡献！

电机的基本信息见橡树岭的报告，主要参数性能摘录如下：

电动无限

很多汽车驱动电机采用的每极每相槽数q=2，尤其以48槽8极为多，从各厂家的选择看，这个极槽配合比较适合汽车驱动电机。

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新能源汽车电机这个槽极配合算是经典配合了！
大家现在拼的都是制造工艺和细微的产品优化！

pat

从ORNL的结果看，这个电机的功率为60kW，电池电压为201.6V，经过boost电路将DC电压提升到650V。
电机最高转速13500rpm。 对转子来说是个挑战，尤其是离心力影响和轴承冷却。


上面说电机的转矩为205Nm，参照这个图，如果用MTPA算法，电机最大电流应该为250A，交流值基本上175Arms。

电动无限

电机最高转速13500rpm不算很高，转子磁桥要分析设计的好的话，问题不大。THS电机内部油冷（外部水冷），电机轴承用变速箱油来润滑和冷却要比水冷电机轴承要好的多。水冷却电机的轴承是脂润滑的密封轴承，这种轴承的极限转速要比油润滑的开式轴承低很多。

pat

参考前面报告中所给的电机尺寸，基于Ansoft Maxwell 2D建立了一个模型，硅钢片、磁钢等材料参考那个经典的培训资料。这里就不赘述了。
值得一提的是，该与前两代电机相比，该电机绕组改成了双层短距绕组（τ=5/6），根据交流电机绕组理论，这样可以有效消除5，7次谐波，但对下线工艺和成本来说更复杂了。

所建模型和网格划分如下：

其中灰色为硅钢片，假设蓝色磁钢为N极。绕组分别用蓝、红、绿色表示A、B、C相。（个人习惯而已）
根据多年使用软件的经验，网格划分的好坏直接决定了计算速度和结果好坏，好多初学者反应Ansoft网格剖分很烂。其实不然，Ansoft网格划分自有其独到之处。对于动态计算，可以继承静态场自适应划分的结果，但有时候网格数较多，影响计算速度。
最佳的方法是自己手动划分，在磁钢和转子表面等磁场变化较大的地方最后剖密一些。


尤其对于气隙，因为是运动边界，最后都剖几层，可参考关于prius电机培训文档中关于cogging torque计算的那一章。这里就不花太多时间讲了。
只说一点：最后band边界上节点数是旋转步长的整数倍。比如本例中设定转速10000rpm，时间步长为0.0125ms，每个步长为0.75°，刚好每转10步为一个cogging torque周期。


设定仿真时长0.75ms，则刚好转子转过一极，理论上cogging torque波动6个周期。cogging torque最大值1.15Nm左右，明显是经过优化的结果。

三相反电势结果，齿槽谐波很明显，峰值接近600V。

三相电感和自感，可以看到，其实不是正弦的，所以我们看到的电机动态理论中把三相电感看成恒定值+二次正弦波是理想化的结果，实际上考虑饱和等因素更复杂，所以好的矢量控制是需要标定不同工作点的电感值的。

pat

不太喜欢Ansoft后处理界面，所以可以导出数据自己处理。以前面的反电势和cogging torque为例，自己画图并补全另一半周期，同时算出线-线值，分别作FFT分解，结果如下：

可以看到，因为采用短距，所以5、7次谐波没有了，而通过Y-连接，相反应电势中3k(k=1,2,3...)次谐波也没有了。


相反应电动势的谐波总量为13%，而线反应电动势仅仅为4%。

pat

再看看负载情况，假设线电流为150Arms，按照MTPA，电流角一般为-40°。算下来结果如下：

平均转矩207Nm，基本上就是Prius III的峰值扭矩，而此时转矩波动只有13.8Nm，对于不斜槽的电机来说是很小的。

再看看这时候的电感，无论数值还是波形都跟开路不一样了。所以说永磁电机的非线性很强，简单地用理想数学模型是存在很大局限性的。

张老五

能否从总体上介绍一下，为什么是8极？然后为什么是48槽，不是54槽，不是36槽，不是72槽？

dddjjjyyy888

楼主，能否附上电机的各部分磁路的磁密分布情况图。谢谢！{:soso_e183:}

zengxiaodong

pat 发表于 2015-3-3 21:57
再看看负载情况，假设线电流为150Arms，按照MTPA，电流角一般为-40°。算下来结果如下：

平均转矩207Nm ...

请给出详细的数据，我用Ansys Emag计算一下。

pat

zengxiaodong 发表于 2015-3-4 20:39
请给出详细的数据，我用Ansys Emag计算一下。

可以把不同电流，不同控制角都仿一下。利用Ansoft的optimetrics很方便。比如这里我将电流从25A~250A，0~-90°都算一下。
后处理可以看到不同电流，不同控制角对应的转矩及转矩波动范围。如果对感兴趣的点，也可以拷出数据做傅里叶分析，看看转矩波动阶次。这个是产生噪音的一个来源。

pat

上面的结果很让人崩溃，这也是我不喜欢Maxwell后处理界面的原因，所以只好把数据导出来自己处理。这样就能看到不同电流下在不同控制角度对应的转矩及波动情况了。






总结一下所有点的平均转矩和波动水平，见下表。


绘出特性曲线，就可以看出在用多大电流，如何控制可以产生最大转矩了。


这个电机最大的优点就是100Nm（正常工作情况）电机的转矩波动很小，想必丰田是费了一番心思的。

pat

dddjjjyyy888 发表于 2015-3-4 15:46
楼主，能否附上电机的各部分磁路的磁密分布情况图。谢谢！

看磁密没有意义。永磁电机必然有地方高度饱和。
比如下图是200Arms，-50°的结果

pat

张老五 发表于 2015-3-4 09:00
能否从总体上介绍一下，为什么是8极？然后为什么是48槽，不是54槽，不是36槽，不是72槽？

这个学问就多了，不是三言两语能说完的。
如果是8对极配54,36槽，每极每相槽数为分数，磁阻转矩不够大。不利于提高电机转矩密度。
72配8倒是可以，但是这样的尺寸槽数太多下线困难，增加制造成本。

张老五

pat 发表于 2015-3-4 23:43
这个学问就多了，不是三言两语能说完的。
如果是8对极配54,36槽，每极每相槽数为分数，磁阻转矩不够大。 ...

其实槽数不难理解，既然已经选择了8极，那24槽太少，72槽太多，42或54槽是分数槽，下线比较麻烦，所以选48槽是很正常的
那，为啥是8极，为啥不是6极或10极呢？8极是最优的方案么？

沙隆巴斯

有个问题，用电流当激励源，那么最大电流是如何确定的？200A或者250A是一定就能达到的吗？

电动无限

最大电流是控制器容量决定的，需要和控制器联合设计。

pat

沙隆巴斯 发表于 2015-3-5 15:15
有个问题，用电流当激励源，那么最大电流是如何确定的？200A或者250A是一定就能达到的吗？

楼下说的对，对于单个电机可以不考虑电流，算出不同电流和控制角下的特性，配不用的控制器就出不同的性能。

pat

注意6楼图中转子表面处的小凹槽，这个凹槽可不是随便开的。有了这个凹槽电机的电磁性能得到了全面优化。

首先反电势变了，谐波会变大。



另外转矩波动普遍变小。


以200A的仿真结果为例，波动幅值明显增大，波形也变了。