某款纯电动客车驱动电机设计及仿真分析

纯电动汽车与传统内燃机汽车相比有明显的优点，如低能耗、零排放、高效率、低噪声、运行平稳等[1]。本文根据某款7m城市客车性能指标要求，设计以锂电池为储能的纯电驱动方案，并根据系统配置架构对永磁同步电机进行合理参数匹配及其方案设计，以满足城市客车的使用需求。

1驱动电机系统参数匹配

1.1整车基本参数

某款7m纯电动城市客车的基本参数及性能要求如下：整备质量m为5500kg，满载质量M为8000kg，滚动阻力系数f为0.014，轮胎滚动半径r为369mm，风阻系数C D为0.5，迎风面积A为5.3m2，旋转质量换算系数δ为1.07，后桥主减速比i0为4.46，传动效率ηt为0.9，最高车速u max为80km/h，常规车速u0为40km/h，最大爬坡度α为12%（爬坡车速为30km/h），车辆半载加速时间t≤20s（0~50km/h）。

1.2动力系统参数匹配

本文设计的整车动力系统不设置变速器，采用驱动电机与传动轴通过法兰连接驱动车辆运行，电池组通过电机控制器控制驱动电机。汽车在行驶过程中，驱动电机转矩根据汽车行驶方程式（1）计算[2]，驱动电机功率根据电机特性方程式（2）计算[3]，电机转速与车速的换算根据式（3）计算。

T m i g i0ηT

r=Gf cosα+

C D Au2

a+G sinα+δm du dt（1）T m=9550P m/n（2）u a=0.377rn/i0（3）式中：T m为电机转矩，P m为电机功率，n为电机转速，u a 为车速。

由式（3）计算，车辆在平路、常规车速40km/h状态下的电机转速n约为1290r/min，即为电机额定转速；车辆在平路、最高车速80km/h状态下的电机转速n约为2570r/min，即为电机最高工作转速；车辆在12%爬坡度、爬坡车速30km/h状态下的电机转速n约为960 r/min，即为爬坡时电机工作转速。由式（1）和式（2）计算，车辆在平路、最高车速80km/h状态下所需电机功率约为47kW，即为电机额定功率；由式（2）计算，车辆在常规车速40km/h状态下所需的电机转矩约为348N·m，即为电机额定转矩。爬坡车速30km/h、最大爬坡度12%状态下所需电机转矩约为970N·m，即为电机峰值转矩；爬坡车速30km/h、最大爬坡度12%状态下所需电机

某款纯电动客车驱动电机设计及仿真分析

张德平

（厦门市福工动力技术有限公司，福建厦门361100）

摘要:针对某款纯电动城市客车的整车性能参数进行永磁同步电机的匹配设计,对永磁同步电机进行静、动态仿真分析,并给出直轴与交轴电枢反应电感和电磁转矩的计算结果。

关键词:纯电动客车;驱动电机;匹配设计;仿真分析

中图分类号：U464.142+.1文献标志码：B文章编号：1006-3331（2017）06-0009-04 Design and Simulation Analysis of Driving Motor for a Pure Electric Bus

Zhang Deping

（Xiamen Fugong EV Tech Co.,Ltd,Xiamen361100,China）

Abstract：Aiming at the vehicle performance parameters of a pure electric bus,the author matches and designs the permanent magnet synchronous motor,carries out the static and dynamic simulation analysis of the permanent magnet synchronous motor,and gives the calculation results of the direct axis and quadrature axis armature reaction inductance and the electromagnetic torque.

Key words:pure electric bus;drive motor;matching design;simulation analysis

作者简介:张德平（1985-），男；主要从事商用车混合动力系统、纯电动系统的研究工作。

2017年12月客车技术与研究

功率约为98kW，即为电机峰值功率。车辆半载状态下0~50km/h加速时间为20s所需的电机功率约为97 kW，所需电机转矩约为579N·m。

由于城市电动客车要求驱动电机在基速以下具有大转矩以适应快速启动、加速、负荷、爬坡、频繁起停等要求；在基速以上具有小转矩、恒功率、较宽的调速范围；驱动电机在基速状态应有较高的效率，即电机高效区应在额定转速附近。城市客车上拥有完善的水冷系统，驱动电机可以采用水冷系统，从而降低电机的工作温度，使电机处于良好的运行状态。本文根据以上计算，设计的永磁同步电机输出参数如下：额定功率为50 kW，峰值功率为100kW，额定转矩为367N·m，峰值转矩为995N·m，额定转速为1300r/min，峰值转速为2 600r/min，额定电流为128A，峰值电流为350A，额定效率不小于94%，电池电压为540VDC，冷却方式为水冷。

2永磁同步电机设计及仿真

2.1永磁同步电动机控制原理

变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环控制系统便构成自同步永磁同步电动机，而反电动势波形和供电电流波形都是正弦波的电动机称为正弦波永磁同步电动机。目前，永磁同步电动机调速系统仍多采用矢量控制。矢量控制实际上是对电动机定子电流矢量相位和幅值的控制，当永磁体励磁磁链和直、交轴电感确定后，电动机的转矩便取决于定子电流的空间矢量I s，而I s的大小和相位又取决于直轴电流I d和交轴电流I q，也就是说控制了I d和I q便可以控制电动机的转矩。一定的转速和转矩对应一定的I d和I q，通过对这两个电流的控制，便实现了电动机转矩和转速的控制[4]。

分析正弦波控制的调速永磁同步电动机最常用的方法就是dq轴数学模型，它不仅可以分析稳态运行性能，也可以分析动态性能。电动机的dq轴系统中各量间的联系可以根据派克变换方程实现，变换得到dq坐标系下的永磁同步电动机数学模型[5]。

2.2永磁同步电动机基本结构

本文驱动电机系统采用内置式永磁同步电动机，其定子与普通感应电动机相似，采用分布及短距的三相对称定子绕组，以得到接近正弦的相电动势，采用定子斜槽等措施以降低齿槽转矩、振动和噪声。对于内置式永磁同步电动机，直轴磁阻大于交轴磁阻，因此直轴电感L d应小于交轴电感L q，表现出凸极电机的性质[6]。

电机的主要尺寸是电枢直径D i1和电枢长度L eff，其基本关系式如下[7]：

D2

il

L eff=6.1P’/（αABδn）（4）式中：P’为计算功率，对应额定功率设计值为54kW；α为计算极弧系数，取0.86；A为电负荷，对应额定电流设计值为260A/cm，Bδ为气隙磁密基波幅值，取1.3T，n为额定转速1300r/min。从式（4）计算得到D il2L eff约为8 717cm3。然后根据经验选取一定的主要尺寸比L eff/τ（τ为极距，设计值取7.065cm），即可计算出电机主要尺寸D il为18cm，L eff为27cm。

本文设计的永磁同步电动机定子采用半开口梨型槽，定子绕组采用短距、双层、Y型绕组，定子、转子冲片采用35W310。转子结构采用内置磁钢“V”型结构，有利于减少电机的整体尺寸，有效提高电机的弱磁扩速能力，永磁体采用N35UH。通过式（4）初步计算电机的主要尺寸，并且对原始模型电机进行反复调整，确定满足性能要求的电机定子、转子、以及轴等各部分的几何尺寸如下[8]：电枢直径D i1即定子内径为180mm，定子外径D为260mm；电枢长度L eff即定子、转子长度为270mm；转子内径为75mm，转子外径为178mm；电机极对数为4；定子槽数为48，节距为5，每槽导体数为14，绕组导体线规为

mm，并绕根数为12。

2.3永磁同步电机仿真分析

2.3.1静态仿真分析

1）空载有限元分析，包括空载磁场分析和空载反电动势。

空载磁场分析。永磁同步电机空载磁场是定子三相绕组中不通入电流，仅由永磁体作用产生。空载磁密云图如图1所示，空载磁力线分布如图2所示。大部分磁力线都源自永磁体，经过气隙到达定子铁芯，其中部分定子齿和隔磁磁桥部位的磁密明显大于其余各处的磁密。

图1空载磁密云图

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