刘春 四川希望汽车职业学院

一、节能驱动电机产品研发现状

我国从20世纪90年代后期进行新能源汽车节能驱动电机的研发工作，已能自主研发新能源汽车需求的各类电机，但是新能源汽车节能驱动电机产品标准化工程技术与发达国家仍有很大差距，尤其在零部件、材料技术与国际先进水平差距明显。表现在如下几个方面：一是大功率、高效率与产品的小型化问题。当前节能驱动电机系统机电集成度不高，优化设计能力不强；关键零部件、材料高度依赖进口，无法实现优化设计和制造；热能管理和冷却散热系统基础研究不足，存在技术障碍；二是系统可靠性规范不完整。缺少长期可靠性设计和评估规范，系统的可靠性测试不充分；三是关键零件基础研究不足。缺乏对关键零部件所有材料基础性研究不足，自主材料利用率偏低，评估程序标准化研究和主要性能指标体系建立的规范性研究都显得不足，产品的性能数据不健全、不全面；四是节能驱动电机总成成本居高不下。节能驱动电机全产业链部件尚不能自给自足，关键部件依赖进口，成本居高不下；五是节能驱动电机控制系统设计理念和平台与国际先进水平有差距。需要不断加强对节能驱动电机与整车控制系统的协调控制，提升转矩控制的平顺性与舒适性，满足汽车的动力性、经济性、舒适性、安全性；六是节能驱动电机产品标准化研制滞后。节能驱动电机标准化生产和质量控制能力不足，制造工艺水平落后，生产线自动化程度低，导致电机产品可靠性、一致性差。

二、节能驱动电机产品研发标准化原则

节能驱动电机产品研发标准化原则如下：一是流水线、智能化的制作技术。要满足高质量、产品性能一致性要求，确保产品的可靠性、耐久性、标准化生产，满足产业链产品的匹配等要求；二是采用多系统光机电集成策略和方案。电机、减速机、发动机总成或电机与变速器的总成，节能驱动电机总成有利于减少系统的质量、体积，降低系统的制造成本和提高系统的成本和系统的耐用性；三是解决好大功率、高效率与小型化轻量化的矛盾；尤其有关注电机冷却系统的设计，从节能驱动电机内热量的充分排出为考量条件；四是满足电机的可靠性、耐久性以及不同工况环境的适用性。可以从节能驱动电机组成的关键部件与使用材料入手，按照应用要求，科学确定电机产品耐久性、不同工况环境的适应性以及性能技术指标、验证方案等规范。五是节能驱动电机控制器接口与电能变换器之间的电气参数匹配。节能驱动电机的性能参数标准要满足电机控制器的最大转矩、电流控制与恒功率宽调速控制策略，从而提高电机效率、磁性材料利用率，实现电机能力与电能变换器容量在整个运行过程中不同工况的最佳匹配。六是节能驱动电机机械连接端口、汽车传动系统之间的机械联结参数匹配。尤其关注高强度轻量化技术与机械联结参数匹配，确保电力驱动系统的可靠性以及固有频率、动态响应性能。能够科学验证冷热机不同状态的电机结构模态和匹配参数的合理性，能够避开节能驱动电机运行范围内的共振现象；七是保证电机总成系统与整车系统热性能参数匹配。遵循汽车电力驱动系统热能管理总目标和散热需求，需要对节能驱动电机与整车系统的热性能参数进行匹配计算，从而合理确定整车冷却方式、换热系统结构型式和材料的选择。

三、节能驱动电机关键性能指标合理性验证

节能驱动电机各个参量的标值为其以物理量单位表示的实际值与所选定的基准值之比。各参量的基准值界定如下：电压：额定相电压UN/V；电流：额定相电流IN或功电流IW=PNX103/mUN；功率：额定视在功率SN=mUNIN或额定输出功率PNX103；频率：额定频率fN/Hz；阻抗：UN/IN或UN/Iw/Ω。在新能源汽车节能驱动电机总体设计阶段，需要快速判断电机的主要尺寸、线负荷、电流密度、定子铁心齿部磁感应强度、磁轭部磁感应强度等参数设计的合理性和匹配度，这些指标对电机的功率密度、转矩密度有直接的影响，优化设计时必须从力学、热效应等多个方面进行综合对比分析，从而确定最佳设计方案。下面即对节能驱动电机关键性能指标如力能指标、热效应指标、应力指标等几个方面合理性验证提供一些建议：

（一）节能驱动电机驱动能力性能参数分析

电机功率密度包括功率体积密度PVden和功率质量密度PWden。功率体积密度：PVden=PN/Vtal；功率质量密度：PWden=PN/Wtal。其中，PN为电机额定输出功率（W）；Vtal为电机的总体积（m3）；Wtal为电机的总质量（kg）。

电机转矩密度包括转矩体积密度TVden和转矩质量密度TWden。转矩体积密度：TVden=TN/Vtal=PVden/Ω；转矩质量密度：TWden=TN/Wtal=PWden/Ω。其中，TN为电机额定输出转矩（N·m）；Ω为电机转子角速度 （rd/s）。

电机材料利用系数Cw和电机体积利用系数Cv定义：Cw=(PWden/Wtal)Ω；Cv=(PVden/Vtal)Ω。其中，Ω为电机的效率。

（二）节能驱动电机散热性能分析

电机产生热量面密度反应了需要通过电机散热表面单位面积散出的热量，电机冷却系统的设计必须按照热面面密度数值进行。

电机产生热量面密度定义为：Hdiss=Σp/Sdiss，其中，Σp为总损耗（W）；Sdiss为电机散热表面积（m2）。

电机散热表面积定义为：Sdiss=πDosLef，Dos为定子铁心外径（m）。

（三）节能驱动电机的应力分布分析

电机的转子转速会受到向心加速度多产生的机械应力的限制，确定电机运行的最高转速很重要，这会影响到电机运行安全。在电机总体设计时可以将转子等效为厚壁的圆筒来估算相关参数。

转子外圆线速度为：υ=ΩRo，其中，Ro为转子外圆半径（m）。

若以转子外圆半径Ro为基准来表示电机转子内径Ri和任意半径r的相对值,则有定义：

α=Ri/Ro；X= r/Ro。

则电机转子任意半径r处的径向应力和切向应力函数如下：

式中，µ为应力计算点的泊松比；ρ为转子材料的密度（kg/m3）。

节能驱动电机转子最大切向应力产生在转子内圆与转轴的交界处，如下：

交界处材料主要为硅钢片，该材料的力学特性为：ρ=7.8 x 103kg/m3, µ≈0.3，许用切向应力 [σs]<4x108N/m2。

必须要验证转子在极限转速时，转子内圆处的最大切向应力是否在硅钢片的许用切向应力范围内。

四、结论

本文阐述了新能源汽车节能驱动电机产品设计存在的主要问题以及面临的主要挑战，提出了节能驱动电机产品研发总体设计流程和电机关键性能指标如力能指标、热效应指标、应力指标、临界转速等几个方面合理性验证提供一些建议，这为后续建立多物理场计算模型和搭建载荷谱仿真分析平台打下良好基础。为新能源汽车节能驱动电机产品化、工程化研发作了一些探索。