电动汽车用永磁同步轮毂电机的设计及分析

摘 要

作为清洁能源汽车，电动汽车具有高能效，低噪音和零排放，成为世界新能源汽车发展的主要方向。而对于永磁同步电动机，其结构简单，运行效率高，功率密度高，调速性能优良，符合电动汽车用电动机的要求。因此，它在汽车工业中受到很多关注，并已广泛应用于电动汽车领域。本文在有限元分析的基础上，采用场路结合的设计方法进行了电动汽车用永磁同步轮毂电机的设计和运行特性分析。分析磁路结构参数变化对电机性能的影响，开发出适用于电动汽车的高效率、高功率密度、高过载能力的驱动电机，并由此总结了适用于电动汽车驱动的永磁同步电动机的设计方法，为后续系列产品的开发奠定了基础。本文的主要研究工作有以下几个部分：

根据电动汽车发展的关键技术，结合电动汽车的特殊运行条件和动力驱动特性，分析各种电动机性能的优缺点。本文选择内置永磁同步电动机作为研究对象，通过对其结构特点和工作原理的分析，确定设计任务目标，使设计突出电动汽车驱动电机的特性。

以有限元软件为基础，依据电机学和相关电磁场理论，本文采用场路结合设计方法，确定了电机的设计方案，进行了电机主要尺寸设计、绕组方案确定、极槽配合选择、永磁体参数计算、永磁体充磁方向分析、气隙长度的设计等工作，完成样机的初步设计方案；然后根据电机电磁设计方案，建立有限元求解模型，对电机进行有限元分析计算，主要是对电机的空载、负载及过载工况进行仿真，并在此基础上研究电机的磁场分布、气隙磁密、空载反电动势、齿槽转矩、转矩转速以及永磁体涡流损耗等；研究相关结构的参数变化对电机的影响；从转子结构方面分析电机的弱磁扩速性能；为保证所设计的电机结构在运行时能够满足实际工况的机械强度需求，还对电机进行机械结构仿真，确保电机的各部分的应力能够满足所用材料的屈服强度的要求，保证电机的稳定运行。

最后依据设计结果制作了额定功率8.5kW、额定转速650r/min的样机，对样机的性能进行试验测试，测试结果表明样机具有较大的过载倍数和高效运行区域，达到预期设计目标。

关键词：电动汽车，永磁同步轮毂电机，电机设计，机械强度，有限元分析

I

ABSTRACT

As a clean energy vehicle, electric vehicle has become the important direction of

the development of new energy vehicles in the world because of its high energy

efficiency, low noise and zero emissions. Permanent magnet synchronous motor

(PMSM) has attracted wide attention in the motor industry because of its simple

structure, high efficiency, high power density and excellent speed control performance.

It has also been widely used in the field of electric vehicles. Based on the application

of finite element analysis and field-circuit combination design method, this paper

analyzes the design and operation characteristics of permanent magnet synchronous

hub motor for electric vehicles, analyzes the influence of magnetic circuit structure

parameters on the performance of the motor, and develops a high efficiency, high

power density, high overload multiple drive electricity suitable for electric vehicles.

The design method of permanent magnet synchronous motor for electric vehicle is

summarized, which lays the foundation for the later development of series products.

The main research work of this paper is as follows:

According to the key technology of the development of electric vehicles and

combing with the special operating conditions and driving characteristics of electric

vehicles, this paper chooses interior permanent magnet synchronous motor as the

research object. And through the analysis of its structure characteristics and working

principle, this paper determines the design task objectives in order to making motor

suitable for the electric vehicles.

Based on the finite element software and electromechanics and related

electromagnetic field theory, this paper uses the field-circuit design method to

determine the design scheme of the motor. In this paper, the preliminary design of the

prototype is completed, including the main size design of the motor, winding scheme

determination, pole-slot matching selection, permanent magnet parameter calculation,

permanent magnet magnetization direction analysis, air gap length design and so on.

Then according to the electromagnetic design scheme of the motor, the finite element

solution model is established, and the finite element analysis and calculation of the

motor are carried out, including the simulation of no-load, load and overload

conditions. And based on the simulation, magnetic field distribution, air gap magnetic

density, no-load back EMF, cogging torque, torque speed and permanent magnet eddy

III

current loss are analyzed. This paper also studies the influence of the structure

parameters of the motor on the motor, and analyzes the performance of the motor

from the rotor structure. In order to ensure that the designed motor structure can meet

the actual operating conditions of the mechanical strength requirements, this paper

also carries out the mechanical structure simulation of the motor to ensure that the

stress of the various parts of the motor can meet the yield strength requirements of the

materials to ensure the stable operation of the motor.

Finally, a prototype with rated power of 8.5 kW and rated speed of 650 r/min is

made. The performance of the prototype is tested. The test results show that the

prototype has a large overload multiple and high efficiency operation area, and

achieves the expected design goals.

KEY WORDS:

Electric vehicle, Permanent magnet synchronous in-wheel motor,

Motor design, Mechanical strength, Finite element analysis

IV

目 录

第1章 绪论 ................................................................................................................. 1

1.1 论文的研究背景及选题意义 ................................................................................... 1

1.2 电动汽车驱动方式及特点 ....................................................................................... 2

1.3 轮毂电机的两种驱动方式 ....................................................................................... 3

1.4不同种类轮毂电机的技术特点 ................................................................................ 4

1.5国内外轮毂电机发展现状与发展方向 .................................................................... 6

1.5.1国外轮毂电机研究现状 ................................................................................ 6

1.5.2国内轮毂电机研究现状 ................................................................................ 8

1.5.3轮毂电机技术发展方向 ................................................................................ 9

1.6本文主要研究内容 .................................................................................................... 9

第2章 电动汽车用永磁同步轮毂电机原理及关键技术 ....................................... 11

2.1永磁同步电机工作原理 .......................................................................................... 11

2.2永磁同步电机数学模型 .......................................................................................... 13

2.3外转子轮毂电机磁路结构分析 .............................................................................. 15

2.3.1表贴式磁路结构 .......................................................................................... 15

2.3.2内置式磁路结构 .......................................................................................... 16

2.3.3磁路结构的选择 .......................................................................................... 16

2.4轮毂电机设计研究的关键点 .................................................................................. 16

第3章 电动汽车用轮毂电机电磁方案分析与设计 ............................................... 19

3.1电动汽车动力性能分析 .......................................................................................... 19

3.1.1电动汽车的驱动力 ...................................................................................... 20

3.1.2电动汽车的行驶阻力 .................................................................................. 21

3.1.3电动汽车的动力性能要求 .......................................................................... 22

3.2电动汽车用轮毂电机电磁参数设计与计算 .......................................................... 23

3.2.1主要尺寸的计算 .......................................................................................... 25

3.2.2绕组方案的确定 .......................................................................................... 26

3.2.3极槽配合的选择 .......................................................................................... 28

3.2.4永磁体参数计算 .......................................................................................... 29

V

3.2.5永磁体充磁方向分析 .................................................................................. 31

3.2.6气隙长度的设计 .......................................................................................... 32

3.3样机基本参数 .......................................................................................................... 32

第4章 电动汽车用永磁轮毂电机有限元分析 ....................................................... 35

4.1电机电磁场分析的基础理论 .................................................................................. 35

4.2 有限元法的基本原理和电磁场有限元软件介绍 ................................................. 36

4.2.1有限元法基本原理 ...................................................................................... 36

4.2.2电磁场有限元软件介绍 .............................................................................. 37

4.3轮毂电机有限元模型的建立与求解 ...................................................................... 37

4.3.1有限元模型建立 ............................................. 37

4.3.2电机材料选取与模型网格剖分 ................................. 38

4.3.3求解及后处理 ............................................... 39

4.4轮毂电机电磁场有限元仿真分析 .......................................................................... 39

4.4.1空载磁场分析 ............................................... 39

4.4.2负载性能分析 ............................................... 41

4.4.3弱磁扩速性能分析 ........................................... 42

4.5轮毂电机机械结构分析 .......................................................................................... 43

4.5.1轮毂电机机械结构有限元仿真模型的建立与求解 ................. 43

4.5.2轮毂电机机械结构有限元仿真模型有限元分析 ................... 45

第5章 样机试验 ....................................................................................................... 47

5.1电机测试方法与内容 .............................................................................................. 47

5.2测试结果 .................................................................................................................. 48

5.2.1空载试验 ................................................... 48

5.2.2负载试验 ................................................... 49

第6章 总结与展望 ................................................................................................... 51

6.1全文总结 .................................................................................................................. 51

6.2工作展望 .................................................................................................................. 51

参考文献 ..................................................................................................................... 53

发表论文和参加科研情况说明 ................................................................................. 57

致 谢 ..................................................................................................................... 59

VI

第1章 绪论

第1章 绪论

1.1 论文的研究背景及选题意义

随着世界经济和现代工业科技的发展，人类的生活水平有了极大的提高，伴随着人类生活需要，汽车工业有了巨大的发展，汽车也逐渐得到了普及。然而，随着现代化发展进程，能源短缺和环境污染的问题日益突出，汽车在给人们提供方便快捷的同时，其尾气的排放却对自然环境造成了很大影响，据统计，大气污染的60%来自于燃油汽车，蓝天白云的美好生态遭到了破坏[1]。随着汽车工业的不断发展，能源大量被消耗，不可再生的石油化石资源日渐枯竭，迫切地需要新的替代能源，在这种情况下，利用电能作为汽车动力能源得到了世界各国的关注及认可，电动汽车开始了蓬勃发展。

伴随着电机设计水平、控制技术以及电力电子技术的持续发展，高性能电驱动系统得到提高与完善。一般来说，电驱动系统比内燃机驱动系统具有更高的运行效率和更高的功率密度，因而用电驱动系统代替内燃机驱动系统，用电动机取代内燃机作为汽车驱动源，可以大幅降低汽车的运行能耗，解决汽车尾气排放问题，节约能源，保护环境，营造良好生态。

图1-1电动汽车

驱动电机是电驱动系统的核心设备，驱动电机的性能直接决定了电动汽车的动态性能。电动车驱动电机需要具备以下要求：第一，要求电机体积小、结构简单紧凑、转矩密度和功率密度大。这是因为电动汽车内置空间有限，所以必然要1

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求电机系统（包括电机本体和电机控制器）尺寸越小越好，从而尽可能为乘客预留更大空间。为达到上述目的，必须增大电机的转矩密度和功率密度。第二，要求电机效率高、运行高效区广、质量轻。这是因为电动汽车电池容量有限，又要尽可能提高车辆续航里程，这就要求电动汽车电机系统提高效率、扩展高效区，从而提升电动汽车续航里程。第三，要求电机可靠性高。这是考虑到电动汽车电机工作环境的复杂性和恶劣性。电动汽车运行必然要考虑整车振动、电机系统温度、恶劣天气情况以及电池供电电压波动等一系列问题，这也对电动汽车电机的可靠性设置了更高的需求，只有高稳定性的电机才能达到电动汽车的要求。第四，要求电机的振动及噪声尽可能低，从而满足乘客对乘坐的舒适性的要求[2]。

本文以设计电动汽车用外转子直接驱动式永磁同步轮毂电机为目标，以已有电动汽车用永磁轮毂电机作为研究基础，采用有限元分析及场路结合的方法对目标电机实行优化设计。另外，为保证所设计的电机结构在电机运行时能够满足实际工况的机械强度需求，对电机进行机械结构仿真，确保电机的各部分的应力能够满足所用材料的屈服强度的要求，从而保证电机的稳定运行。

1.2 电动汽车驱动方式及特点

由内燃机作为动力源泉的燃油汽车驱动系统主要包括发动机、变速器、传动装置、差速器以及车轮等组件。其中发动机不仅体积大、产生噪声大，耗费大量的汽油、柴油等不可再生化石燃料，严重污染环境、破坏生态，而且发动机的机械传动结构复杂，从而致使能源利用效率较低，并且减小了车辆内部乘用空间。与之相比，电动汽车电机体积小、效率高，更具优势[3]。

电动汽车的驱动方式主要分为三种模式：集中电机驱动、轮边电机驱动以及轮毂电机驱动。集中式电机驱动模式与传统内燃机驱动之间没有本质区别。这种驱动方法总体上没有太大变化，技术也简单易行。但是，其缺点非常明显，即传输系统的传输效率没有提高，功耗也很高，不必要的能量损失仍然很大，而现有的动力电池技术还不够成熟，而且电池容量相对较小，汽车的续航里程很短，各种缺陷导致集中式电机驱动难以发展。

轮边电机驱动是将电机和固定比率减速器作为整体装置安装在汽车车架上。减速器的输出轴通过万向节连接到车轮半轴，以驱动车轮旋转前进。轮边驱动技术上简单、容易施行，机械结构上省去了传动系统，降低了车辆质量，提升了车辆传动效率。

轮毂电机驱动是将车辆动力单元、变速器和制动装置集成到汽车的轮毂中，从而消除了电机到车轮的中间机械结构，包括离合器，变速箱，传动轴，差速器等机械部件，简化了系统配置并提高了传动效率，减少汽车蓄电池消耗，扩大乘2

第1章 绪论

用空间，这些特点使得轮毂电机的发展成为必然趋向。同时，轮毂电机驱动系统的布置非常灵活，并且在相同功率需求的条件下，可以采用通过多个电动轮一起驱动的方法，电源分配给多个电机，多个电机配合驱动完成任务。轮毂电机驱动系统的电机转矩响应速度快，可根据实际情况单独使用全轮驱动或单个驱动轮独立驱动的控制措施，最大程度的运用电机系统的驱动能力，而这种驱动方式仅通过电动机控制系统控制电动机就可以控制车轮的驱动力。轮毂电机驱动系统还可以采用线控四轮转向技术，减少汽车的转向半径，甚至实现零半径转向，提高汽车的转向能力。另外，轮毂电机驱动系统还可以实现再生制动功能，改善车辆的续航里程，提高车辆的能量利用效率。但是轮毂电机直接放置于车轮轮辋内，设计尺寸受到车轮内空间及车辆悬架系统的限制。此外，电动机安装在车轮内部并与车架分离，这提高了汽车的簧下质量，减小了车轮的垂直振动频率，对乘坐的舒适性和控制的稳定性会产生一定的影响。 并且轮毂电机的工作环境差，制动引起的高温，雨水引起的潮湿，振动及冲击等都对轮毂电机的质量提出了严格的要求[4]。

1.3 轮毂电机的两种驱动方式

根据驱动方法，轮毂电机可分为两种模式：减速驱动和直接驱动。

减速驱动模式的电动机通常采用内转子结构。这种类型的电动机通常在高速状态下工作，电动机减速器安装在电动机和车轮之间，以降低速度并增加电动机的转矩。减速器的形式分为两种类型，即传统的行星齿轮机械减速装置和新的磁齿轮减速装置。减速驱动的特点在于：电机高速运转，功率大，效率高。但是减速驱动也存在诸多问题，例如机械齿轮在高转速状态下非常容易磨损，从而导致电机故障率高、寿命短，还存在噪声以及散热等问题； 对于磁力齿轮减速方法，目前的技术尚不成熟，操作可靠性不高，制造困难，制造成本高。减速驱动适用于需要电机过载能力强的丘陵或山区。减速驱动模式的轮毂电机结构如图1-2(a)所示。

直接驱动模式电动机通常采用外转子结构，该模式的电动机通常在中低速状态下运行。直接驱动外转子电机不需要减速机构，整个驱动结构更为简洁、紧凑，轴向尺寸变小，动态响应更快，效率进一步提升。但是直接驱动方式缺点同样存在：启动、爬升和承载大负载需要大电流，这很容易损坏电池和永磁体；电机峰值区域较小；负载电流超过一定值后，效率快速下降[5]。直接驱动适用于平坦道路或轻载。直接驱动模式的轮毂电机结构如图1-2(b)所示。表1-1比较了减速驱动和直接驱动的驱动模式。

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轮胎轮辐制动鼓电机绕组PMPM电机绕组制动鼓车轮轮胎转子磁钢刹车盘定子铁芯轴承转轴轴承行星齿轮编码器轴承车轮轮辐轮胎绕组气隙

(a)减速驱动式 (b)直接驱动式

图1-2 轮毂电机驱动结构示意图

表1-1减速驱动与直接驱动两种驱动方式对比

驱动方式

结构

减速机构

尺寸

质量

成本

维修费用

寿命

适用场合

减速驱动式

内转子

有

较小

较小

较低

较高

较短

直接驱动式

外转子

无

较大

较大

较高

较低

较长

过载能力强（丘陵或山区） 负载较轻（城市平路）

1.4不同种类轮毂电机的技术特点

由于其独特的位置和特殊功能，轮毂电机需要满足以下特性：在低速的恒转矩区具有高转矩，在较高速时尽可能保持电机恒功率运行。电机具有速度范围宽，转矩密度高，启动转矩大，重量轻，工作效率高等特点，而且能够实现强制制动和能量回馈。常见的直流电动机，异步电动机，无刷直流电动机，开关磁阻电动机和永磁同步电动机一般都可用作轮毂电动机。不同种类的电动机具有不同的技4

第1章 绪论

术特性，下面分别介绍。

（1）直流电机

把直流电机用作轮毂电机最基本、最简单，技术也比较成熟。直流电机已经能够实现非常稳定和精确的电机控制。然而，所有直流电动机都有一个非常致命的弱点，即电刷换向问题，电刷机械换向会非常严重地磨损电刷。且换向期间产生的火花限制了直流电机的高速运转。此外，直流电机体积较大，制造成本也更为高昂[6]。 所以轮毂电机不宜采用直流电机。

（2）异步电机

用异步电机作为轮毂电机则工作可靠，结构简洁，转矩脉动较小，噪声较低，且异步电机不需位置传感器，转速上限高，成本也比较低廉[7]。但是异步电机也有很多缺点，例如驱动电路较为复杂，且异步电机调速性能较差，很难达到轮毂电机对起动及制动的要求。

（3）永磁无刷直流电机

永磁无刷直流电动机则是基于直流电动机来改善永磁体，运用电子换向设备替代了传统的电刷结构，其同样具有直流电动机的扭矩平稳和高转速输出的特点，同时其有效地避免了电刷器件的磨损，提高了使用寿命。

（4）开关磁阻电机

由于现代电力电子技术的快速发展，开关磁阻电机也已成为轮毂电机的一种形式。其结构简单，坚固，可控性强，调速范围宽，调速性能好，系统可靠性高，电机功率和效率也很好。同时其可以为轮毂电机提供强大的驱动，制动和速度控制功能[8]。

（5）永磁同步电机

永磁同步电机与无刷直流电机在结构上类似，只是磁场波形不同，前者为正弦波，而后者为矩形波或方波。根据转子部分永磁体放置的位置不同，永磁同步电机一般分为表贴式和内置式。其中内置式一般用在高速电机中，表贴式一般用在中低速电机上。相较于无刷直流电机，功率密度大、转动惯量小、噪声低等是永磁同步电机的优势所在，且其控制精度更高，能够实现弱磁扩速，提升电机恒功率运行速度范围[9]，相当适用于电动汽车驱动用轮毂电机。当然永磁同步电机数学模型较为复杂，控制方法也相当复杂，主要以矢量控制和直接转矩控制等为主[10,11]。

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1.5国内外轮毂电机发展现状与发展方向

1.5.1国外轮毂电机研究现状

早在20世纪50年代，美国罗伯特便发明了一种集成了电动机，减速机构和制动机构的轮毂装置。在1968年，美国通用电气公司将其推广到大型矿山运输车辆上[12]。

目前，日本在轮毂电机研究方面处于引领地位。自1991年以来，日本庆应大学的Shimizu Hiroyuki教授率领他的研究团队开始研究轮毂电机，推出了IZA、ECO和KAZ等一系列轮毂驱动电动车。其中，IZA由四个外转子型永磁同步电机构成，额定功率6.8kW，峰值功率25kW。ECO由2个无刷直流轮毂电机组成，由后轮驱动，且配备行星齿轮作为减速机构。KAZ电动汽车更进一步，其采用8个轮毂电机独立驱动，轮毂电机峰值功率可以达到55kW，0-100km/h加速时间仅为8s。在2003年的东京车展上，普利司通推出了一款动态吸振电动轮，轮内使用的为外转子式永磁同步电机。2011年，对外宣布其轮毂电机驱动电动车性能指标一直处于世界最高水平日本的“SIM-DRIVE”公司推出一款“SIM-LEI”测试车，其单次充电续航里程为333km，0-100km/h的加速时间仅为4.8秒，最高时速可以达到150 km/ h[13]。

2008年巴黎车展上，法国米其林公司推出了其研制的主动悬挂系统的米其林电动轮，并应用到跑车公司Venturi生产的跑车“Venturi-Volage”汽车上[5,14-15]。加拿大TM4公司也一直致力于轮毂电动轮的研究，其研究设计的一体化电动轮为直接驱动型轮毂电动轮，是将轮毂电机技术与外转子永磁无刷直流电机相结合，如图1-3所示，把轮辋与转子外壳固定结合到一起，把外壳作为轮辋的构成部分，而电机转子与其制动鼓结合到一起，实现电机轮辋、转子与制动器的集成，很大程度上降低一体化轮毂电机系统的重量，且集成化程度非常之高。

6

第1章 绪论

图1-3 TM4电动轮的三维图及剖面图

2002年，著名的美国汽车制造商通用汽车公司也开发出一种由轮毂电机驱动的概念车。2003年，其把其轮毂电机驱动技术应用于雪佛兰S-10型皮卡车中。

这一技术的应用使得 S-10皮卡产生了比一般普通皮卡车多达60%的转矩。通用公司还研制了一款采用轴向磁通轮毂电机的混合动力汽车GM’s S10，其最大功率可以达到25kW，最大转矩可以达到500N•m，最高转速为1200r/min。其电机采用单定子双转子结构，利用较大的电机直径和较多的极对数提高转矩密度，且绕组端部小，能够充分提高电机效率[16]。

Protean Electric是英国著名的轮毂电机研发公司，专门从事电动汽车电动轮的研发。其生产的Protean Drive TM轮毂电机能够提供的转矩密度和功率密度高于目前市面上的任何先进电机驱动系统。每台Protean Drive轮毂电机均可提供81kW，800 N•m的扭矩，重量仅为31 kg。其系统采用直接驱动式轮毂电机系统方案，集轮毂电机、电机控制器、逆变器于一体，简化了安装过程且降低了成本；

同时，因为该直接驱动式轮毂电机系统无需使用减速装置、传动轴、差速器等，所以使得车辆的设计更加灵活、简便，并大大降低传输系统的能量损失，提高传输效率。与其他驱动系统相比，该轮毂驱动系统的每个轮毂电机都可以完全独立控制，从而提高了车辆的动力和机动性[17]。 图1-4为其剖视及结构图。

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图1-4Protean Drive TM轮毂电机剖视及结构图

总之，国外汽车公司在轮毂电机技术方面发展较快，推出了很多相应的概念车，尤其是英国和日本在轮毂电机技术方面处于较高水平。

1.5.2国内轮毂电机研究现状

我国的轮毂电机研究起步晚于国外，然而随着国家高技术研究发展计划（“863”计划）电动汽车专项课题的启动，国内相关企业与科研单位对轮毂电机驱动技术也取得了相当大的进展。

同济大学汽车学院分别在2002年、2003年和2004年研制出了“春晖一号”、“春晖二号”以及“春晖三号”电动汽车，都使用的是低速无刷直流型轮毂电机。2004年，比亚迪公司推出了其研发的“ET”轮毂直驱式概念车，其采用了4个功率为25kW的轮毂电机，电机最高转速可达到5500r/min，汽车最高时速可达到165km/h。由奇瑞汽车公司研发并在上海车展上展出的“瑞麒”X1电动车也是采用轮毂电机，其轮毂电机最大功率达到62kW，最大转矩为122N•m，最高车速为150km/h，如图1-5所示。此外，广州汽车集团与Protean Electric公司合作开发的电动汽车的两个后轮也采用轮毂电机，峰值转矩825N•m，峰值功率83kW[18]。

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第1章 绪论

图1-5“瑞麒”X1电动汽车

综上所述，国内外很多企业和科研单位都在研究发展轮毂电机驱动系统，也取得了一些成果。但是目前轮毂电机驱动方案还不够成熟，电机开发难度较大，电机转矩密度及功率密度均未达到轮毂电机驱动的要求，需要后续深入研究。

1.5.3轮毂电机技术发展方向

在下一阶段，轮毂电机的发展将集中在以下三个方面：

（1） 扩展轮毂电机的调速范围和转矩变化，适应不同工况下电动车的运行要求；

（2） 电机驱动与制动控制技术的研究。轮毂电机系统直接放置于车轮轮辋内，替代了传统机械传动。汽车采用电子差速器进行差速，但当汽车运行速度过高或者电子器件温度过高时，系统的稳定性受到影响，因而汽车高速行驶的控制稳定性还需提升。另一方面，轮毂电机安装在车轮内部而脱离车架，加大了汽车簧下质量，减小了车轮垂直振动频率，对车辆操控的稳定性会产生一定的影响，因而轮毂电机的驱动和控制也是今后研究的一个方向；

（3） 轮毂电机与整车性能的匹配的研究。轮毂电机本身就存在径向不平衡力，当装配在轮辋内部时，考虑到安装误差以及在不同工况路面载荷不同的情况，会使电机发生一些微小的形变，从而使径向不平衡力加剧，引起车辆零件的振动，降低汽车的安全系数。因此轮毂电机和整车的匹配性能也是以后需要研究的一个方向。

1.6本文主要研究内容

本文主要以电动汽车用外转子直接驱动式永磁同步轮毂电机为研究对象，是在已有的外转子表贴式永磁轮毂电机结构的基础上，设计一种新型磁钢结构的外转子永磁同步轮毂电机，并建立其模型，分析其电磁场分布、气隙磁密以及转矩9

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转速等。并综合考虑了空载反电动势、输出转矩、齿槽转矩以及弱磁扩速性能多方面因素，分析了优化后的永磁同步轮毂电机的特点和优势。本论文完成的主要工作如下：

首先，分析介绍了电动汽车用轮毂电机的驱动方式、不同种类轮毂电机技术特点、国内外轮毂电机研究现状以及发展方向等研究动态。

其次，结合轮毂电机特点，对电机磁路结构进行研究，建立永磁同步电机数学模型，分析轮毂电机研究的关键点。

再次，设计与分析电动汽车用轮毂电机电磁方案，以电动汽车动力性能分析为基础，对轮毂电机主要尺寸、绕组方案、极槽配合、永磁体以及气隙长度等进行设计，得到电机基本参数。

然后，建立电机有限元模型，对轮毂电机电磁性能进行分析以及对电机进行机械结构仿真。对比分析计算结果，评估设计电机的可靠性，证明设计方案的正确性与可行性。

最后，搭建电机试验平台，对电机性能进行测试，并与计算结果对比，验证计算的正确性与有效性。

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第2章 电动汽车用永磁同步轮毂电机原理及关键技术

第2章 电动汽车用永磁同步轮毂电机原理及关键技术

2.1永磁同步电机工作原理

永磁同步电机是交流电机中的一大类，不同与异步机电励磁的励磁方式，永磁同步的磁场由安置在转子上的永磁体磁极所产生，具有确定的极性。永磁同步电机的定子磁场的旋转速度与转子的旋转速度相同，来保证定磁场相对静止，以及气隙合成磁场恒定，实现电机的稳定运行并实现机电能量转换。

永磁同步电机在运行时有三种状态，发电机状态、电动机状态及补偿机状态。这三种状态的根本区别在于电机在运行时产生的有功功率传输形式不同。在发电机状态下，电机把机械能转换为电能进行输出；电动机状态下，电机把电能转化为机械能进行输出；补偿机状态下，电机有功功率的转换为零，只是发出或者吸收无功功率，这种状态可以对电网的功率因数进行调节。永磁同步电机运行于哪种状态是由功率角即转子磁场与定子三相电流合成磁场的夹角决定的[19]。

当0时，此时永磁同步电机转子磁场轴线超前于定子三相绕组合成磁场轴线，产生的电磁转矩Te和转子旋转方向反向，此时的转矩为制动转矩。为使得转子保持同步转速恒定，同时平衡电磁转矩制动效果，此时转子轴须从外界获得驱动性质的机械转矩T1，即对电机输入机械功率。因此电机输入机械功率，输出电功率，把机械能转化为电能，电机作发电机状态运行。

当0时，此时永磁同步电机转子磁场轴线滞后于定子三相绕组合成磁场轴线，产生的电磁转矩Te和转子旋转方向相同，此时的转矩为驱动转矩。为使转子维持在同步转速，同时平衡这种驱动效果，此时的机械转矩T1必须为制动转矩，即电机拖动负载运行，输出机械功率。此时电机作电动机运行。在这种模式下，增加负载机械转矩T1，就会增大，反之，减小。当负载转矩大于电机最大电磁转矩时，即输入的电功率无法满足输出机械功率的需求，此时，电机就会无法使转子保持同步旋转速度而失去同步。

当0时，永磁同步电机转子主磁场轴线与定子三相绕组合成磁场轴线重合，电磁转矩为Te为0。此时，电机与外界之间没有有功功率传递，则处于补偿机运行状态。

通常，对于电动汽车的永磁同步电动机，同步速度为[20]：

n60f (2-1)

p其中f是三相正弦电压的频率，n是电动机的同步速度，p是电动机的极对11

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数。

电动汽车永磁同步电动机通常都是负载运行状态。永磁同步电机负载运行时，合成磁场分布主要由转子永磁体产生的主磁场与定子三相绕组产生的电枢反应磁场共同组成。忽略电机磁路的饱和效应，永磁同步电机的电压方程为：

UE0I1R1jI1X1jIdXadjIqXaqE0I1R1jIdXdjIqXq (2-2)

E0为永磁体基波磁场产生的空载相感应电动势其中，（V），（V），U为相电压I1为定子相电流（A），Iq、Id依次为交、直轴电枢电流（A），R1为定子绕组相电阻（Ω），X1为定子漏抗（Ω），Xaq、Xad依次为交、直轴电枢反应电抗（Ω），Xq、Xd依次为交、直轴同步电抗（Ω）。

为了满足电动汽车高速行驶的使用需求，永磁同步电动机须通过弱磁达到扩速运行的目的，即定子电流超前交轴一定的角度，图2-1所示为弱磁扩速状态下的相量图。

E0jIdXadI1R1jI1X1EUjIqXaqI1IqId

图2-1 弱磁扩速状态下的相量图

由图2-1可得，弱磁状态下电动机各个物理量的值有下列关系

Idarctan()Iq=

(2-3)

UsinRIXI1dqqUcosE0R1IqXdIdId和Iq分别为

12

第2章 电动汽车用永磁同步轮毂电机原理及关键技术

RU1sinXq(E0Ucos)IdR12XdXq

(2-4)

XUsinR(EUcos)10Idq2RXdXq1永磁同步电动机的输入功率为

P1mUI1cosmUI1cos()mU(IdsinIqcos)1mUE0(XqsinR1cos)RUU(XX)sin21dq22R1XdXq忽略定子电阻，可以得到电动机的电磁功率（W）

mUE0mU211PemPsin()sin2

(2-6)

1Xd2XqXd

(2-5)

再除以电机的机械角速度Ω，即可以得到电动机的电磁转矩（N•m）

PemmpUE0mpU211Temsin()sin2

(2-7)

Xd2XqXd从式(2-7)可知，我们在设计中应该考虑尽可能的增加电机的q、d轴电感的差值，从而提高永磁同步电机的磁阻转矩[21]，从而增加电机的输出功率，提升电机的功率密度和转矩密度。

2.2永磁同步电机数学模型

在笛卡尔坐标系中，建立的永磁同步电机数学模型比较复杂，想要探究各个物理量之间的关系较为困难[22]。为了准确直观的对永磁同步电机进行研究，建立其在d-q旋转坐标系下的数学模型，从而分析永磁同步电机稳态和动态性能。

永磁同步电机电压方程为：

dduqR1idddtdqudR1iqqdt

(2-8)

0d2dRi2d2ddtd2q0R2qi2qdt13

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永磁同步电机磁链方程为：

dLdidLmdi2dLmdifqLqiqLmqi2q

(2-9)

LiLiLi2d2dmddmdf2dLiLi2q2qmqq2q永磁同步电机电磁转矩方程为：

Temp(diqqid)

(2-10)

永磁同步电机电磁功率方程为：

PemTeme0iq(XdXq)idiq

(2-11)

式中，

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