- 頭條新能源汽車驅動電機的扁線方案：8層繞組電機方案最佳2022-02-16 作者：馬永志、楊良會 | 來源：《電氣技術》 | 點擊率：導語扁線電機由于效率高、散熱能力強，且噪聲、振動與聲振粗糙度（NVH）好，逐漸成為新能源汽車驅動電機的發展趨勢。隨著驅動電機高速化的不斷推進，扁線電機繞組渦流損耗表現尤為顯著，影響電機效率的提升，同時帶來電機散熱難的問題。 北京新能源汽車技術創新中心有限公司的研究人員馬永志、楊良會，在2021年第7期《電氣技術》上撰文分析得知，搭載8層繞組電機的整車續航里程略大。8層繞組工藝復雜度較大，但4層繞組高速繞組損耗過大，溫升超限值，所以只能選擇8層繞組電機方案。
驅動電機作為新能源汽車的動力來源，其性能優劣直接決定了新能源汽車性能指標的高低。隨著新能源汽車動力性、經濟性的不斷提升，驅動電機呈現出高速化、高功率密度、高效率的發展趨勢。電機繞組由圓線逐漸向扁線發展。
扁線電機有以下優點：①槽滿率高、繞組端部短，所以電阻小、銅耗小，電機效率高；②體積小，所以功率密度高；③由于扁線繞組特殊的結構特征具有更好的剛度，整機也具備更好的剛度，對噪聲具有抑制作用；④導體之間接觸面積大，有利于散熱，對控制溫升有利。
扁線電機在很多行業都有應用，如大功率異步電動機、機車電機等，這些電機工作頻率較低，用經驗算法或基于等效電路的場計算方法基本能滿足工程應用。但隨著新能源汽車電機工作頻率的不斷提高，基于等效電路的場計算方法不能完全滿足其要求，而且扁線層數從2層逐漸增大到4層、6層、8層或更高，需要的仿真計算精度大大提高。只有精確仿真計算繞組損耗，得到電機效率MAP圖，才能精確仿真計算新能源汽車的性能。
有研究者分析了電流諧波、槽口高度、導體尺寸和位置、并繞根數對繞組交流銅耗的影響，通過優化設計槽口高度、扁線尺寸等會顯著降低繞組交流銅耗。有研究者仿真分析考慮趨膚效應影響的三種繞組設計方案的電機溫升值，其仿真結果表明，合理地選取繞組線徑和并繞根數可以有效抑制交流繞組的趨膚效應，降低電機溫升。
有研究者分析了鄰近效應的磁場分析方法。有研究者提出了一種分離趨膚效應和鄰近效應的方法。對新能源汽車來說，電機效率的高低直接影響整車續航里程的大小，所以研究不同層數扁線導體引起的電機效率高低變化及對整車續航的影響顯得尤為重要。
在分析上述文獻的基礎上，北京新能源汽車技術創新中心有限公司的研究人員進行新能源汽車驅動電機扁線方案設計。
1）首先進行了電機繞組交流損耗概述，包括趨膚效應和鄰近效應的基本原理、分析計算方法等。在一款永磁同步電機模型上，對4層繞組、8層繞組兩種扁線方案進行仿真分析，得出兩種電機不同轉速下的繞組損耗，4層繞組的繞組損耗在2 400r/min以上超過8層繞組，且損耗差距隨著轉速升高逐漸增大。
圖1 4層繞組電機模型
圖2 8層繞組電機模型
2）仿真分析兩種電機效率MAP圖，8層繞組最高效率94.5%，4層繞組最高效率93%，8層繞組比4層繞組的高效區偏高速，而且高效區占比較大；就平均效率而言，8層繞組為89.8%，4層繞組為87.9%，8層繞組平均效率高了約2%。
圖3 4層繞組電機效率MAP圖
圖4 8層繞組電機效率MAP圖
3）應用Cruise軟件搭建整車仿真模型，分析計算續駛里程和電機平均效率。兩標準工況（NEDC、CLTC-P）下，8層繞組電機續駛里程均比4層繞組電機略大；8層繞組的電機平均效率均比4層繞組大1%。8層繞組工藝復雜度較大，但由于4層繞組在高速時的繞組損耗過大，電機散熱困難溫升會超限值，所以綜合考慮，最終選擇8層繞組電機方案。
圖5 整車仿真模型
本文編自2021年第7期《電氣技術》，論文標題為“不同層數扁線電機及其搭載整車性能分析”，作者為馬永志、楊良會。
