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驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為新能源汽車的動(dòng)力來(lái)源，其性能優(yōu)劣直接決定了新能源汽車性能指標(biāo)的高低。隨著新能源汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的不斷提升，驅(qū)動(dòng)電機(jī)呈現(xiàn)出高速化、高功率密度、高效率的發(fā)展趨勢(shì)。電機(jī)繞組由圓線逐漸向扁線發(fā)展。

扁線電機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)：①槽滿率高、繞組端部短，所以電阻小、銅耗小，電機(jī)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(jié)構(gòu)特征具有更好的剛度，整機(jī)也具備更好的剛度，對(duì)噪聲具有抑制作用；④導(dǎo)體之間接觸面積大，有利于散熱，對(duì)控制溫升有利。

扁線電機(jī)在很多行業(yè)都有應(yīng)用，如大功率異步電動(dòng)機(jī)、機(jī)車電機(jī)等，這些電機(jī)工作頻率較低，用經(jīng)驗(yàn)算法或基于等效電路的場(chǎng)計(jì)算方法基本能滿足工程應(yīng)用。但隨著新能源汽車電機(jī)工作頻率的不斷提高，基于等效電路的場(chǎng)計(jì)算方法不能完全滿足其要求，而且扁線層數(shù)從2層逐漸增大到4層、6層、8層或更高，需要的仿真計(jì)算精度大大提高。只有精確仿真計(jì)算繞組損耗，得到電機(jī)效率MAP圖，才能精確仿真計(jì)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(dǎo)體尺寸和位置、并繞根數(shù)對(duì)繞組交流銅耗的影響，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)槽口高度、扁線尺寸等會(huì)顯著降低繞組交流銅耗。有研究者仿真分析考慮趨膚效應(yīng)影響的三種繞組設(shè)計(jì)方案的電機(jī)溫升值，其仿真結(jié)果表明，合理地選取繞組線徑和并繞根數(shù)可以有效抑制交流繞組的趨膚效應(yīng)，降低電機(jī)溫升。

有研究者分析了鄰近效應(yīng)的磁場(chǎng)分析方法。有研究者提出了一種分離趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的方法。對(duì)新能源汽車來(lái)說(shuō)，電機(jī)效率的高低直接影響整車?yán)m(xù)航里程的大小，所以研究不同層數(shù)扁線導(dǎo)體引起的電機(jī)效率高低變化及對(duì)整車?yán)m(xù)航的影響顯得尤為重要。

在分析上述文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，北京新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新中心有限公司的研究人員進(jìn)行新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)扁線方案設(shè)計(jì)。

1）首先進(jìn)行了電機(jī)繞組交流損耗概述，包括趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的基本原理、分析計(jì)算方法等。在一款永磁同步電機(jī)模型上，對(duì)4層繞組、8層繞組兩種扁線方案進(jìn)行仿真分析，得出兩種電機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的繞組損耗，4層繞組的繞組損耗在2 400r/min以上超過(guò)8層繞組，且損耗差距隨著轉(zhuǎn)速升高逐漸增大。

圖1 4層繞組電機(jī)模型

圖2 8層繞組電機(jī)模型

2）仿真分析兩種電機(jī)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(qū)偏高速，而且高效區(qū)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(jī)效率MAP圖

圖4 8層繞組電機(jī)效率MAP圖

3）應(yīng)用Cruise軟件搭建整車仿真模型，分析計(jì)算續(xù)駛里程和電機(jī)平均效率。兩標(biāo)準(zhǔn)工況（NEDC、CLTC-P）下，8層繞組電機(jī)續(xù)駛里程均比4層繞組電機(jī)略大；8層繞組的電機(jī)平均效率均比4層繞組大1%。8層繞組工藝復(fù)雜度較大，但由于4層繞組在高速時(shí)的繞組損耗過(guò)大，電機(jī)散熱困難溫升會(huì)超限值，所以綜合考慮，最終選擇8層繞組電機(jī)方案。

圖5 整車仿真模型

本文編自2021年第7期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“不同層數(shù)扁線電機(jī)及其搭載整車性能分析”，作者為馬永志、楊良會(huì)。