胡丹丹
安徽省南陵县医疗保障局 安徽省南陵县 241300
摘要
近年来传统汽车加快转向新能源电动化平台，传统驱动电机已无法满足应用。同时，随着国家对环境质量的要求升级，驱动电机的振动和噪声必须达到更高的指标。因此，利用计算机系统平台和自动控制技术，开发新能源汽车高性能驱动电机，已成为市场的迫切需求。本文主要从理论和技术角度分析探讨了新能源汽车高性能驱动电机开发的目标、内容和功能性能，以及技术难点和解决思路等，对产品研发和推广应用具有参考借鉴价值。
关键词
计算机；控制技术；新能源汽车；驱动电机
正文
随着产业转型升级，近年来传统汽车加快转向新能源电动化平台，高能量密度的新能源锂电池取代了传统铅酸电池成为市场主流，车辆的续航时间大幅提高，充电时间大幅减少。针对传统铅酸电池工作特点设计的传统驱动电机已无法应对长时间高负载的工况，尤其租赁市场等24小时循环工作的场景。同时，随着国家对环境质量的要求升级，驱动电机的振动和噪声必须达到更高的指标。因此，利用计算机系统平台和自动控制技术，开发新能源汽车高性能驱动电机，既能满足市场需求，又能推动传统车辆加速转向新能源电动化，对促进节能减排、加快建设资源节约型和环境友好型社会都将发挥重要作用。
1开发目标
充分利用计算机信息平台和控制技术，“一体化”评估车辆驱动系统功能、性能需求，制订技术路线和设计方案，着重从以下几个方面研发新能源汽车高性能驱动电机，大幅提升电机性能，并在应用推广和产业化过程中不断进行系统分析和方案优化。
1.1开发提升电机的功率密度
变频器输出的高次谐波造成电机的振动噪声增加，开发多段斜槽结构转子，优化电机转子斜槽角度与齿槽结构，多段转子的齿谐波相互抵消，有效降低变频器供电条件下的振动和噪声。电机三相绕组的对称性对电机性能有重要影响，开发基于双夹具与双刀协同自控驱动机制的漆包线剪切装置和刀刃分离回复单元，驱动刀具移动并使两个切割刀具的刀刃靠近合拢实施对导线的切割动作，保障电机三相绕组的对称性，有效避免电机三相绕组不对称运行中产生的负序电流。
1.2开发提升电机的转矩品质
电机轴承的装配精度对电机的同心度起决定性作用，开发进给分离-快速移送-精准装配的电机轴承一体化自动装配装置，具有节省人力、生产效率高、通用性好等特点。轴承的精准装配有效保障电机同心度，避免新能源汽车驱动电机偏心带来的附加谐波，降低电机的振动噪声和附加损耗。
1.3开发提升电机的系统集成
电机控制器的核心是集成。开发控制器内部结构模块，优化机电耦合集成、电力电子控制器集成，开发电机线圈绕制快速脱线模、自动化线圈绕线、转子无损移送、转轴卡簧精准定位压装、气动式端盖柔性压装等工艺工装，并针对电机的生产过程和生产工艺进行优化，提升电机的效率和性能。
2开发内容
2.1开发多段斜槽结构转子和双夹具与双刀协同自控驱动机制，优化变频器谐波输出和三相绕组对称性，提高电机的功率密度。
通过搭建计算机技术平台，对电机设计输入、电机电磁场进行分析发现，一方面，新能源汽车驱动电机采用变频器供电，相比于正弦波供电，变频器输出的PWM波中含有丰富的高次谐波，采用单斜槽转子时，这些谐波在电机气隙中感应出的谐波磁场与电机定、转子齿谐波相互作用产生的电磁力造成电机振动噪声增加。因此，开发多段斜槽结构转子，把转子分成四段，每段错开1/4转子槽距，则奇数阶及偶数阶转子齿谐波和在各段内产生的谐波转矩均可互相抵消，不会与变频器产生的谐波相互作用，同时优化电机转子斜槽角度与齿槽结构，两段转子向相反方向扭斜抵消电机的轴向力，可以有效降低变频器供电时电机的振动噪声。
另一方面，新能源汽车驱动电机三相绕组的对称性是保障电机平稳运行的重要指标，通过自动控制技术，开发基于双夹具与双刀协同自控驱动机制的漆包线剪切装置和刀刃分离回复单元，构成限位导向配合，驱动刀具移动并使两个切割刀具的刀刃靠近合拢实施对导线的切割动作，不仅提高工作效率，而且切面平齐、切断尺寸准确，保障电机三相绕组的对称性，避免电机三相绕组不对称运行中产生的负序电流，降低电机的振动噪声，提高电机的功率密度。
2.2开发进给分离-快速移送-精准装配的电机轴承一体化自动装配装置，优化电机的同心度和装配精度，提高电机的转矩品质。
通过计算机自控领域对新能源汽车电机驱动控制系统的研究设计，新能源汽车使用永磁同步电机驱动系统，而永磁同步电机轴承的装配精度对电机的同心度起决定性作用。轴承装配精度偏差会导致电机产生气隙偏心、气隙磁场畸变等问题，在基波、定、转子齿谐波两侧产生附加谐波，这些谐波会相互作用产生额外的电磁力，导致电机的振动噪声增加，同时这些附加谐波也在电机中造成额外损耗，导致电机效率降低。因此，开发进给分离-快速移送-精准装配的电机轴承一体化自动装配装置，包括转子单根分离机构、轴承单片分离机构、转子移送机构及装配机构等，具有节省人力、生产效率高、通用性好等特点。轴承的精准装配能有效保障电机同心度，避免驱动电机气隙偏心带来的附加谐波，降低电机的振动噪声和附加损耗，从转矩密度、控制精度、调速范围和转矩平稳性等方面提高电机的转矩品质。
2.3开发控制器内部结构模块，优化芯片的研发技术、封装材料、封装工艺和自动化生产水平，提高电机的系统集成。
新能源汽车电机控制器的核心是集成。我国在电机控制器的集成，特别是系统级集成方面起步较晚，尚有很大的提高空间。开发控制器内部结构模块，优化机电耦合集成、电力电子控制器集成，开发电机线圈绕制快速脱线模、自动化线圈绕线、转子无损移送、转轴卡簧精准定位压装、气动式端盖柔性压装等工艺工装，并针对电机的生产过程和生产工艺进行优化，提高生产效率，保障电机质量的稳定性，延长电机使用寿命。此外，在电机控制技术方面不断提高电压利用率、转矩补偿、故障诊断等水平，在电机控制软件方面加大对ISO26262功能安全以及AutoSAR软件架构的研发和应用，在电磁兼容性能及系统匹配方面进一步设计宽效率区等，均可以对系统进行全局优化，提高电机的系统集成度，切实增强电机控制器的功率密度，提升电机的效率和性能。
3技术难点
3.1各个新能源汽车主机厂家相同吨位车型的变速箱速比、轮胎、性能指标都不尽相同，导致对驱动电机的性能需求也有较大差异。此外，驱动电机的接口尺寸、安装尺寸、防护等级要求也不一致，需要针对性的定制开发，电机的零部件过多，造成生产管理难度较大，电机的型号较多难以形成通用的标准化产品。同时，新能源汽车专用电机行业目前仍未形成统一的标准，各个电机厂家仍各自为战，导致研发成本普遍较高。
3.2对于同款车型的驱动电机，新能源汽车主机厂家会同时选择不同的控制器厂家进行配套，控制器与驱动电机协同优化可以使整车的驱动系统效率达到最高，与控制器厂家深入合作，将控制算法引入新能源汽车驱动电机的研发设计阶段进行优化设计，有待进一步加强。
3.3新能源汽车驱动电机的开发涉及多学科交叉，除机械工程、信息工程、自动控制等学科外，诸如电磁学、流体力学、热学、材料学、声学等多学科技术在电机设计与优化中的综合应用仍需进一步加强。
4解决思路
4.1提高新能源汽车驱动电机的数字化和智能化，在驱动电机设计阶段尽早引入电子信息技术和现代控制技术，协调优化驱动电机控制器集成方案，使电机与控制器的配合达到最优，发挥出驱动电机和驱动系统的最佳性能。
4.2加强行业内的深入沟通，建立战略关系，共同推动新能源汽车行业驱动电机的标准建立，协调各方逐渐形成统一标准，进一步推动标准化产品的形成，降低电机厂家的研发成本和新能源汽车主机厂家的物料成本。
4.3建立健全各新能源汽车主机厂家的车辆谱系数据，形成新能源汽车驱动电机大数据库，支撑建立驱动电机快速响应研发设计机制，加强多学科交叉分析，充分利用多物理场耦合数据计算方法增强电机的设计优化能力。
参考文献
1.Analysis of Vibration and Noise for Different SkewedSlot-Type Squirrel-Cage Induction Motors
2.笼型双斜槽转子感应电机的横向电流损耗分析
个人简介：胡丹丹，性别：女，学历学位：大学本科，工学士，职称：高级工程师