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一、电机磁场及工作原理
1.1电磁力原理
1.2发电原理
1.3永磁同步电动机工作原理
定子通交流电后产生旋转磁场，该旋转磁场吸引转子磁场，使转子跟随定子磁场旋转。
永磁同步电机扭矩组成。
根据唐院士编著的《现代永磁同步电机》，可知永磁同步电机的输出扭矩来源于磁钢扭矩和磁阻扭矩，如下式所示：
T= Pn*Φ0*iq+Pn*(Ld-Lq)*id*iq
由于内嵌式永磁同步电机（IPM)的交直轴电感具有明显差异，因此IPM电机天生具备产生较大磁阻扭矩的条件。
因此，目前包括汽车驱动电机在内的永磁同步电机越来越多的采用了IPM方案。
*磁阻扭矩对电机系统的影响:
a.相同的电机反电势系数下，实现相同的扭矩可以减小电机的相电流，有利于提高电机低速大扭矩情况下的效率，还为降低控制器主要器件成本创造条件。
b.在相同的控制器硬件条件下，高磁阻扭矩电机比低磁阻扭矩电机具备更高的空载转速，有利于提高电机高速小扭矩的工作效率，改善电磁噪音，提高了电机系统的调速范围。
二、车用驱动电机的主要性能参数及解读
三、车辆对主驱电机的性能发展趋势
四、IPMSM磁路结构
4.1常用磁路结构
“一”型磁路结构
优点：
a. 结构工艺简单；
b. 对极漏抗有良好的抑制能力；
c.特别适用于对转子内外径尺寸 有要求的场合。
缺点：
a.永磁体没有出现聚磁效果
b.电枢反应交轴回路通道单一， 不利于磁阻扭矩提高。
适合匹配的绕组结构
集中绕组（ISG)。
“V”型磁路结构
优点：
a.结构工艺相对简单；
b. 具备聚磁效果
c.电枢反应交轴回路通道增宽
缺点：
a.极漏抗大
b.不适用于转子厚度苛刻的场合 。
适合匹配的绕组结构
分布绕组（TM)。
“V+一”型磁路结构
优点：
a.具备聚磁效果明显，可控；
b. 极漏抗得到约束
c. 磁阻扭矩较“V”大
d.适用于渗镝或渗铽工艺。
缺点：
a.设计不合理易出现局部退磁。
b. 不适用于转子厚度苛刻的场合 。
适合匹配的绕组结构
分布绕组（TM)。
“双V”型磁路结构
优点：
a.具备聚磁效果明显，可控；
b. 磁阻扭矩较“V”大
c.适用于渗镝或渗铽工艺。
缺点：
a.磁钢加工与装配工艺复杂 。
b. 不适用于转子厚度苛刻的场合 。
适合匹配的绕组结构
分布绕组（TM)。
4.2车用永磁同步电机磁路结构发展趋势
a. 适应高磁阻扭矩性能和低磁钢消耗
b. 满足电机和变速箱一体化需求，追求转子尺寸的薄型设计。
c. 新型磁钢工艺或高性能硅钢片材料的发展。
d. 迎合创新控制策略对电机磁路参数的特殊需求变革。
五、永磁同步电机相关设计参数及取值
5.1P、Z、N取值（电机设计最关键参数）
a.极对数P
极对数越多，电机定转子轭部厚度需求越薄，绕组端部尺寸越小，十分有利于提高电机的扭矩密度和功率密度。所以混动动力车辆的ISG或TM电机的极对数一般都很多。l在不考虑转子漏磁的前提下，电机的极对数约多，电枢对转子的电枢反应越弱，因此，增加极对数还可以减薄磁钢厚度。l考虑到实际工艺能力和定转子机械强度问题，过多的极对数，会导致转子漏磁系数过大，所匹配的电枢槽面积过小、反不利于功率密度的提高。l极对数决定了电机在一定转速下的的工作频率，因此可以根据电机锁匹配控制器开关器件的能力和电机锁工作到的最高转速来获得电机允许的最高极对数。
优先级推荐：满足电机可控性＞满足电机可制造性＞取尽可能多的磁极。
b.槽数Z(一般情况下，必须先决定P值再选Z值）(概念：每极每相槽数Q=Z/(3× 2 × P),Q为整数时称作整数槽绕组，否则称之为分数槽绕组。
车用大功率电机若是选择了集中绕组，那么电机的Q=0.5，那么槽数Z=3×P，也有少数小功率电机8 极9槽或10极12槽。
Q值越大，电机的反电势谐波越小，电机齿槽扭矩和力矩波动幅值越小，但根据经验Q≥3后，对谐波改善效果可以忽略。Q值越大，电机下线工艺性越差。
华域多年电机研制经验证明：采用分数槽分布绕组可以再相对小的Q值情况下实现较好的反电势波形，特别是有利于电机磁阻扭矩的提高。
由于驱动电机的功率较大，电机单相串联匝数较少，那么很多时候需要选择合适的槽数Z，来保证电机匝数的合理。
电机常用的Q值推荐为：Q=0.5;Q=1.5;Q=2;Q=2.5；Q=3（对于车用驱动电机Q取较大值时往往应用扁铜线绕组工艺。）
匝数NlE=4.44 ×f ×Φ×N，匝数增加，电机的反电势系数增加，相同电流下的扭矩增加
匝数增加，意味着导体的截面积减少，可能带来电枢热负荷过高的问题。
改变电机的体积，就改变了电机的磁通面积，改变磁路结构可以更改气隙磁密和极弧系数。为调整电机匝数创造条件。
总之：在电机的槽数和极对数确定后，电机的匝数可以根据电机的发热计算情况(常用电流密度和热负荷来衡量）和电机反电势需求来选取，并通过优化电机尺寸和磁路结构有优化。
华域专利驱动电机绕组技术（一种分数槽分布绕组）EMF波形好、绕组端部尺寸及用铜省、磁阻扭矩大、适用于机器自动下线
采用铜扁线工艺时，电机的每元件匝数等于1至3
5.2主要尺寸确定
a. 电枢外径取值
一般情况下，根据整车尺寸需求，去除外壳厚度即得到定子铁芯外径。
电机机壳的厚度随电机的外形尺寸和机壳工艺不同而不同。
近年来越来越广泛应用的一体化水冷却机壳，其机壳壁厚建议在18至30mm不等。
b. 电枢内径取值Di
定义：定子外径尺寸确定后，才能确定电枢内径尺寸，即关键是设计电机的内外径比例值Kd。
影响：Kd值增大，电机电枢磁势影响力减小，但转子磁通量增大、转子磁势增强，易于提高电机的功率能力，但需要增大了电机的铜损，反之将减小电机的功率能力，但能给提高电机效率创造条件。Kd值同样影响了电枢槽尺寸与形状，Kd值越小，槽越深，电枢槽口越小，槽漏抗增加。
因此：Kd是电机设计非常关键的参数，需要进行多方案优化对比设计。
一般经验系数推荐
注：
1.永磁同步电机的Di值一般比对应的异步电机略小。
2.对于混合动力系统，往往对电机的定子外径和转子内径都有要求，此时可能需要根据电机定转子齿轭部尺寸的工艺可行性，先定电机的定子内径，反过来优化电机的极对数或槽数。
3.由于涉及到定子槽型尺寸的合理性，因此表格中的数据应随电机Z值变化而优化。
c. 电机定转子气隙δ选取
影响：气隙越小越有利于提高电机动力性能，但电机噪音也喜欢过小的间隙，过小的间隙要求过高零部件装配精度，也无法适应转子高速时的离心力变形。所以电机的该尺寸能做多小主要取决于相关工艺水平和高速条件下转子形变情况。
一般经验推荐
注：铁芯长度、噪音要求、配合精度等也是决定气隙大小的重要依据。
5.3磁密取值
a、 出力和磁密的关系磁密取值
电磁力：F=BIL
电磁扭矩 Te=BINLfeR=BJV
可见:电机的扭矩密度取决于电机空气间隙内的负载磁密和定子内导体的电流密度
b. 电机磁密的影响因数
磁密B等于该物质所在环境的磁场强度乘以该物质材料的磁导率
因此：电机获得较高的磁密可以有2个途径。
注：电机铁芯材料的磁导率是空气磁导率的100至3000倍左右
c. 空、负载磁密的取值问题
空载
磁密分布影响范围: 反电势EMF大小及波形 &空载铁损在满足反电势大小前提下，建议取较低的空载定子磁密，合理的转子磁密。
峰值负载
磁密分布影响范围: 反电势EMF大小及波形 & 负载扭矩、铁损。
适当调节电机交直轴电流分配比例，在基本不牺牲电机扭矩的条件下，缓解磁路饱和程度。
定转子多为饱和状态，但应通过磁路有话减少电枢漏抗带来的磁路饱和。
空负载磁密值推荐（以B35AVH1900为例）
5.4反电势取值
1. 反电势对电机及控制器的影响.
a. 在电机的工作电流一定的条件下， 电机的输出扭矩正比于电机的反电势。在相同的输出扭矩要求下，增大电机反电势可以降低电机的工作电流。
b. 电机在不弱磁工作时，在电机电压一定的条件下电机的工作转速与反电势成反比；对于控制同步电机来说，反电势的大小基本确定了电机峰值扭矩拐点位置。
c.最高反电势威胁到控制器主要元器件（电容和IGBT）的安全，过高的反电势可能会导致器件损坏。
2. 反电势的取值
根据第2条可知，设计电机时，首先要确保控制器元器件的安全（不能过高),一般来说市场现有薄膜电容可承受低于500V的反电势；对300V左右供电系统若定制器件，该值一般小于700V。
英飞凌800A模块的耐压特性
某国产薄膜电容耐电压能力
注：目前大多数整车厂希望电机的最高反电势低于450VDC
5.4反电势值和电机性能估算
3. 利用反电势估算电机性能参数
a.根据客户或控制器IGBT提供的信息，可以判断电机能够获得的最大相电流有效值，记作：IΦ。
b. 将(20℃）空载线反电势峰值（或DC值）÷对应的转速，得到反电势系数Ke。
c. 将IΦ × Ke乘以9.55=理想磁钢扭矩Tm。
d. Tm ×Kr=Tp（电机可能获得的最大峰值扭矩）。
各种绕组与磁路结构匹配产生的磁阻扭矩系数推荐值
e.电机能获得的最高工作电压÷峰值扭矩下磁链产生的反电势值×最高转速=拐点转速。
六、永磁同步电机的仿真手段
6.1软件的选择
目前行业内的常用商业软件有：
软件都没问题，关键是用多了就准！
答：导致性能和设计偏差的主要问题有：
a.材料定义不完善（特别是磁化曲线定义）;
b实际尺寸偏差控制不合理;
c.材料性能余量估计不足、
d. 模型等效带来的偏差;
e. 网格划分不合理带来的偏差;
f. 仿真数据处理不当。
答：可笑！没有听说过那个软件公司设计的电机好。
6.2仿真条件注意事项：
1. 材料属性
IPM电机的磁路天生存在深度饱和的特性，局部位置硅钢片相对磁导率接近1，所以在进行这类电机的磁路仿真时，硅钢片材料特性的磁化曲线应定义至XT以上。
磁钢材料性能不仅容易受温度影响，磁钢的加工公差（特别是磁钢较薄时）在建模时也需要考虑进去，具体尺寸或参数的修正需要结合产品的设计经验，必要时需要做向供应商确认。
2. 铁损表受实际工艺影响的变化值
电机的铁损取决于材料特性和工作频率和磁密。但设计人员收到供应商提供的铁损特性数据其实无法直接应用的。导磁材料受外力影响后材料特性会发生变化（一般都是变差),此外，硅钢片毛刺可以破换硅钢片切边的绝缘层，增加了切边涡流损耗。因此电机进行效率仿真时，需要根据经验酌情考虑铁损补偿系数。
电机铁损需要消耗定子中的有工功率，在进行力学仿真时，同样应考虑铁损引起的相电流值增加.
3. 网格划分（很多软件是自动进行划分的）
网格划分是进行有限元计算的必要步骤，网格划分越细致理论上计算月精准，但会增加有限元计算的时间。
因此行业内的工程师都知道可以选择性进行局部细化仿真，尤其是定转子间隙中需要增加网格划分的密度，（个人经验）气隙内网格最好能划成三层。
作为有限元网格有两种形式：三角形和四边形（不是所有有限元软件都能支持），三角网格形容易划分，四边形网格有限元计算精度高于三角形。
所以对求解精度要求苛刻时应该优先考虑四边形网格结构。
4. 力学求解器（Maxwell力和虚功力的理解（不是所有软件都能支持）
两种有限元力学求解方式理论上应该得出相同的计算结果，但实际上有限元仿真的本质是等效计算，因此两种计算方法得出的结果有时（特别是计算磁阻扭矩和齿槽扭矩时）会有明显差异。
增加网格密度，可以降低MAXWELL方程计算磁阻扭矩的计算误差。
5. LD/LQ计算和判断
一般规律：Ld随电机弱磁升速和扭矩增加，数值基本不变。Lq随扭矩增加（或磁密饱和）而减小，随弱磁升速（磁密降低）而增大。
电机进行FOC控制时，电机的交直轴电流都是同时加载。在同一定转子冲片磁路下，交直轴的磁路是相关影响的。仿真求解和加载条件必须相同。
七、永磁同步电机的设计输出参数
1. 反电势或空载磁链
2. 短路电流
3. 最大相电流和最高工作电流频率）（是否和控制器IGBT一致）
4. Ld/Lq表
5. 负载特性（特别是峰值扭矩、功率时直轴电流和短路电流的关系）
6. 齿槽扭矩
7. 0N.m最高转速下需要的最小相电流和磁密分布
8. 效率MAP
9. 电流密度和热负荷判断
10. 槽满率
11. 绕组端部尺寸
总结
国内车用驱动电机技术和国外还有一定差距。在国内外同行的共同努力下，电机技术日新月异。市场对电机性能和成本的要求没有极限。
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