まとめ：
この記事では、新エネルギー駆動モーター業界の開発状況を紹介し、業界の現在の主流モーターについて詳しく説明します。
1. 駆動モーターの現状
駆動モーターは、新エネルギー車やハイブリッド車の核となる動力源であり、電磁誘導効果により、車両から供給される電気エネルギーを機械エネルギーに変換して車両を駆動します。入力電流の分割により、駆動モーターは DC モーターと AC モーターの 2 つのタイプに分類できます。現在主流の駆動モーターは交流電力をステーター（通常は珪素鋼板に銅コイルを固定したもの）に伝え、回転磁界を発生させる交流モーターです。珪素鋼板）は回転磁界の影響を受け、回転トルクが発生します。回転子と固定子の速度の一貫性に従って、AC モーターは同期モーターと非同期モーターに分類できます。現在、新エネルギー市場における駆動モータの主流は永久磁石同期モータとかご形非同期誘導モータであり、このうち永久磁石同期モータは国内自動車メーカーのモータの絶対的な主流シェアを占めています。駆動モーターの主な部品は一般的にローター、ステーター、ワイヤーハーネス、ハウジング、エンドカバーなどで構成されます。このうちステーター、巻線、ベアリング、ローターの順に価値が高く、コストが19%を占めます。 、17%、12%、それぞれ11%。駆動モーターアセンブリは下流に分けられ、固定子コア、回転子コア、固定子巻線、ベアリング、エンドカバーなどの部品が中流、銅線、アルミニウム合金、珪素鋼板、永久磁石、およびその他の原材料が含まれます。などが上流です。
新エネルギー車用駆動モータは産業用モータの一種であり、車両の作業条件という特殊な環境を考慮すると、新エネルギー車用駆動モータと従来の産業用モータとの特別な性能差は主に大きな起動トルク、高出力に反映されます。密度、速度範囲、幅広く強力な放熱要件、幅広い高効率範囲、および優れた NVH パフォーマンス。
1) 始動トルクが大きい：新エネルギー車は発進応答性や100kmからの加速などの性能を重視しており、新エネルギー車の駆動モーターは速度を上げるために発進時や低速時により大きなトルクが必要となります。車両を最短時間で期待値に引き上げます。
2) 高出力密度: 車両駆動モーターには厳しい重量要件、体積要件、電力要件があります。モーターの重量と大きさは、自動車の動力性能やレイアウトスペースに直接影響を与えるため、モーターの設計の方向性と難しさは、出力重量密度と出力体積密度をできるだけ高めることです。
3) 広い速度調整範囲: 駆動モーターの広い速度調整範囲により、新エネルギー車用の従来の多段変速ギアボックスを節約でき、固定ギアセットのみを使用して広い速度調整範囲を実現し、効果的にコストを削減できます。
4) 強力な放熱要件: 新エネルギー車の駆動モーターは出力密度が高いため、放熱の問題が生じます。150KW の従来のパワートレイン アセンブリの体積は約 409L ですが、同じピーク出力を備えた電気自動車のパワートレイン アセンブリの体積は 82L に達する可能性があり、これは従来のパワートレインのわずか 20% にすぎません。小型で高出力の設計は、熱放散、機械的振動、電磁両立性、NVH ハウリングなどの問題を引き起こす可能性があります。モーターのエネルギー変換効率は 90% 以上、ピーク効率は約 95%、平均エネルギー損失は約 10% を占め、この 10% のエネルギー損失はほとんどが発熱の形で反映されます。駆動モーターの消費電力要件は厳しいです。
5) 幅広い高効率: 新エネルギー車、特に純粋な電気自動車は車載バッテリーパックによって駆動され、モーターの効率が航続距離に直接影響するため、モーターの効率に対する要件は非常に高くなります。 。新エネルギー車の駆動モーターは、可能な限り広い高効率動作領域が求められますが、通常の都市部の道路状況では、頻繁に発進したり、超高速で走行し続けることはありません。一定速度で走行しながら加速と追い越し、あるいは減速とブレーキを繰り返す動作のため、特に中間部の動作効率が重要となります。
6) 優れた NVH 性能: 従来の産業用モーターと比較して、新エネルギー車の駆動モーターは顧客の好みにより、より優れた NVH 性能が必要です。さまざまなメーカーや OEM がモーター ノイズの最適化に多大な人的資源と資金を費やしており、現在、駆動モーターの NVH 開発は成熟しています。
2. 永久磁石同期モータの騒音発生のメカニズム
AC モーターの最も一般的な 3 つのタイプは、永久磁石同期モーター、誘導非同期モーター、および同期リラクタンス モーターです。AC モーターのステーターは基本的に同じですが、主な違いはローターです。ステータは主に鉄心とコイルで構成されており、ステータコアは珪素鋼板を積層し、エナメル線をコイル状に巻いてコアスロットに埋め込んで絶縁し、絶縁されたコアはケーシングに挿入され、ステーターを入手します。固定子巻線は交流電源（通常は三相交流、三相交流と空間角120°のコイルの組み合わせにより均一な強さの回転磁界のような合成磁界を形成します）に接続されており、回転磁界を形成し、ローターを回転させます。
永久磁石同期モータの回転子は、鉄心、磁性鋼、圧入シャフトで構成されており、磁性鋼はモータの磁束を供給し、最も大きな影響を与える粉末冶金法による希土類ネオジム鉄ボロンで作られています。モーターの性能について。
永久磁石同期電動機の回転子速度は、固定子磁界の速度、つまり交流の周波数に同期しています。固定子巻線には交流が接続されて回転磁界が発生し、回転子永久磁石の磁界が固定子の回転磁界に誘導されて回転し、電力を出力します。永久磁石同期モータの利点は、高出力密度、高動作効率、大きくて滑らかなトルク、シンプルでコンパクトな構造、および良好な速度調整性能です。
永久磁石同期モータの利点は、高出力密度、高動作効率、大きくて滑らかなトルク、シンプルでコンパクトな構造、および良好な速度調整性能です。
1) 高出力密度: 永久磁石同期モーターの NdFeB 磁性材料は優れた磁気特性を備えているため、励磁のための追加回路を必要とせずに、磁化後に外部エネルギーを増加させ続ける必要がなく、強力な永久磁場を構築することができます。導体に電気を与えると磁場が発生します）。定格電力の下では、同じ絶縁材料と放熱条件を備えた永久磁石同期モータの電力密度は、誘導非同期モータの電力密度の 2 倍以上です。
2) 高い運転効率：回転子に永久磁石を使用しているため、永久磁石同期モータの回転子は通常通電および励磁する必要がなく、それに伴うエネルギー損失が低減され、高効率が得られます。
3) 大きくて滑らかなトルク: 定格電流範囲内で、電流を増やすとモーターのトルクが急速に増加します。また、三相交流により固定子に形成される回転磁界も比較的安定しているため、モータの出力トルクリップルが小さくなり、非同期誘導電動機には大きな利点があります。
4) 優れた速度調整性能: 永久磁石同期モーターの電気、磁気、力の関係は誘導非同期モーターよりも単純であり、速度の調整と制御が容易です。非同期モーターの状態方程式は 4 次であり、ローターとステーターの方程式は結合されています (ローター内の電流はステーター磁界の回転誘導によって生成されます); 永久磁石同期の状態方程式は次のようになります。モータは二次であり、永久磁石の磁界は独立して存在し、その速度調整性能は誘導非同期モータよりも制御が難しくありません。
5) 構造がシンプルでコンパクトです。永久磁石同期駆動モータは、励磁電源構造と励磁巻線構造を設定する必要がないため、構造の複雑さが軽減され、モータ構造が比較的コンパクトであるため、モータの動作が保証されます。より信頼性が高くなります。
永久磁石同期モータのノイズには、モータコントローラノイズ、モータ電磁ノイズ、機械ノイズ、バッテリ冷却ノイズなどが含まれ、主にモータ電磁ノイズと機械ノイズで構成されます。このうち機械騒音には、軸受騒音、減速機鳴き、ロータの偏心などがあり、主に機械部品の動作によって発生します。モーターの電磁ノイズは主にトルク変動（コギングトルク、リップルトルク、時間高調波など）で構成されており、時間高調波など）がモーターシェルに作用し、モーターシェルのモード応答を励起して共振を引き起こします。 。図1は電磁ノイズの発生メカニズムを示す図です。
図1 電磁ノイズのメカニズム図
電磁ノイズは駆動モーター特有の最も重要なノイズです。エアギャップ内の磁界により磁束密度が変化し、その結果交番電磁力が発生し、ステータスロットに作用して電磁力（ラジアル力と接線力）が発生し、電磁力は時間に関係する交番力です。エアギャップ形状、コギング形状などに依存する力。ラジアル方向の磁気誘導強度は接線方向の磁気誘導強度より大きく、ラジアル方向の電磁力は電磁トルクを発生せず、ラジアル方向の力は接線方向の力よりも大きい。接線方向の電磁力はローターを回転させるトルクを生成し、主な機能は交番磁場の確立を維持することです。半径方向の力の波はステーター構造を励起し、ステーター構造は振動して放射ノイズ、特に周波数の放射ノイズを生成します。ラジアル力電磁力波と固定子構造モードが一致している場合、放射ノイズは非常に明白であり、電磁力によって発生するノイズは高周波のハウリング音であり、人間の耳では認識しやすいです。
コギング トルクは永久磁石モータ特有の問題の 1 つであり、ギヤ永久磁石モータの固定子巻線が通電されていないとき、永久磁石の磁界とスロット付き固定子の磁気抵抗との相互作用によって発生するトルクは相互に影響を与えます。永久磁石とステータ間の接線力による相互作用。電力が供給されていない永久磁石モーターのローターとステーターは、磁気抵抗が最小になる位置に自己調整する傾向があり、その結果、周期的なトルクが発生します。コギング トルクは電機子電流とは関係がありません。ステータとロータの相対位置の関数であり、モータ本体の設計特性 (極スロットやモータの構造サイズなど) に関係します。コギングや磁極など）。コギングトルクは永久磁石モータのトルク脈動を引き起こし、速度変動を引き起こし、特に脈動トルクの周波数が電機子電流の共振周波数と一致する場合、モータの振動や異音の原因となります。が発生し、コギングトルク振動や騒音が大きくなるのは避けられません。
リップルトルクとは、永久磁石モータに負荷がかかったときに、ステータの起磁力とロータの電磁特性との相互作用によって発生するトルクです。ステータとロータの高調波誘導強度が同じ場合、リップルトルクは高調波の次数に比例するため、高調波ほどリップルトルクが大きくなります。ローターシュートを使用すると、形成される電磁トルクと誘導起電力は、円内に均等に分布した同じローターバーの平均値と同様になり、歯の高調波磁場によって発生する高調波起電力を効果的に弱めることができ、それによって高調波を弱めることができます。これらによって発生する起電力と高調波磁界による付加トルクにより電磁振動や騒音を低減します。ロータシュートもロータに誘起される基本起電力を低減しますが、一般的に選択されるシュートの角度は磁極ピッチに比べて非常に小さいため、モータの基本性能にはほとんど影響を与えません。鋳造アルミニウムローター非同期モーター 一般的に使用されるローターシュート。
3. 平角モーターのNVHの利点
性能に関する新エネルギー車駆動モーターの特別な要件は、主に、高出力密度、幅広い高効率、幅広い速度調整、大きな始動トルク、および強力な放熱要件に反映されています。したがって、新エネルギー車の駆動モーターの開発トレンドもこれらの性能を中心に展開することになり、現在の主流は平角モーター、油冷モーター、オールインワン電気駆動アセンブリーとなっています。平角線モータは、出力密度が高く、平角銅線間の隙間が大きく、冷却油が浸透しやすいなどの特徴があり、平角モータの開発により直接油冷技術の適用が進んでいます。同時に、冷却油は絶縁性に優れ、減速機やギヤベアリングの潤滑油として使用できるほか、モーターの廃熱を回収して電池パックの保温にも利用でき、直接油冷技術により高速化を実現します。車両の熱管理システムを統合し、オールインワンの電気駆動システムアセンブリの開発を促進する役割も果たします。
平角線モータとは、固定子巻線の従来の円筒状エナメル銅線をヘアピン形状に加工したエナメル銅平角線に置き換えたものです。丸線モーターの固定子巻線の断面では、丸銅線の間に多くの隙間がありますが、平角モーターの固定子巻線の断面では、平角銅線が隙間をよりよく埋めることができます。スロット占有率が向上し、フラットになります。 ワイヤーモーターと丸ワイヤーモーターの本質的な違い。
丸線モーターと比較して、平角モーターの主な利点は、損失の低減と効率の向上です。永久磁石同期モータの損失は、銅損（主に固定子巻線での損失）が約65％、鉄損（固定子鉄心と回転子鉄心での損失）が約20％、残りが損失となります。比較的低いため。平角モータと丸線モータの鉄損は同じですが、主な違いは銅損です。
銅損は、具体的にはDC損失とAC損失に分けられます。丸線モータ、平角モータともに直流損失があり、電流相数と電流実効値が与えられると、直流損失は巻線の直流抵抗に比例します。丸線は細くて抵抗が高いため、一般に、同じ条件下では丸線モーターの方が平角モーターよりも DC 損失が高くなります。丸線巻線の単巻線の断面サイズは小さいため、AC損失は無視できますが、平角線巻線は断面サイズが大きいため、表皮効果と近接効果の影響を受けて比較的大きくなります。効果。
効率の向上と損失の削減に加えて、平角線モーターの使用は、丸線モーターよりも高効率範囲の面積が広く、出力密度が高く、放熱能力が強く、NVH 性能が優れています。ソース分析から、同じ出力、より低い銅損と鉄損が大幅に低減され、より高い効率は各次数のラジアル力の振幅がより低いことも意味し、間接的にNVH全体の主要なラジアル力の包括的な低減をもたらします。平角モータは、スロットからワイヤを挿入し、鉄心の端に直接差し込む必要があるため、スロット設計が小さくなり、コギングトルクが小さくなります; 固定子の剛性が高くなります: 平角モータの巻線剛性が高く、つまり、ステータの全体的な剛性、特に同じラジアル力波を向上させるには、シェルの振動振幅が小さくなり、放射ノイズが小さくなります。
新エネルギー車には航続距離、出力密度、エネルギー利用効率に対する要求がますます高まっており、電気駆動システムは集積化、小型化、軽量化の方向で徐々に発展しています。これまでにリリースされたオールインワン電気駆動システムには、スリーインワン、フォーインワン、シックスインワン、セブンインワン、さらにはエイトインワン電気駆動システムが含まれます。最も一般的なのは、スリーインワン電気駆動システムです。電気駆動システムの「オールインワン」統合ソリューションは、回路とパワー半導体を共有し、ケーブルの量を削減し、電気駆動システムの体積と重量を効果的に削減し、電力密度を高め、軽量化を実現します。モーターアセンブリのNVH制御においてより効果的な役割を果たします。
4. 駆動モーターNVH開発プロセス
一般的なモーターの NVH 開発プロセスは、図 2 に示すように 8 つの部分で構成されます。それらは、設計要件、トポロジー設計、電磁設計、シミュレーション解析、A プロトタイプ、整流最適化、B プロトタイプ、車両マッチングです。
図2 駆動モータNVH開発のフローチャート
1) 設計要件の段階で、性能要件に応じて競合製品を比較し、モータ性能パラメータと NVH 性能指標を決定します。
2) トポロジ設計段階で、モータの種類、ロータの構造、長さと直径の比、スロット数などの構造と NVH への影響を確認します。
3) 電磁設計段階では、モーターの幾何学的寸法、極とスロットのフィット、巻線、材料の選択と NVH への影響、コギング トルク解析などを設計します。
4) シミュレーション解析段階には、図 3 に示すように、電磁シミュレーション、構造シミュレーション、マルチフィジックス シミュレーション、およびその他の性能指標のバランス調整が含まれます。
図3 駆動モータ音響応答のシミュレーションフローチャート
5) 試作段階では、試作機のNVH試験、シミュレーション結果の検証、構造モード試験、騒音源特定試験を実施します。
6) 整流・最適化の段階では、電磁方式の最適化、構造方式の最適化、性能バランス、最適方式の選択が行われます。
7) B プロトタイプ段階では、最適化されたプロトタイプの NVH 受け入れがベンチ上で実行され、車両の NVH 検証が実行され、単一の目標が達成されます。
8) 車両マッチング段階では、車両試験検証、サスペンション設計、音響パッケージ開発、目標達成確認などが行われます。
5。結論
本稿では、新エネルギー駆動モータ業界の発展状況を紹介し、現在業界で主流となっているモータ、つまり永久磁石同期モータの構造、動作原理、騒音メカニズム、原因となるトルク変動とラジアル力波について詳しく解説します。永久磁石同期モータの電磁ノイズの発生メカニズムを詳細に説明し、平角モータのNVH性能上の利点を紹介し、永久磁石同期モータのNVH開発プロセスと永久磁石同期モータのノイズシミュレーションプロセスを説明します。が確立され、駆動モーターのNVH開発の方向性が示されました。
出典 | EDC 電気ドライブの将来