2024年4月25日发(作者：道清卓)
永磁无刷EPS电机设计 刘敏*1 孙江2
发布时间：2023-05-27T08:16:48.107Z 来源：《工程管理前沿》2023年6期 作者： 刘敏*1 孙江2
[导读] 汽车蓄电池电压为直流电压12V，决定了EPS无刷电机的工作电压是12V，确定了电流，电机的输入功率就确定了，之后确定EPS无
刷电机其它参数，本设计方法以电机相电流为切入点和起始点，抓住EPS无刷电机主要矛盾，设计路线就比较清晰。设计过程比较简单耗
用时间较短。
1.贵州航天林泉电机有限公司苏州公公司 江苏省苏州市 215011
2.贵州航天林泉电机有限公司苏州公公司 江苏省苏州市 215011
摘要：汽车蓄电池电压为直流电压12V，决定了EPS无刷电机的工作电压是12V，确定了电流，电机的输入功率就确定了，之后确定
EPS无刷电机其它参数，本设计方法以电机相电流为切入点和起始点，抓住EPS无刷电机主要矛盾，设计路线就比较清晰。设计过程比较简
单耗用时间较短。
关键词：汽车蓄电池；EPS无刷电机；电机设计；电机相电流
随着节能减排和微电子技术的发展，车载电子助力转向系统（EPS）取代了传统液压转向系统的技术在过去20年间得到飞速的发展[1-
2]。目前国内，有刷电机在EPS电子助力系统上已经大批量配套，以德昌电机、凯宇电器、派尔福为代表的有刷EPS电机生产商，具备非常
成熟的设计和制造能力[3-4]。但是，有刷EPS电机本身的转矩转速特性注定了其在满足最大助力能力需求的条件下，很难去兼顾高速时候的
响应性能，同时电机本身的扭矩常数偏低，受限于车上安装空间限制也导致它无法很好的应对包括B级及以上的乘用车领域的EPS系统[5-
6]。近年来，随着自动驾驶技术的日新月异，具有高可控性，快速响应能力的永磁无刷电机成为现代电子助力转向系统的首选电机[7-8]。
1 无刷EPS电机的结构及工作原理
1.1 无刷EPS电机的结构
无刷EPS电机的结构选择，不仅关系到电机的性能，而且还关系到整个EPS系统的性能是否最优，安装强度和寿命能否覆盖汽车的整个
生命周期。同时又要适合大批量生产，便捷的工艺过程使品质得到很好的保证，提升产品合格率，使得综合成本得到很好的降低[9-10]。
参考一款国外制作商设计和生产的一款9槽6级的标贴式永磁同步电机，该电机定子为分数槽集中绕组，绕组设计3路并联，并通过铜排
引出，汇合到三相引出线上。磁钢与转子铁芯运用胶水粘合并通过注塑高强度树脂塑料来防止磁钢脱落，转子采用分段斜极的结构来降低
齿槽转矩。位置传感器采用经济性能最优的5路霍尔编码的式样，较3路霍尔位置精度提升了4倍，在有效控制成本的同时，极大的提升了电
机的控制精度。两端轴承与轴过盈配合，同时前轴承也与安装端盖铆压配合，严格控制了电机在工作中产生的轴向串动，很好的消除了因
轴向串动导致角度精度反馈出现误差，避免了应角度反馈误差产生的电机异常的不稳定，和扭矩波动[11]。
1.2 表贴式永磁同步电机原理
根据永磁同步电机电压方程：
（1）
式中：E0为基波磁场所产生的每相空载反电势有效值；U为相电压有效值；I1为定子相电流有效值；R1为定子相电阻；Xad、Xaq为直
轴、交轴电枢反应电抗；X1为定子漏抗；Xd为直轴同步电抗，Xd=Xad+X1；Xq为交轴同步电抗，Xq=Xaq+X1；Id、Iq为直、交轴电枢电
流，Id=I1*sinψ，Iq=I1*cosψ；ψ为I1与E0之间的夹具，也叫弱磁角。
永磁同步EPS电机在驻车、低速拐弯等车速较低的情况下，电机往往以Id=0模式工作，在紧急避让，快速转弯等情况下，电机往往需要
进入Id＜0，弱磁模式工作。向量图分别如下所示：
（a） Id=0 （b） Id＜0
图1 向量图
永磁同步电机在稳态运行时，电磁转矩和转矩角特性，可以从上面的向量图得出如下关系：
（2）
解上述方程组得到定子电流的直轴、交轴分量：
（3）
其中定子相电流为：
（4）
电机的输入功率为：
（5）
不考虑定子绕组的电阻，电机的电磁功率为：
（6）
设电机的机械角速度Ω，则电机的电磁转矩为：
（7）
式中：ω为电机电角速度；p为电机的极对数，ω=Ω*p。
式中第一项为永磁气隙磁场与定子电枢反应磁场相互作用产线的电磁转矩，叫永磁转矩；第二项是由于d、q轴磁路不对称而产生的转
矩，叫磁阻转矩。
2 电机电磁设计
2.1 SPMSM电磁设计
1、电机主要尺寸的确定
根据EPS电机实际运用和安装的特点，参考国外电机生产商的安装及工作方式，来确定电机电枢铁芯的直径和长度。
对于永磁同步电机来说，电机的主要尺寸表达式为：
（8）
式中：D为定子内径；Lef为铁芯长度；n为转速；pl为电机功率；αlp为极弧系数；KNm为气隙磁场波形系数；Kdp为绕组系数；A为线
负荷；Bδ为气隙磁密。
考虑EPS特使的使用工况，取A=800 kA/m，铁芯参考样机的安装，取外径85 mm；考虑EPS电机在工作中需要快速的正反切换，对转子
的转动惯量有要求，经过惯量校核，转子外径不能超过45 mm；根据客户提出的低速和高速性能指标，计算得到Lef为30 mm。
2、电机定转子结构及材料的确定
考虑到电机性能需求、人工成本，原材料成本、和生产自动化等，选择了12槽8极分数槽的槽极配合，做成拼块式定子，其优势有如下
几点：
1）EPS电机属于永磁同步电机，由于特殊的应用，要求低速时能短时输出大扭矩，又能跟上高速时系统的响应需求。其安装位置，限
制了电机体积不能大，对扭矩密度和功率密度有很高的要求，需用短时大电流来提供大的扭矩密度输出，漆包线线径尽量粗，降低电密，
控制温升。12槽8极的槽极配合，是集中绕组，单齿绕线，可以绕较粗的漆包线，并保证较高的槽满率，端部短，降低了铜耗，其结构详见
图2。
图2 同步电机结构示意图
2）为了保持EPS系统助力的平顺性，要求电机扭矩输出平顺，波动平稳，就要求电机有较小的齿槽扭矩。另外考虑到大批量生产工艺
的可靠性、简便性，选择拼块是铁芯，能通过槽口较好的优化齿槽转矩。
3）由于相电流大，漆包线粗，12槽8极的配合，最多可以采用并联之路数为4的方式来进行绕线，在保证电负荷的情况下，大大降低了
线径，提升了槽的利用率，间接的增加了扭矩密度，降低了温升。
4）单齿铁芯的冲压生产，提升了材料的利用率；单齿绕线的方式，便于实现大批量自动化的生产。
3、电机永磁材料的选择
EPS电机要求低速大扭矩输出，高速快速响应跟随，且安装位置限制了电机体积，所有需要考虑用高能量密度的稀土类永磁体。目前，
稀土类主要有铝镍钴、钕铁硼、钐估。电机低速大扭矩，需要通过短时大电流来保证，高速响应需要用Id>0的方式，来弱磁控制，两种都
要求永磁体有较好抗去磁能力，铝镍钴这方面恰恰是他的弱点。钐估在去磁，温度系数方面都表现的非常好，考虑到其价格非常昂贵，并
不适合大批量生产运用。钕铁硼在各方面都有这优异的性能，不仅剩磁较高（目前国内厂家最大剩磁已经做到1.4T以上），矫顽力也较好
（已经能做到1350kA/m以上），综合考虑烧结钕铁硼成了EPS电机的首选。其温度等级，根据安装位置的环境温度不一样，驾驶车内部有
较好的散热条件，一般选用H牌号，底盘的散热条件略差，选用SH牌号应对即可。永磁体厚度选取气隙长度的4倍，并通过有限元仿真，对
极限工况下的永磁体进行退磁校核。
4、电机主要参数确定
客户的电机需求输入（详见表1和2）：
表1客户需求1
Table 1 Customer needs
最
大相电
流/A
95
95
95
95
95
95
95
环
线
电压/V
转
速/rpm
转
矩/N.m
境温
度/℃
11
11
11
11
11
11
11
500
700
1050
1400
2000
2500
3300
3.4
3.4
3.4
3.0
2.0
1.5
0.5
65
65
65
65
65
65
65
表2客户需求2
项温
目
值
度
齿
槽转矩
摩
擦转矩
＜
20mN
＜
30mN
＜
平均扭
矩*5%
25℃
25℃
扭
矩波动
25℃
反
电势谐
波含量
＜
0.5%
25℃
根据上述分析，初步确定电机关键参数如下，见表3：
表3电机关键参数
参参
数
数值
数
数值
定
子槽数
转
子极对
数
定
子铁芯
外径
定
子铁芯
材料
定
子铁芯
长度
定
子铁芯
内径
5、小结
12
气
隙长度
永
磁体厚
度
磁
钢牌号
0.9
43.6mm
85mm45H
B50-
470
转
子铁芯
材料
并
联之路
数
匝
B50-
400
30mm2
42mm
数
12
根据EPS电机特殊的应用场合，和其特殊的性能需求，参考一台国外生产商的样机，确定选用12槽8极的分数槽集中绕组，分瓣式的定
子结构，确定了铁芯外径、内径、体积、永磁体大小，牌号、气隙尺寸等相关参数，为后续用有限元软件对电机参数、性能进行详细设
计、校核做充分的准备。
2.1 电机有限元分析
1、有限元模型建立
根据上述电磁设计得到的初始结构参数，在ANSYS中建立12槽8极的SPMSM模型进行分析研究，我们忽略端部效应，采用二维场。同
时，由于12槽8极是由4个单元电机组成，我们只需计算1/4模型，设置主从边界条件即可替代整模型的计算，进一步降低了计算量。
从优化反电势谐波含量和齿槽转矩两个方面考虑，我们采用了转子分段斜极的方式、转子分两段、错开7.5°机械角度。
模型如下图所示：
图3 电机模型图
2、仿真结果与分析
（1）电势波形及电势波形分析
（a） 电势波形 （b） 电势波形
图4 电势波形及电势波形分析
由图4可知，经过分析可得：反电势基波含量较高，采用12槽8极分数槽的槽极配合，表贴式磁钢偏心，转子错极等设计，能很好的削
弱气隙磁场里面谐波含量，从而达到提升反电势中基波含量的效果。从而满足EPS永磁同步电机正弦波驱动的要求，所以反电势的正弦性是
保证电机能够平稳控制运行的基础条件。
（2）齿槽转矩&摩擦转矩
齿槽转矩影响到电机的控制精度，低速运转时的扭矩波动；由于系统自身的减速机构，导致电机摩擦转矩引起的系统损耗在总损耗中
占有较大比值。所有这两项，也是EPS电机比较关注的指标。设置电机在空载状态下，低速旋转，转速一般小于30rpm，下仿真得到如下波
形：
（a） 齿槽转矩
（b） 摩擦转矩
图5 齿槽转矩及摩擦转矩分析
（3）极限温度工况下的退磁仿真
永磁电机在运行中最大的风险就是高温、及电枢反应而引起的退磁，所以在设计过程中对永磁体进行退磁风险校核是必要的。
图6 电机结构仿真图
EPS无刷电机采用正弦波驱动，由于系统本身的减速结构，会导致很小的扭矩波动经过齿轮减速后，会放大的方向盘上，传递到驾驶员
手中。因此扭矩波动的大小也是EPS电机一个重要性能衡量指标。
在正弦波额定电流驱动下，电机的转矩输出曲线：
（a） 电流曲线
（b） 扭矩图
图7 齿槽转矩及摩擦转矩分析
在车载电瓶电压的供电条件下，电机低速的助力大小，高速的跟随性，跟电机的T-N包络线有最直接的关系。
图8 额定电压下的转矩转速曲线
Fig. 8 Torque speed curve at rated voltage
3、样机各项性能实测值
反电势及谐波含量：
（a） 齿槽转矩 （b） 摩擦转矩
图9 反电势及谐波含量图
齿槽及摩擦转矩：
图10 齿槽转矩及摩擦转矩分析
在ID=0控制下，T-N曲线：
图11 ID=0控制下的T-N曲线
在ID=0控制下，扭矩波动曲线：
图12 ID=0控制下的扭矩波动曲线
在弱磁控制下，T-N曲线：
图13 弱磁控制下的T-N曲线
图14 齿槽扭矩测试台架
图15 扭矩波动测试台架
图15 T-N 曲线与反电势测试平台
4、小结
通过有限元建模、求解的基本思路，选择合适的建模形式及边界条件，利用ANSYS有限元仿真软件对EPS电机（SPMSM）进行建模、
求解计算。获得电机在空载下的反电势、齿槽扭矩、摩擦扭矩、额定电流下的扭矩波动和T-N特性，并对极限情况下，磁钢的退磁风险进行
校核。结果表明12槽8极的EPS无刷电机理论分析和设计的有效性。
3 结论
EPS无刷电机是在传统永磁同步电机的基础上进行研究和优化设计，应用在特殊工况的一种电机。本文以一款满足客户具体需求指标为
目标，主要对12槽8极表贴式永磁同步电机（SPMSM），从工作原理，电机结构、电磁基本参数、有限元仿真效验等几个层面展开较为深
入的分析研究。根据其特有的应用工况，设计出一款基本能满足客户性能的EPS无刷电机，对后续在该铁芯平台上拓展设计其他扭矩性能需
求的EPS无刷电机，有深远的意义。
参考文献/References：
[1]唐煌生，武院，冯浩，等.一款军用永磁直流无刷电机控制器的高可靠性设计[J].微电机，2021，54（07）：104-107. DOI：
10.15934/. micromotors. 2021.07.019.
[2]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，2016.
[3]李梓豪，张晓明.Halbach磁极阵列结构在永磁无刷电机的设计应用[J].内燃机与配件，2021（14）：：
10.19475/1674-957x. 2021.14.030.
[4]路文开，张卫，唐杨.舵机用高速永磁无刷直流电动机设计与分析[J].组合机床与自动化加工技术，2019（1）：33-36．
[5]杨凡，惠旋，李敏哲，等.图解霍尔位置偏离对直流无刷电机性能的影响[J].西安航空学院学报，2018，36（5）：65-69．
[6]梁晓峰，刘美钧，李霜，等.小型电动舵机用永磁无刷直流电机设计[J].电机技术，2021（05）：10-13+26.
[7]刘晓宇.高速永磁无刷直流电机优化设计探讨[J].内燃机与配件，2020（12）：：10.19475/1674-957x.2020.12.044.
[8]周凤争，孟庆霖，孟峥峥，等.高速永磁无刷直流电机转子优化设计与试验研究[J].微电机，2019，052（003）：5-8.
[9]李伟起，林荣文，陶涛.基于内置式永磁无刷直流电机气隙长度的优化设计[J].电气开关，2020，58（05）：58-63.
[10]井立兵，龚俊，章跃进，等.Halbach阵列磁力变速永磁无刷电机解析计算与设计[J].电工技术学报，2020，35（05）：954-962.
DOI：10.19595/.1000- .190447.
[11]孙丽华，孙会琴，郭英军，等.车用内置径向式永磁同步电机的降振优化设计[J].河北科技大学学报，2022，v.43；No.164（01）：
19-26.
2024年4月25日发(作者：道清卓)
永磁无刷EPS电机设计 刘敏*1 孙江2
发布时间：2023-05-27T08:16:48.107Z 来源：《工程管理前沿》2023年6期 作者： 刘敏*1 孙江2
[导读] 汽车蓄电池电压为直流电压12V，决定了EPS无刷电机的工作电压是12V，确定了电流，电机的输入功率就确定了，之后确定EPS无
刷电机其它参数，本设计方法以电机相电流为切入点和起始点，抓住EPS无刷电机主要矛盾，设计路线就比较清晰。设计过程比较简单耗
用时间较短。
1.贵州航天林泉电机有限公司苏州公公司 江苏省苏州市 215011
2.贵州航天林泉电机有限公司苏州公公司 江苏省苏州市 215011
摘要：汽车蓄电池电压为直流电压12V，决定了EPS无刷电机的工作电压是12V，确定了电流，电机的输入功率就确定了，之后确定
EPS无刷电机其它参数，本设计方法以电机相电流为切入点和起始点，抓住EPS无刷电机主要矛盾，设计路线就比较清晰。设计过程比较简
单耗用时间较短。
关键词：汽车蓄电池；EPS无刷电机；电机设计；电机相电流
随着节能减排和微电子技术的发展，车载电子助力转向系统（EPS）取代了传统液压转向系统的技术在过去20年间得到飞速的发展[1-
2]。目前国内，有刷电机在EPS电子助力系统上已经大批量配套，以德昌电机、凯宇电器、派尔福为代表的有刷EPS电机生产商，具备非常
成熟的设计和制造能力[3-4]。但是，有刷EPS电机本身的转矩转速特性注定了其在满足最大助力能力需求的条件下，很难去兼顾高速时候的
响应性能，同时电机本身的扭矩常数偏低，受限于车上安装空间限制也导致它无法很好的应对包括B级及以上的乘用车领域的EPS系统[5-
6]。近年来，随着自动驾驶技术的日新月异，具有高可控性，快速响应能力的永磁无刷电机成为现代电子助力转向系统的首选电机[7-8]。
1 无刷EPS电机的结构及工作原理
1.1 无刷EPS电机的结构
无刷EPS电机的结构选择，不仅关系到电机的性能，而且还关系到整个EPS系统的性能是否最优，安装强度和寿命能否覆盖汽车的整个
生命周期。同时又要适合大批量生产，便捷的工艺过程使品质得到很好的保证，提升产品合格率，使得综合成本得到很好的降低[9-10]。
参考一款国外制作商设计和生产的一款9槽6级的标贴式永磁同步电机，该电机定子为分数槽集中绕组，绕组设计3路并联，并通过铜排
引出，汇合到三相引出线上。磁钢与转子铁芯运用胶水粘合并通过注塑高强度树脂塑料来防止磁钢脱落，转子采用分段斜极的结构来降低
齿槽转矩。位置传感器采用经济性能最优的5路霍尔编码的式样，较3路霍尔位置精度提升了4倍，在有效控制成本的同时，极大的提升了电
机的控制精度。两端轴承与轴过盈配合，同时前轴承也与安装端盖铆压配合，严格控制了电机在工作中产生的轴向串动，很好的消除了因
轴向串动导致角度精度反馈出现误差，避免了应角度反馈误差产生的电机异常的不稳定，和扭矩波动[11]。
1.2 表贴式永磁同步电机原理
根据永磁同步电机电压方程：
（1）
式中：E0为基波磁场所产生的每相空载反电势有效值；U为相电压有效值；I1为定子相电流有效值；R1为定子相电阻；Xad、Xaq为直
轴、交轴电枢反应电抗；X1为定子漏抗；Xd为直轴同步电抗，Xd=Xad+X1；Xq为交轴同步电抗，Xq=Xaq+X1；Id、Iq为直、交轴电枢电
流，Id=I1*sinψ，Iq=I1*cosψ；ψ为I1与E0之间的夹具，也叫弱磁角。
永磁同步EPS电机在驻车、低速拐弯等车速较低的情况下，电机往往以Id=0模式工作，在紧急避让，快速转弯等情况下，电机往往需要
进入Id＜0，弱磁模式工作。向量图分别如下所示：
（a） Id=0 （b） Id＜0
图1 向量图
永磁同步电机在稳态运行时，电磁转矩和转矩角特性，可以从上面的向量图得出如下关系：
（2）
解上述方程组得到定子电流的直轴、交轴分量：
（3）
其中定子相电流为：
（4）
电机的输入功率为：
（5）
不考虑定子绕组的电阻，电机的电磁功率为：
（6）
设电机的机械角速度Ω，则电机的电磁转矩为：
（7）
式中：ω为电机电角速度；p为电机的极对数，ω=Ω*p。
式中第一项为永磁气隙磁场与定子电枢反应磁场相互作用产线的电磁转矩，叫永磁转矩；第二项是由于d、q轴磁路不对称而产生的转
矩，叫磁阻转矩。
2 电机电磁设计
2.1 SPMSM电磁设计
1、电机主要尺寸的确定
根据EPS电机实际运用和安装的特点，参考国外电机生产商的安装及工作方式，来确定电机电枢铁芯的直径和长度。
对于永磁同步电机来说，电机的主要尺寸表达式为：
（8）
式中：D为定子内径；Lef为铁芯长度；n为转速；pl为电机功率；αlp为极弧系数；KNm为气隙磁场波形系数；Kdp为绕组系数；A为线
负荷；Bδ为气隙磁密。
考虑EPS特使的使用工况，取A=800 kA/m，铁芯参考样机的安装，取外径85 mm；考虑EPS电机在工作中需要快速的正反切换，对转子
的转动惯量有要求，经过惯量校核，转子外径不能超过45 mm；根据客户提出的低速和高速性能指标，计算得到Lef为30 mm。
2、电机定转子结构及材料的确定
考虑到电机性能需求、人工成本，原材料成本、和生产自动化等，选择了12槽8极分数槽的槽极配合，做成拼块式定子，其优势有如下
几点：
1）EPS电机属于永磁同步电机，由于特殊的应用，要求低速时能短时输出大扭矩，又能跟上高速时系统的响应需求。其安装位置，限
制了电机体积不能大，对扭矩密度和功率密度有很高的要求，需用短时大电流来提供大的扭矩密度输出，漆包线线径尽量粗，降低电密，
控制温升。12槽8极的槽极配合，是集中绕组，单齿绕线，可以绕较粗的漆包线，并保证较高的槽满率，端部短，降低了铜耗，其结构详见
图2。
图2 同步电机结构示意图
2）为了保持EPS系统助力的平顺性，要求电机扭矩输出平顺，波动平稳，就要求电机有较小的齿槽扭矩。另外考虑到大批量生产工艺
的可靠性、简便性，选择拼块是铁芯，能通过槽口较好的优化齿槽转矩。
3）由于相电流大，漆包线粗，12槽8极的配合，最多可以采用并联之路数为4的方式来进行绕线，在保证电负荷的情况下，大大降低了
线径，提升了槽的利用率，间接的增加了扭矩密度，降低了温升。
4）单齿铁芯的冲压生产，提升了材料的利用率；单齿绕线的方式，便于实现大批量自动化的生产。
3、电机永磁材料的选择
EPS电机要求低速大扭矩输出，高速快速响应跟随，且安装位置限制了电机体积，所有需要考虑用高能量密度的稀土类永磁体。目前，
稀土类主要有铝镍钴、钕铁硼、钐估。电机低速大扭矩，需要通过短时大电流来保证，高速响应需要用Id>0的方式，来弱磁控制，两种都
要求永磁体有较好抗去磁能力，铝镍钴这方面恰恰是他的弱点。钐估在去磁，温度系数方面都表现的非常好，考虑到其价格非常昂贵，并
不适合大批量生产运用。钕铁硼在各方面都有这优异的性能，不仅剩磁较高（目前国内厂家最大剩磁已经做到1.4T以上），矫顽力也较好
（已经能做到1350kA/m以上），综合考虑烧结钕铁硼成了EPS电机的首选。其温度等级，根据安装位置的环境温度不一样，驾驶车内部有
较好的散热条件，一般选用H牌号，底盘的散热条件略差，选用SH牌号应对即可。永磁体厚度选取气隙长度的4倍，并通过有限元仿真，对
极限工况下的永磁体进行退磁校核。
4、电机主要参数确定
客户的电机需求输入（详见表1和2）：
表1客户需求1
Table 1 Customer needs
最
大相电
流/A
95
95
95
95
95
95
95
环
线
电压/V
转
速/rpm
转
矩/N.m
境温
度/℃
11
11
11
11
11
11
11
500
700
1050
1400
2000
2500
3300
3.4
3.4
3.4
3.0
2.0
1.5
0.5
65
65
65
65
65
65
65
表2客户需求2
项温
目
值
度
齿
槽转矩
摩
擦转矩
＜
20mN
＜
30mN
＜
平均扭
矩*5%
25℃
25℃
扭
矩波动
25℃
反
电势谐
波含量
＜
0.5%
25℃
根据上述分析，初步确定电机关键参数如下，见表3：
表3电机关键参数
参参
数
数值
数
数值
定
子槽数
转
子极对
数
定
子铁芯
外径
定
子铁芯
材料
定
子铁芯
长度
定
子铁芯
内径
5、小结
12
气
隙长度
永
磁体厚
度
磁
钢牌号
0.9
43.6mm
85mm45H
B50-
470
转
子铁芯
材料
并
联之路
数
匝
B50-
400
30mm2
42mm
数
12
根据EPS电机特殊的应用场合，和其特殊的性能需求，参考一台国外生产商的样机，确定选用12槽8极的分数槽集中绕组，分瓣式的定
子结构，确定了铁芯外径、内径、体积、永磁体大小，牌号、气隙尺寸等相关参数，为后续用有限元软件对电机参数、性能进行详细设
计、校核做充分的准备。
2.1 电机有限元分析
1、有限元模型建立
根据上述电磁设计得到的初始结构参数，在ANSYS中建立12槽8极的SPMSM模型进行分析研究，我们忽略端部效应，采用二维场。同
时，由于12槽8极是由4个单元电机组成，我们只需计算1/4模型，设置主从边界条件即可替代整模型的计算，进一步降低了计算量。
从优化反电势谐波含量和齿槽转矩两个方面考虑，我们采用了转子分段斜极的方式、转子分两段、错开7.5°机械角度。
模型如下图所示：
图3 电机模型图
2、仿真结果与分析
（1）电势波形及电势波形分析
（a） 电势波形 （b） 电势波形
图4 电势波形及电势波形分析
由图4可知，经过分析可得：反电势基波含量较高，采用12槽8极分数槽的槽极配合，表贴式磁钢偏心，转子错极等设计，能很好的削
弱气隙磁场里面谐波含量，从而达到提升反电势中基波含量的效果。从而满足EPS永磁同步电机正弦波驱动的要求，所以反电势的正弦性是
保证电机能够平稳控制运行的基础条件。
（2）齿槽转矩&摩擦转矩
齿槽转矩影响到电机的控制精度，低速运转时的扭矩波动；由于系统自身的减速机构，导致电机摩擦转矩引起的系统损耗在总损耗中
占有较大比值。所有这两项，也是EPS电机比较关注的指标。设置电机在空载状态下，低速旋转，转速一般小于30rpm，下仿真得到如下波
形：
（a） 齿槽转矩
（b） 摩擦转矩
图5 齿槽转矩及摩擦转矩分析
（3）极限温度工况下的退磁仿真
永磁电机在运行中最大的风险就是高温、及电枢反应而引起的退磁，所以在设计过程中对永磁体进行退磁风险校核是必要的。
图6 电机结构仿真图
EPS无刷电机采用正弦波驱动，由于系统本身的减速结构，会导致很小的扭矩波动经过齿轮减速后，会放大的方向盘上，传递到驾驶员
手中。因此扭矩波动的大小也是EPS电机一个重要性能衡量指标。
在正弦波额定电流驱动下，电机的转矩输出曲线：
（a） 电流曲线
（b） 扭矩图
图7 齿槽转矩及摩擦转矩分析
在车载电瓶电压的供电条件下，电机低速的助力大小，高速的跟随性，跟电机的T-N包络线有最直接的关系。
图8 额定电压下的转矩转速曲线
Fig. 8 Torque speed curve at rated voltage
3、样机各项性能实测值
反电势及谐波含量：
（a） 齿槽转矩 （b） 摩擦转矩
图9 反电势及谐波含量图
齿槽及摩擦转矩：
图10 齿槽转矩及摩擦转矩分析
在ID=0控制下，T-N曲线：
图11 ID=0控制下的T-N曲线
在ID=0控制下，扭矩波动曲线：
图12 ID=0控制下的扭矩波动曲线
在弱磁控制下，T-N曲线：
图13 弱磁控制下的T-N曲线
图14 齿槽扭矩测试台架
图15 扭矩波动测试台架
图15 T-N 曲线与反电势测试平台
4、小结
通过有限元建模、求解的基本思路，选择合适的建模形式及边界条件，利用ANSYS有限元仿真软件对EPS电机（SPMSM）进行建模、
求解计算。获得电机在空载下的反电势、齿槽扭矩、摩擦扭矩、额定电流下的扭矩波动和T-N特性，并对极限情况下，磁钢的退磁风险进行
校核。结果表明12槽8极的EPS无刷电机理论分析和设计的有效性。
3 结论
EPS无刷电机是在传统永磁同步电机的基础上进行研究和优化设计，应用在特殊工况的一种电机。本文以一款满足客户具体需求指标为
目标，主要对12槽8极表贴式永磁同步电机（SPMSM），从工作原理，电机结构、电磁基本参数、有限元仿真效验等几个层面展开较为深
入的分析研究。根据其特有的应用工况，设计出一款基本能满足客户性能的EPS无刷电机，对后续在该铁芯平台上拓展设计其他扭矩性能需
求的EPS无刷电机，有深远的意义。
参考文献/References：
[1]唐煌生，武院，冯浩，等.一款军用永磁直流无刷电机控制器的高可靠性设计[J].微电机，2021，54（07）：104-107. DOI：
10.15934/. micromotors. 2021.07.019.
[2]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，2016.
[3]李梓豪，张晓明.Halbach磁极阵列结构在永磁无刷电机的设计应用[J].内燃机与配件，2021（14）：：
10.19475/1674-957x. 2021.14.030.
[4]路文开，张卫，唐杨.舵机用高速永磁无刷直流电动机设计与分析[J].组合机床与自动化加工技术，2019（1）：33-36．
[5]杨凡，惠旋，李敏哲，等.图解霍尔位置偏离对直流无刷电机性能的影响[J].西安航空学院学报，2018，36（5）：65-69．
[6]梁晓峰，刘美钧，李霜，等.小型电动舵机用永磁无刷直流电机设计[J].电机技术，2021（05）：10-13+26.
[7]刘晓宇.高速永磁无刷直流电机优化设计探讨[J].内燃机与配件，2020（12）：：10.19475/1674-957x.2020.12.044.
[8]周凤争，孟庆霖，孟峥峥，等.高速永磁无刷直流电机转子优化设计与试验研究[J].微电机，2019，052（003）：5-8.
[9]李伟起，林荣文，陶涛.基于内置式永磁无刷直流电机气隙长度的优化设计[J].电气开关，2020，58（05）：58-63.
[10]井立兵，龚俊，章跃进，等.Halbach阵列磁力变速永磁无刷电机解析计算与设计[J].电工技术学报，2020，35（05）：954-962.
DOI：10.19595/.1000- .190447.
[11]孙丽华，孙会琴，郭英军，等.车用内置径向式永磁同步电机的降振优化设计[J].河北科技大学学报，2022，v.43；No.164（01）：
19-26.