EPS电机性能要求与技术现状分析

金良宽

(1.贵州航天林泉电机有限公司，贵州 贵阳 550081；
2.国家精密微特电机工程技术研究中心，贵州 贵阳 550081)

随着经济社会的快速发展，传统燃油车的大量使用，由此带来了石油资源的不断消耗和环境污染日益严重等问题，节能减排已成为了汽车行业的重要课题。作为汽车的重要组成部分，汽车转向系统是决定汽车行驶安全的核心总成，如何使汽车兼备良好的操纵性能、更高的可靠性及经济性，始终是该领域的重要研究课题[1]。

电动助力转向系统(以下简称“EPS”)主要在传统的转向系统上增加了传感器、控制器、电机等部件，通过电机驱动传统的机械转向系统来实现辅助助力的作用，进而提高驾驶舒适性。汽车在不同路口下转向时，它通过控制器接收和发送指令，使电机起动输出所需的转矩和转速，达到操控稳定、转向灵活轻便、安全行使的效果，使驾驶员操控方向盘有良好的舒适感。该系统具有结构精巧、紧凑、节能、环保等特点，其性能在汽车产业朝着电动化、智能化、网联化发展的今天变得尤其重要[2]。而EPS电机作为其动力源，电机的各方面性能的好坏决定了EPS性能。目前EPS电机的技术和生产工艺等均被国外供应商垄断，国内EPS电机的设计开发正处于起步阶段，电机性能与国外供应商还存在一定差距，因此，相关企业、高校和科研院所非常有必要针对EPS电机的性能提升开展专项研究。

电机是EPS驱动部分的心脏，相比其他类型电机，EPS采用的电机需要满足以下几方面要求[3]：

(1)由于EPS的驱动部分由电机和蜗轮蜗杆的减速机构组成，要求驱动部分功率大，但整车蓄电池提供的电压为12 V直流电，因此电机在低电压下工作时，需要输出较大额定功率，相应的额定电流也非常大，这对电机和控制器的设计提出了更高要求；

(2)基于EPS的响应要求，要求电机转子转动惯量小以及电机具有宽广的调速范围、容易控制、运行平稳、低转矩波动等特点；

(3)基于EPS的动态性能要求，蜗轮蜗杆的减速比不能太大，进而需要减小机械部分尤其是电机转子部分的惯量，同时电机转速不宜太大，目前常用的EPS电机转速在1000 r/min左右；

(4)基于EPS安装在整车上的空间要求，同时为了减小电机转子部分的惯性力矩，提高电机动态响应性能，在保证输出性能的前提下，电机体积应尽可能小。

驱动电机作为EPS的动力源，对整个系统的操作性、可靠性及稳定性起到了至关重要的作用。该类型电机存在功率密度高、转矩大及转矩波动小、摩擦转矩小、齿槽转矩小、噪音低等特点。

目前，各类型电机都已经在电动助力转向系统中获得应用。随着永磁材料技术逐渐成熟，矢量控制、直接转矩控制等控制策略的应用，为永磁同步电机应用于EPS创造了条件。表1为各种EPS电机的主要性能对比。

基于可靠性要求，目前在EPS 中常用的电机为永磁同步电机，该电机具有结构简单、体积小、运行可靠、质量小、损耗低、效率高等优点，该类型电机在EPS领域的应用成功推动EPS的快速发展，符合中国EPS 行业的发展需求，成为EPS用电机的极佳选择[4]。

(1)低齿槽转矩

齿槽转矩在GB/T 2900.25—2008《电工术语旋转电机》里有明确的定义，电机不通电下由于其转子和定子有自行调整至磁阻最小位置的趋势而产生的周期性转矩，即齿槽转矩(cogging torque)。

齿槽转矩是带永磁体的同步电机中一个不可避免的问题，它对电机的运行特性和控制精度有着重要影响，尤其在EPS电机领域，齿槽转矩的大小将直接影响驾驶员操作方向盘时的平顺性。

通常定子铁心为了缠绕漆包线，必须设计齿和槽的结构，齿和槽的存在会引起气隙磁场不均匀，一个齿距的磁通相对集中在齿部，转子的永磁体磁场和定子的齿槽相互作用，其切向分量的力引起的转矩即为齿槽转矩。EPS电机齿槽转矩要求非常高，过高会引起电机的机械振动和噪音过大问题，同时慢打方向盘时会存在抖动，影响整车舒适性，通常EPS电机的齿槽转矩要求小于20 mNm，越小越好，具体需要根据产品结构、加工工艺、成本控制等综合考虑。

在降低EPS电机齿槽转矩方面，通常有以下几种方案：

(a)分块式铁心的定子齿块增加辅助槽

定子齿块增加辅助槽结构如图1所示，辅助槽的宽度L结合槽口宽度确定，深度H需要计算确定。

(b)分块式定子铁心内圆采用偏心圆

定子铁心采用偏心圆结构如图2所示。定子铁心外圆弧R1的圆心O1与内圆弧R2圆心O2相距L。

(c)表贴式内转子磁钢偏心修形

表贴式内转子磁钢偏心修形如图3所示，O1为转子圆心，O2为磁钢外圆弧圆心，偏心距E需要结合电机电磁性能和齿槽转矩要求确定。

(d)转子分段式斜极

转子分段斜极是降低齿槽转矩的最有效方法，设计时需要根据转子结构和极槽配合确定分段数和斜极角度，转子分段斜极结构如图4所示。

分段斜极的角度α按式(1)计算：

(1)

式中，p为电机转子极对数，LCM(Z，2p)为槽数和极数的最小公倍数，Z为定子槽数，n为转子分段数。

另外通过优化定子铁心槽口尺寸、磁钢极弧系数等也可以在一定程度上降低齿槽转矩，实际设计过程中所采用的方案通常需要结合产品平台化设计、加工工艺、制造成本等综合考虑采用一种或几种方案的组合来降低齿槽转矩。

(2)低转矩波动

由于永磁同步电机中存在特有的磁钢和定子铁心结构，定子铁心齿部和磁钢会相互作用产生相应转矩，同时由于负载电流及空载反电势波形的变化不规律，导致电机运行过程中产生相应的谐波转矩，二者叠加使得电机转动过程中存在明显的转矩波动。

转矩波动过大，将引起电机振动严重，噪音偏大，严重影响EPS性能和整车舒适性，因此EPS电机的该项性能指标要求非常高，通常要求小于2%。

本文主要分析电机电磁方面所带来的转矩波动，控制器产生的转矩波动暂不作分析。

电机电磁结构方面，导致转矩波动的主要因素有以下几方面：

磁钢与定子齿槽效应及磁钢结构形式等因素引起的齿槽转矩；

反电势波形不满足正弦规律等引起的谐波转矩；

转子铁心和定子铁心磁路饱和系数的选取；

控制器设计参数与电机参数的合理匹配。

电机输出转矩波形如图5所示，转矩波动计算公式如式(2)所示。

(2)

式中，Tpk为转矩最大值，Tlow为转矩最小值，Tavg为转矩平均值。

电机结构主要从以下三方面开展优化设计降低转矩峰峰值差，进而降低EPS电机的转矩波动。一方面除了前面所述的降低电机的齿槽转矩外；
另一方面通过磁钢和定子铁心优化设计，削弱气隙磁场的高次谐波含量，可以有效降低EPS电机的转矩波动；
最后是通过设置控制器中电机相关的参数。

(3)低振动、低噪音

根据在整车上的安装位置，通常有C-EPS、D-EPS等结构的EPS结构，C-EPS的电驱动总成安装在驾驶舱内部，电机工作时产生的噪音极易被驾驶员及乘客感知，因此该类型EPS电机对噪音要求非常高，通常不高于45 dBA；
D-EPS安装在底盘下，对振动要求非常高，系统的结构设计和安装固定均需考虑振动要求。

EPS电机的振动和噪音主要来源于电机转子的运转不平稳所致，而电机转子运转的平顺性主要与轴承的支撑刚度、定转子同心度等有关，因此在结构设计与分析过程中需要考虑结构刚度和电磁气隙的均匀性，在条件允许下尽可能提高刚度和提高电磁气隙圆周方向的一致性，进而降低轴承孔变形量和气隙不均匀引起的偏心磁拉力引起的振动和噪音。

(4)低发热量

整车行驶路况复杂多变，EPS电机时刻保持在工作状态，尤其在山区和不平整路面，电机输出功率大，相对发热量大，因此此时要求电机发热量不能过大，否则内部温度超过绝缘材料许用温度时将损坏电机，进而导致EPS失效，转向困难，极端情况下会引起交通事故。

针对EPS电机，在降低电机自身发热量方面，通常有：一方面是合理选择电机极对数，极对数过高，电机工作频率较高，导致电机高频损耗增大，进而增大发热量。目前已批量应用的大部分采用6极或8极方案，目前8极是市场上产品主流应用方案；
另外就是合理设计电机电流密度，降低电机铜耗，通常电机的电流密度设计范围为3～7 A/mm2，具体需要结合电机结构综合考虑电机的铜耗、转子涡流损耗、摩擦损耗等，合理设计电机定子和转子参数。

综上所述，EPS电机较普通电机性能要求更高，在设计开发过程中，需要综合考虑性能、工艺实现性、制造成本等，综合选择满足电机性能的设计方案，进而达到EPS对电机低齿槽转矩、低转矩波动、低振动、低噪音、低成本的严苛要求。

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