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電動(dòng)汽車用高功率密度感應(yīng)電機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

2020-06-30 00:16:21·  來(lái)源：EDC電驅(qū)未來(lái)  作者：謝穎， 黎志偉丨哈爾濱理工大學(xué)  
　
摘 要:針對(duì)目前永磁材料價(jià)格大幅度上漲，永磁電機(jī)和電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)成本增加的問(wèn)題，給出了一個(gè)高功率密度感應(yīng)電機(jī)方案，并介紹了方案的設(shè)計(jì)過(guò)程和感應(yīng)電機(jī)提高
摘 要:

針對(duì)目前永磁材料價(jià)格大幅度上漲，永磁電機(jī)和電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)成本增加的問(wèn)題，給出了一個(gè)高功率密度感應(yīng)電機(jī)方案，并介紹了方案的設(shè)計(jì)過(guò)程和感應(yīng)電機(jī)提高功率密度的方法。運(yùn)用有限元法計(jì)算了電機(jī)的輸出能力、溫升和轉(zhuǎn)子強(qiáng)度等關(guān)鍵性能。通過(guò)參數(shù)化掃描電機(jī)的氣隙長(zhǎng)度和鐵心長(zhǎng)度，總結(jié)了它們對(duì)電機(jī)性能的影響。計(jì)算了電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的損耗分布，并設(shè)計(jì)了機(jī)殼水冷回路，通過(guò)電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合計(jì)算，得出了電機(jī)的溫度分布規(guī)律。最后，為了保證電機(jī)轉(zhuǎn)子高速運(yùn)行時(shí)的可靠性，計(jì)算了轉(zhuǎn)子形變趨勢(shì)和應(yīng)力分布，得到了應(yīng)力隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。結(jié)果表明，該電機(jī)具有良好的輸出性能，并且散熱能力好，可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。
 
電動(dòng)汽車用高功率密度感應(yīng)電機(jī)的設(shè)計(jì)與研究
 
0 引 言

電動(dòng)汽車對(duì)成本和里程特別敏感，電機(jī)的降本和減重工作也就尤為重要。目前國(guó)內(nèi)各大車企的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)商重心都在開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)速更高，更加集成化的電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)一汽集團(tuán)、精進(jìn)電動(dòng)和上海電驅(qū)動(dòng)等，國(guó)外普銳斯、采埃孚和特斯拉等都開(kāi)發(fā)出峰值功率密度大于4.0 kW/kg的電機(jī)產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)了電驅(qū)動(dòng)一體化集成，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)用最多的是永磁同步電機(jī)，其次就是感應(yīng)電機(jī)，國(guó)外特斯拉和奧迪等，國(guó)內(nèi)蔚來(lái)汽車都有成熟的感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。感應(yīng)電機(jī)相比永磁電機(jī)，物料和制造成本低，性能可靠，沒(méi)有退磁風(fēng)險(xiǎn)。本文電機(jī)是針對(duì)Y2系列感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，沒(méi)有采用銅條轉(zhuǎn)子、超薄硅鋼片和薄壁機(jī)殼等技術(shù)，峰值功率密度為3.3 kW/kg左右，與國(guó)際先進(jìn)水平還存在差距。

本文給出了一個(gè)高功率密度感應(yīng)電機(jī)方案，并介紹了電機(jī)方案的設(shè)計(jì)過(guò)程和感應(yīng)電機(jī)提高功率密度的方法。通過(guò)多物理場(chǎng)耦合計(jì)算，得到了電機(jī)某些關(guān)鍵尺寸對(duì)性能的影響，并分析了電機(jī)斜槽對(duì)氣隙磁密諧波的影響，通過(guò)溫度場(chǎng)和力學(xué)計(jì)算，得到了電機(jī)的溫度分布和轉(zhuǎn)子應(yīng)力分布規(guī)律，驗(yàn)證了電機(jī)方案設(shè)計(jì)的合理性。
 
1 高功率密度電機(jī)的設(shè)計(jì)與分析
 
1.1 設(shè)計(jì)思路

電機(jī)電樞體積、轉(zhuǎn)速、功率和電機(jī)常數(shù)之間有以下關(guān)系

                                (1)

式中：D為電樞直徑；lef為有效長(zhǎng)度；n為電樞旋轉(zhuǎn)速度；P′為電機(jī)功率；為極弧系數(shù)；KNm為波形系數(shù)；Kdp為電機(jī)繞組系數(shù)；A表示電機(jī)安匝數(shù)；Bδ為氣隙中的磁密；CA為常數(shù)。
 
從式(1)中可以看出，可以通過(guò)以下幾種途徑來(lái)提高電機(jī)功率密度：1)優(yōu)化電磁方案；2)提高頻率和轉(zhuǎn)速；3)增加電磁負(fù)荷；4)改善冷卻能力。

1.2 電機(jī)基本參數(shù)
 
通過(guò)感應(yīng)電機(jī)電磁計(jì)算程序，初步確定電機(jī)主要尺寸、極數(shù)和所需要的安匝數(shù)，然后通過(guò)有限元法參數(shù)化掃描具體參數(shù)，得到最優(yōu)的電磁方案。借用Y2系列112機(jī)座號(hào)2極方案的沖片，避免重新開(kāi)模的費(fèi)用，減少電機(jī)加工成本。電機(jī)額定功率、效率和額定轉(zhuǎn)矩等基本參數(shù)如表1所示。

通過(guò)表1中的功率和有效材料重量數(shù)據(jù)計(jì)算可得本文電磁方案的額定功率密度為3.3 kW/kg，相比Y2系列電機(jī)提高了5～8倍。

表1 電機(jī)基本參數(shù)
Table 1 Basic parameters of motor
 
1.3 長(zhǎng)徑比的選擇

在電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先要確定的就是鐵心長(zhǎng)度和電樞直徑的尺寸，兩者的比值可以看出電機(jī)的設(shè)計(jì)是否合理，還有電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合。對(duì)于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在電流模塊和電壓模塊的限制下，鐵心長(zhǎng)度對(duì)電機(jī)性能影響很大。先保證其他尺寸參數(shù)不變，對(duì)鐵心長(zhǎng)度進(jìn)行參數(shù)化掃描，來(lái)研究和分析其對(duì)電機(jī)性能和效率的影響。如圖1、圖2和圖3所示為計(jì)算結(jié)果。
圖1 鐵心長(zhǎng)度對(duì)定子相電流的影響
Fig.1 Influence of core length on stator phase current
圖2 鐵心長(zhǎng)度對(duì)功率因數(shù)cosφ和效率η的影響
Fig.2 Influence of core length on cosφ and η
 
電動(dòng)汽車用高功率密度感應(yīng)電機(jī)的設(shè)計(jì)與研究
圖3 鐵心長(zhǎng)度對(duì)電機(jī)損耗的影響
Fig.3 Influence of core length on motor loss

圖1為鐵心長(zhǎng)度對(duì)定子相電流的影響，在相同電壓模塊下，鐵心加長(zhǎng)，電機(jī)鐵心磁密降低，用來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的激磁電流減小，電流中無(wú)功分量隨之減少，定子相電流也跟著減小，這樣如果相同電流模塊的話，出轉(zhuǎn)矩能力會(huì)增加。電機(jī)的功率因數(shù)隨著激磁電流含量的減小而增大。鐵心加長(zhǎng)，定子相電阻和轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電阻增加，銅損和鋁損會(huì)有相應(yīng)的改變，特別是轉(zhuǎn)子鋁損會(huì)隨著鐵心加長(zhǎng)一直增加，而鐵損隨著磁密減小而降低，定子相電阻增加而相電流減小，所以定子銅損變化相對(duì)較小，這一點(diǎn)從圖3中可以看出。

因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)方案為車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)，對(duì)電機(jī)的外包絡(luò)有一定的尺寸限制，所以電機(jī)的軸向尺寸不能太長(zhǎng)，在滿足溫升限制的前提下，功率密度還要盡可能的高，出轉(zhuǎn)矩能力則要求更大，兩者相互制約，所以鐵心長(zhǎng)度選擇275 mm，溫升計(jì)算結(jié)果則在后續(xù)小節(jié)中給出。

1.4 氣隙長(zhǎng)度的選擇
 
感應(yīng)電機(jī)的氣隙長(zhǎng)度相比永磁同步電機(jī)要小一些，因?yàn)楦袘?yīng)電機(jī)沒(méi)有電樞反應(yīng)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)相比永磁電機(jī)要小很多。氣隙長(zhǎng)度對(duì)電機(jī)出轉(zhuǎn)矩和出功率能力影響很大，在相同電壓模塊下，氣隙長(zhǎng)度對(duì)電機(jī)定子相電流、功率因數(shù)和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響如圖4、圖5和圖6所示。從圖中可以看出，氣隙長(zhǎng)度跟定子相電流成正比，是因?yàn)榇抛柙龃?，需要的激磁電流增加了，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)降低。但是氣隙增大可以充分過(guò)濾氣隙磁場(chǎng)中的諧波含量，使得轉(zhuǎn)矩波動(dòng)減小，改善電機(jī)NVH性能。
圖4 氣隙長(zhǎng)度對(duì)定子相電流的影響
Fig.4 Influence of air gap length on stator phase current

在滿足汽車輪端扭矩的前提下，要充分考慮電機(jī)的效率和NVH性能，所以氣隙長(zhǎng)度選0.7 mm。
 
1.5 冷卻方式的選擇

車用高密度電機(jī)的損耗密度很大，所以冷卻能力是其重要指標(biāo)之一，好的散熱可以使電機(jī)的輸出能力有很大的提升。目前市場(chǎng)上的車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)已經(jīng)見(jiàn)不到采用風(fēng)冷的，基本全是水冷，也有少部分采用冷卻性能更好地油冷，但是油冷對(duì)電機(jī)定子組件中的絕緣片、套管、樹(shù)脂漆等輔料以及漆包線的要求很高，工藝上也有很大的難度，會(huì)使電機(jī)成本大幅增加，所以主流還是水冷方式。
 
電動(dòng)汽車用高功率密度感應(yīng)電機(jī)的設(shè)計(jì)與研究1
圖5 氣隙長(zhǎng)度對(duì)功率因數(shù)和效率曲線的影響
Fig.5 Influence of air gap length on cosφ and η
圖6 氣隙長(zhǎng)度對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響
Fig.6 Influence of air gap length on torque ripple

水冷也有很多不同的結(jié)構(gòu)，比如機(jī)殼冷卻、軸內(nèi)水冷和端蓋水冷等，機(jī)殼水冷又有軸向水路和周向水路等。本文設(shè)計(jì)的電機(jī)方案采用周向水路，機(jī)殼示意圖如圖7所示。
 
圖7 水冷機(jī)殼示意圖
Fig.7 Diagrammatic sketch of water-cooled shell
 
2 電機(jī)性能分析
 
2.1 電磁場(chǎng)計(jì)算模型

有限元模型中，根據(jù)電機(jī)各部分模型的重要程度，對(duì)鐵心、繞組和導(dǎo)條等進(jìn)行不同精度的網(wǎng)格剖分，可以在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，節(jié)省時(shí)間和資源。電機(jī)的定轉(zhuǎn)子沖片模型以及各部分剖分模型如圖8所示。
在電磁場(chǎng)仿真時(shí)，可以通過(guò)參數(shù)化掃描轉(zhuǎn)子初始位置角來(lái)模擬轉(zhuǎn)子斜槽，原理是軸向上將電機(jī)簡(jiǎn)化為多段直槽電機(jī)。電機(jī)磁場(chǎng)求解域和定轉(zhuǎn)子邊界條件簡(jiǎn)化公式為：
 
                                      (2)

式中：D為電機(jī)磁場(chǎng)求解域；Γ1為定子外邊界和轉(zhuǎn)子內(nèi)邊界；Az為z方向矢量磁位；Jz為源電流密度在z方向上的分量；為渦流密度；μ、σ分別為相對(duì)磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率。
 
電動(dòng)汽車用高功率密度感應(yīng)電機(jī)的設(shè)計(jì)與研究2
圖8 電機(jī)有限元模型
Fig.8 Finite element model of motor

2.2 電磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析
 
如圖9所示為電機(jī)額定工況下定轉(zhuǎn)子鐵心中的磁力線和磁密分布，從圖中可以看出，電機(jī)為2極電機(jī)。為了使磁密分布合理，2極電機(jī)定轉(zhuǎn)子軛部比較厚。磁密最大處出現(xiàn)在齒頂，為1.985 T，其他部分磁密分布也比較合理。

額定工況下，氣隙磁場(chǎng)中的三維磁密分布如圖10所示，從圖中可以看出，軸向上磁密最高處有偏移，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子斜槽的原因。圖11是轉(zhuǎn)子斜槽和不斜槽時(shí)，氣隙磁密諧波波形和其諧波分解后的幅值對(duì)比。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)子斜槽后，氣隙磁密波形更加正弦，各次諧波幅值也大幅度降低，可以有效的改善電機(jī)的NVH性能。
 
圖9 電機(jī)額定工況磁場(chǎng)分布
Fig.9 Distribution of magnetic field on rated load
 
圖10 三維氣隙磁密
Fig.10 3D magnetic flux density
圖11 氣隙磁密波形及諧波分析
Fig.11 Curve and harmonic of the air gap flux density
 
電機(jī)額定工況下鐵心損耗密度分布如圖12所示。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)子軛部損耗可以忽略不計(jì)。
 
圖12 鐵心損耗密度分布
Fig.12 Distribution of the core loss density
 
2.3 電機(jī)輸出性能

車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)比較關(guān)注電機(jī)的峰值輸出能力，也就是峰值轉(zhuǎn)矩和峰值功率，所以在電流模塊和電壓模塊選定后，通過(guò)有限元法計(jì)算電機(jī)的輸出外特性，如圖13所示。從圖中可以看出，電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩為190 N·m，峰值功率為130 kW，可以滿足大部分乘用車的動(dòng)力需求。
 
感應(yīng)電機(jī)與永磁同步電機(jī)相比，高速區(qū)會(huì)掉功率，這是因?yàn)楦袘?yīng)電機(jī)特性比較軟，沒(méi)有永磁磁通來(lái)維持高速區(qū)的氣隙磁通，只能通過(guò)電壓源來(lái)調(diào)節(jié)氣隙磁通，但隨著轉(zhuǎn)速的增加，電壓達(dá)到模塊最大輸出能力時(shí)，磁通會(huì)大幅度下降。

電動(dòng)汽車用高功率密度感應(yīng)電機(jī)的設(shè)計(jì)與研究3
圖13 輸出外特性
Fig.13 Output performance
 
汽車的運(yùn)行區(qū)間非常廣，車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)不只是關(guān)注電機(jī)的峰值效率，更加關(guān)注的是整個(gè)運(yùn)行區(qū)間的效率分布，所以本文通過(guò)有限元法計(jì)算了電機(jī)整個(gè)運(yùn)行區(qū)間的效率Map分布，如圖14所示。從圖中可以看出，本文設(shè)計(jì)的感應(yīng)電機(jī)峰值效率為94.8%，效率大于90%的高效率區(qū)范圍也很大，能夠滿足車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的需求。感應(yīng)電機(jī)相比永磁電機(jī)，高效區(qū)比較靠后，所以可以通過(guò)提高減速比來(lái)縮小與永磁同步電機(jī)的差距。
 
電動(dòng)汽車用高功率密度感應(yīng)電機(jī)的設(shè)計(jì)與研究4
圖14 效率Map
Fig.14 Efficiency Map
 
3 電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算與分析

車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)為了追求提高功率密度，峰值轉(zhuǎn)矩和峰值轉(zhuǎn)速非常大，高轉(zhuǎn)矩區(qū)的銅耗、高轉(zhuǎn)速區(qū)的鐵耗和風(fēng)磨損耗非常高，所以在電機(jī)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須要估算電機(jī)的溫升，以溫升作為一個(gè)的外邊界條件。本文采用有限元法，將瞬態(tài)電磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果耦合到三維溫度場(chǎng)中計(jì)算電機(jī)的溫度。
 
3.1 溫度場(chǎng)計(jì)算模型

區(qū)別于電磁場(chǎng)模型，電機(jī)各部分損耗密度都不相同，需要將模型進(jìn)行更加細(xì)致的分割，將定轉(zhuǎn)子鐵心齒部和軛部分別建模。本文在電磁場(chǎng)模型的基礎(chǔ)上建立了帶有水冷機(jī)殼的溫度場(chǎng)模型，模型及剖分圖如圖15(a)、(b)所示。定子繞組等效模型如圖15(c)所示，為了簡(jiǎn)化計(jì)算和提高計(jì)算精度，將槽絕緣、漆包線簡(jiǎn)化成等效繞組和等效絕緣兩部分，并將電機(jī)剖分成六面體。

3.2 電機(jī)損耗計(jì)算
 
鐵心損耗包括磁滯損耗，渦流損耗和異常損耗，三項(xiàng)計(jì)算公式如下，鐵耗與頻率和磁密成正比，高速區(qū)鐵耗占比會(huì)增加。

PFe=Ph+Pc+Pe=
 
電動(dòng)汽車用高功率密度感應(yīng)電機(jī)的設(shè)計(jì)與研究5                         (3)

式中：Ph為磁滯損耗分量；Pc為渦流損耗分量；Pe為異常損耗分量；Bm為鐵心磁密幅值；f為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)頻率；Ke為異常損耗系數(shù)。

定子繞組采用圓漆包線，忽略集膚效應(yīng)，只考慮定子繞組的直流電阻損耗，計(jì)算為

PCu=3I2R。                        (4)

式中：PCu為電機(jī)定子繞組銅耗；I為定子繞組中的相電流；R為單相直流電阻。
 
圖15 三維溫度場(chǎng)模型
Fig.15 3D model of the thermal field
 
鼠籠式感應(yīng)電機(jī)導(dǎo)條中存在不可忽略的集膚效應(yīng)，損耗密度不均勻，需要對(duì)導(dǎo)條電密積分求解。導(dǎo)條每個(gè)剖分單元內(nèi)的平均鋁耗為
                             (5)

式中：Jy導(dǎo)條感應(yīng)電密；σ為導(dǎo)條電導(dǎo)率；V為導(dǎo)條剖分后的單元體積。
 
3.3 散熱系數(shù)計(jì)算

本文給出的電機(jī)方案為機(jī)殼水冷，機(jī)殼表面散熱系數(shù)為常數(shù)。機(jī)殼和端蓋內(nèi)各接觸面散熱系數(shù)參考傳統(tǒng)計(jì)算公式，機(jī)殼水路與流體間對(duì)流換熱跟流速有關(guān)，是強(qiáng)迫對(duì)流換熱，計(jì)算方法如下所示，計(jì)算結(jié)果如表2所示。
 
                                   (6)
 
式中：Nuf為努賽爾特?cái)?shù)；λf為導(dǎo)熱系數(shù)；De當(dāng)量直徑；Ref雷諾數(shù)；Prf為普朗特?cái)?shù)；μf為動(dòng)力粘度；νf為運(yùn)動(dòng)粘度；cp為定壓比熱容。

表2 接觸面散熱系數(shù)
Table 2 Convection heat transfer coefficient of motor
 
3.4 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析
 
將二維瞬態(tài)電磁場(chǎng)的損耗計(jì)算結(jié)果耦合到三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)中作為熱源，設(shè)置環(huán)境溫度為22 ℃。仿真時(shí)間設(shè)置為3 000 s，此時(shí)溫升基本穩(wěn)定。電機(jī)各部分溫度云圖如圖16所示，瞬態(tài)溫升曲線如圖17所示。
 
圖16 電機(jī)溫度云圖(℃)
Fig.16 Temperature distribution of motor(℃)
 
圖17 瞬態(tài)溫升曲線
Fig.17 Transient temperature change of motor
 
從圖16中可以看出電機(jī)主要熱源部位的溫度分布情況，本文設(shè)計(jì)的電機(jī)鐵心長(zhǎng)度較長(zhǎng)，又采用散熱均勻的機(jī)殼水冷方式，且氣隙的熱阻很大，所以轉(zhuǎn)子部分的熱量不易傳遞出去，定子部分溫度比轉(zhuǎn)子部分溫度低很多，定子部分最高溫度67.7 ℃，轉(zhuǎn)子部分最高溫度則接近120 ℃。轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)增加了鑄鋁端環(huán)風(fēng)葉的散熱能力，使得轉(zhuǎn)子部分兩端的散熱要比中間散熱快一些，形成了溫差，所以轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和鐵心溫度從兩端向中間逐漸升高。溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)電機(jī)方案的溫升在安全范圍之內(nèi)，可以長(zhǎng)期可靠的工作。
 
4 轉(zhuǎn)子靜力學(xué)分析
高速化和集成化是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，但是當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到一定程度時(shí)，對(duì)沖片應(yīng)力和軸承強(qiáng)度都有很高的要求，為了保證設(shè)計(jì)方案的可靠性，在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)該對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子部分的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行仿真計(jì)算，轉(zhuǎn)子的三維靜力學(xué)計(jì)算模型如圖18所示。
圖18 轉(zhuǎn)子有限元模型
Fig.18 Finite element method model of the rotor

仿真計(jì)算過(guò)程中，只添加轉(zhuǎn)速載荷，不計(jì)慣性和阻尼作用。轉(zhuǎn)速為15 000 r/min時(shí)的轉(zhuǎn)位移如圖19所示，從圖中可以看出轉(zhuǎn)子的位移趨勢(shì)。
 
圖19 轉(zhuǎn)子位移趨勢(shì)(m)
Fig.19 Deformational displacement trend of the rotor(m)
 
電機(jī)轉(zhuǎn)速15 000 r/min，即對(duì)應(yīng)車速100 km/h時(shí)，轉(zhuǎn)子應(yīng)力分布如圖20所示。從圖中可以看出，最大應(yīng)力才只有39 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于沖片材料的屈服極限235 MPa。感應(yīng)電機(jī)相比永磁同步電機(jī)，沖片應(yīng)力要小得多，這是因?yàn)橛来烹姍C(jī)轉(zhuǎn)子沖片隔磁橋、減重孔的存在，大幅度增加了應(yīng)力。同時(shí)計(jì)算了轉(zhuǎn)子應(yīng)力隨轉(zhuǎn)速變化的曲線如圖21所示。從圖中可以看出，在車速150 km/h時(shí)，最大應(yīng)力為88 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，電機(jī)可以正常工作。
 
圖20 轉(zhuǎn)子應(yīng)力分布(Pa)
Fig.20 Stress distribution of the rotor(Pa)
圖21 應(yīng)力隨速度變化
Fig.21 Stress under different speed
 
5 結(jié) 論
本文分析了高功率密度電機(jī)的主要特點(diǎn)，并設(shè)計(jì)了一臺(tái)基于Y2系列電機(jī)的高功率密度電機(jī)。利用有限元軟件分別計(jì)算了電機(jī)的磁場(chǎng)分布、輸出性能、溫升和轉(zhuǎn)子強(qiáng)度等，得到以下結(jié)論：

1)驅(qū)動(dòng)用高速高密度電機(jī)輸出外特性、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、效率Map、溫升和轉(zhuǎn)子強(qiáng)度等是電機(jī)設(shè)計(jì)階段需要考慮的重點(diǎn)。

2)通過(guò)電磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩190 N·m，峰值功率130 kW，功率密度達(dá)到3.3 kW/kg。電機(jī)調(diào)速范圍和高效率區(qū)間也特別廣，能滿足電動(dòng)汽車的各種工況。

3)電機(jī)選用周向圓形水路機(jī)殼水冷的冷卻方式，電機(jī)溫升大幅度降低，提高了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安全性和可靠性。因?yàn)槠浼?xì)長(zhǎng)型的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子部分溫度從中間向兩端逐漸降低。溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果也驗(yàn)證了電機(jī)方案的合理性及可靠性。

4)本文所設(shè)計(jì)的電機(jī)也可以應(yīng)用在其他具有空間限制或者需要高轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合中，電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度足夠。設(shè)計(jì)思路和分析方法也可以為今后高功率密度電機(jī)的研究提供一定的參考。
 
 
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