日本无码免费高清在线|成人日本在线观看高清|A级片免费视频操逼欧美|全裸美女搞黄色大片网站|免费成人a片视频|久久无码福利成人激情久久|国产视频一二国产在线v|av女主播在线观看|五月激情影音先锋|亚洲一区天堂av

  • 手機(jī)站
  • 小程序

    汽車測試網(wǎng)

  • 公眾號

    • 汽車測試網(wǎng)

    • 在線課堂

    • 電車測試

新能源汽車用高功率密度驅(qū)動電機(jī)設(shè)計方案

2021-11-21 09:47:54·  來源：焉知動力驅(qū)動系統(tǒng)  
　
大量研究表明，汽車能量損耗與汽車質(zhì)量成正比關(guān)系，汽車輕量化是降低新能源汽車能量損耗，提高行駛里程的重要手段。新能源純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)通常占汽車總質(zhì)量的
大量研究表明，汽車能量損耗與汽車質(zhì)量成正比關(guān)系，汽車輕量化是降低新能源汽車能量損耗，提高行駛里程的重要手段。新能源純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)通常占汽車總質(zhì)量的30%-40%，驅(qū)動系統(tǒng)的輕量化是整車輕量化的重點(diǎn)之一。汽車驅(qū)動電機(jī)是新能源汽車的核心驅(qū)動部件，需要在有限的布置空間內(nèi)，滿足汽車各個工況的動力性要求，因此在更小的空間內(nèi)，設(shè)計高效、安全、可靠的高功率密度電機(jī)，是實(shí)現(xiàn)電機(jī)輕量化，降低汽車能量損耗，需要解決的重點(diǎn)問題。
電機(jī)功率密度的提高一般采用兩用途徑：1）提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度；2）電機(jī)高速化，從這兩種途徑出發(fā)，本文針對電機(jī)設(shè)計過程中定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計、電機(jī)材料選擇、電機(jī)損耗與溫升以及電機(jī)振動噪聲，四個方面對實(shí)現(xiàn)電機(jī)輕量化，提高電機(jī)功率密度和體積密度，進(jìn)行分析。
1 電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計
1.1 車用驅(qū)動電機(jī)設(shè)計流程
電動汽車性能的優(yōu)劣，取決于核心部件驅(qū)動電機(jī)是電動汽車的設(shè)計。電動汽車驅(qū)動電機(jī)的研究是電動汽車研究領(lǐng)域最重要的方向之一。
電動汽車對電機(jī)的性能要求是：基速以下具有恒轉(zhuǎn)矩特性和較高的轉(zhuǎn)矩過載倍數(shù)，以適應(yīng)快速起動、加速、負(fù)荷爬坡、頻繁起停等要求；基速以上具有寬范圍的恒功率特性和較大的弱磁擴(kuò)速比，以適應(yīng)最高車速和超車等要求；在大部分運(yùn)行范圍內(nèi)效率最優(yōu)化，以節(jié)約能源。
車用新能源驅(qū)動電機(jī)設(shè)計具有整車預(yù)留布置空間小，工作環(huán)境極其惡劣的特點(diǎn)，在新能源電動轎車設(shè)計中該特點(diǎn)表現(xiàn)尤為明顯。傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電機(jī)設(shè)計方法難以滿足電動汽車驅(qū)動電機(jī)的復(fù)雜要求，不能很好地顯示出電動汽車驅(qū)動電機(jī)的特點(diǎn)。因此，在車用驅(qū)動電機(jī)設(shè)計中應(yīng)該充分考慮過載倍數(shù)、弱磁擴(kuò)速比、高效區(qū)等電動汽車驅(qū)動電機(jī)的特征設(shè)計參數(shù)，針對電動汽車的不同運(yùn)行工況對電機(jī)設(shè)計所帶來的影響進(jìn)行分析和優(yōu)化。
另外，在新能源轎車用驅(qū)動電機(jī)設(shè)計中，還應(yīng)該按照圖1所示的設(shè)計流程進(jìn)行驅(qū)動電機(jī)設(shè)計。根據(jù)永磁同步電動機(jī)（PMSM）的性能要求，首先借助于設(shè)計軟件對電機(jī)的幾何形狀、尺寸及材料選擇進(jìn)行初始設(shè)計得到設(shè)計參數(shù)，通過有限元方法進(jìn)行性能預(yù)測計算。性能預(yù)測計算、性能評估和參數(shù)設(shè)計之間需要反復(fù)重新計算直到找到最優(yōu)設(shè)計，最后通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)對驅(qū)動電機(jī)設(shè)計結(jié)果進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

1.2 電機(jī)定子結(jié)構(gòu)設(shè)計
1）長徑比選擇
在電機(jī)設(shè)計過程中，隨著電機(jī)長徑比的增加，體積增大，轉(zhuǎn)子體積不變，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量降低，電機(jī)用銅量增加。由于整車設(shè)計中驅(qū)動電機(jī)布置空間有限，在滿足整車空間布局的條件下，綜合電機(jī)控制系統(tǒng)對電機(jī)轉(zhuǎn)動響應(yīng)時間的要求，合理選擇電機(jī)長徑比，提高電機(jī)功率密度。
在電機(jī)設(shè)計輸入條件下，定子鐵芯外徑與電機(jī)鐵芯長度之間的關(guān)系曲線如圖2所示；電機(jī)轉(zhuǎn)子外徑與電機(jī)鐵芯長度之間的關(guān)系曲線如圖3所示；電機(jī)體積與電機(jī)鐵芯長度之間的關(guān)系曲線如圖4所示；電機(jī)每槽有效體積與電機(jī)鐵芯長度關(guān)系曲線如圖5所示。




在整車設(shè)計過程中，永磁同步電機(jī)預(yù)留布置空間尺寸為：，為減小電機(jī)用銅量，降低電機(jī)成本，降低電機(jī)體積，同時考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子動態(tài)響應(yīng)效果，電機(jī)定子外徑設(shè)計為：235 mm，鐵芯長度為160 mm，定子內(nèi)徑為160 mm。
2）極對數(shù)選擇
在電機(jī)槽極比不變的情況下，隨著電機(jī)極對數(shù)的增加，電機(jī)定子鐵芯軛部用鐵量減小，電機(jī)體積減小，并由于定子絕緣材料的增加，電機(jī)體積減小速度逐漸下降，永磁同步電機(jī)定子外徑與電機(jī)極對數(shù)之間的關(guān)系曲線，如圖6所示。

另外，隨著電機(jī)極對數(shù)的增加，電機(jī)輸入電流頻率增加，電機(jī)鐵耗增加，效率降低，同時提高了對電機(jī)控制系統(tǒng)和電機(jī)散熱系統(tǒng)的要求，在高速電機(jī)設(shè)計中，電機(jī)極對數(shù)一般選擇較小。根據(jù)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計和電機(jī)溫升系統(tǒng)仿真以及樣機(jī)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在控制器輸出頻率、電機(jī)溫升限值、效率允許范圍內(nèi)，合理選擇電機(jī)極對數(shù)，能夠適當(dāng)提高電機(jī)功率密度。
從圖6中，可以看到在電機(jī)極對數(shù)小于5時，電機(jī)定子外徑隨電機(jī)極對數(shù)變化劇烈，而在極對數(shù)大于5之后，定子外徑變化緩慢，由于電機(jī)采用高速低轉(zhuǎn)矩設(shè)計，為滿足控制系統(tǒng)有效電流輸出頻率，同時減低電機(jī)中的鐵耗，選擇電機(jī)極對數(shù)為4。
3）槽極比選擇
在電機(jī)設(shè)計中，隨著槽極比的增加，電機(jī)定子內(nèi)徑不變，由于槽內(nèi)絕緣體積增加，電機(jī)外徑增加，電機(jī)體積變大，端部用銅增加，電機(jī)質(zhì)量增加，但是電機(jī)繞組磁動勢正弦度增加，電機(jī)紋波轉(zhuǎn)矩降低，轉(zhuǎn)矩脈動減小，鐵耗降低，同時繞組反電勢正弦度提高，諧波含量降低，但是基波繞組因數(shù)降低，電機(jī)輸出扭矩降低。電機(jī)每極每相槽數(shù)與電機(jī)定子外徑之間的關(guān)系曲線如圖7所示。合理選擇電機(jī)槽極比，調(diào)整電機(jī)效率和外特性。

隨著電機(jī)槽極比的增加，電機(jī)定子齒部寬度減小，定子齒部寬度與電機(jī)每極每相槽數(shù)之間的關(guān)系曲線如圖8所示，由于在電機(jī)運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)矩脈動、電磁徑向力會導(dǎo)致電機(jī)振動，定子齒部過窄會導(dǎo)致定子齒部機(jī)械強(qiáng)度過差，從而導(dǎo)致定子齒部斷折。另外，每極每相槽數(shù)的增加，會造成定子制造成本大幅增加，影響電機(jī)經(jīng)濟(jì)性，定子繞組繞線困難，同時為定子槽口寬度優(yōu)化，減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動增加限制，從圖8也可以看到，隨著每極每相每相槽數(shù)增加，電機(jī)定子齒部變化劇烈，因此選擇電機(jī)每極每相槽數(shù)為2。

4）電負(fù)荷選擇
在電機(jī)熱負(fù)荷一定的情況下，電機(jī)設(shè)計過程中隨著電負(fù)荷的增加，電機(jī)轉(zhuǎn)子體積減小，轉(zhuǎn)動慣量降低，定子外徑先減小后增加，同時電機(jī)用銅量不斷增加。因此，應(yīng)該合理選擇電機(jī)電負(fù)荷，綜合電機(jī)鐵芯質(zhì)量和用銅量，實(shí)現(xiàn)電機(jī)質(zhì)量最優(yōu)化，提高電機(jī)功率密度。電機(jī)定子外徑與電負(fù)荷關(guān)系曲線如圖9所示，定子內(nèi)徑與電負(fù)荷關(guān)系曲線如圖10所示，電機(jī)每槽有效面積電負(fù)荷關(guān)系曲線如圖11所示。



5）繞線纏繞方式選擇
合理選擇繞線纏繞方式，減小電機(jī)端部繞線長度，減小電機(jī)長度和用銅量，降低電機(jī)銅損，提高電機(jī)效率，從而減小電機(jī)長度，減小電機(jī)體積，降低電機(jī)質(zhì)量，進(jìn)而較大幅度提高電機(jī)功率密度。
合理選擇電機(jī)繞組纏繞方式，能夠提高定子繞組磁勢正弦度，減小定子磁勢諧波含量，降低由定子繞組引起的電機(jī)鐵耗和電機(jī)紋波轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)效率，減小電機(jī)振動與噪聲。另外，合理選擇電機(jī)繞組纏繞方式能夠提高電機(jī)凸極慮，提高磁阻轉(zhuǎn)矩，減小繞組電流，降低電機(jī)銅耗，提高電機(jī)效率。
集中式繞組每相線圈只跨過一個齒距，不與其它相繞組，與傳統(tǒng)繞組相比，能夠大幅度減小電機(jī)端部長度，但是繞組散熱性能差，磁動勢諧波含量高，并且與分布式繞組相比，集中式繞組電機(jī)凸極率小，磁阻轉(zhuǎn)矩小，繞組電流大。在高速低轉(zhuǎn)矩電機(jī)設(shè)計中，電機(jī)轉(zhuǎn)速高，繞組電流頻率也高，集中繞組設(shè)計會減小電機(jī)效率云圖高效區(qū)比例，因此選擇分布式繞組。集中式繞組和分布式繞組定子截面圖，如圖11所示。
正弦繞組通過不等距不等匝同心式分布繞組，能夠提高電機(jī)定子磁勢正弦度，減小定子諧波含量，降低電機(jī)紋波轉(zhuǎn)矩，同時能夠減小電機(jī)端部用銅，減小電機(jī)銅損和端部漏抗，提高電機(jī)性能并降低電機(jī)制造成本。但是在本設(shè)計中電機(jī)每極每相槽數(shù)為2，且正弦繞組在實(shí)際纏繞過程中每槽線圈元件數(shù)必須取整數(shù)，因此對本電機(jī)來說在正弦繞組和傳統(tǒng)短距分布繞組相比對電機(jī)性能的影響效果很小，并且正弦繞組繞線和短距分布繞組相比纏繞方式復(fù)雜，因此本設(shè)計中電機(jī)繞組纏繞方式仍選擇傳統(tǒng)正弦分布繞組，同時為減少電機(jī)磁勢諧波分量，采用星形連接方式。本電機(jī)繞組分布展開圖，如圖12所示。
6）定子槽開口寬度選擇
在電機(jī)設(shè)計中，槽口寬度的存在使得定子與永磁體磁場之間的有效氣隙發(fā)生極大變化，進(jìn)而使氣隙磁導(dǎo)發(fā)生劇烈變化，影響永磁同步電機(jī)的漏電感，使氣隙磁密表現(xiàn)出鋸齒狀波形，從而產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，使得電機(jī)在運(yùn)行的過程中，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動及噪音，影響了新能源汽車的乘坐舒適性。
利用電磁仿真軟件對電機(jī)槽口寬度進(jìn)行參數(shù)化掃描。隨著定子槽開口寬度增加，電機(jī)等效氣隙長度增加，繞組漏電感減小，電機(jī)氣隙磁密減小，電機(jī)凸極率減小，磁阻轉(zhuǎn)矩利用率降低，弱磁效果降低，電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度降低。但是定子槽開口寬度過小，電機(jī)繞組嵌線困難，在不影響電機(jī)嵌線的基礎(chǔ)上適當(dāng)減小定子槽開口寬度，有利于電機(jī)功率密度的提高。另外，合理選擇電機(jī)定子槽開口寬度，能夠在一定程度上，減小電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩，降低電機(jī)震動與噪聲。
電機(jī)漏電感與定子槽口寬度關(guān)系曲線如圖13所示，槽口寬度與氣隙磁密及峰值額定功率之比關(guān)系曲線如圖14所示，槽口寬度與交直軸電感值及其比值關(guān)系曲線如圖15所示。電機(jī)的氣隙磁密和峰值功率額定功率之比在槽口寬度大于2時都比較大；漏電感隨著槽口寬度的增加而降低，并且在槽口寬度為2.5 mm 之后基本上降到較低水平并且隨著槽口寬度的增加基本趨于穩(wěn)定；另外槽口寬度對交軸電感和凸極率的影響也是比較大，但對直軸電感的影響比較小，但這三個量都是隨槽口寬度的增加呈現(xiàn)出降低的趨勢。再從永磁同步電機(jī)裝配工藝的角度來考慮，槽口寬度應(yīng)該是選擇大一點(diǎn)。綜合以上各方面因素分析之后，永磁同步電機(jī)的定子槽口寬度選擇為2.4 mm。


7）定子槽型選擇
在電機(jī)定子槽型結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)使得電機(jī)定子磁路磁阻最優(yōu)化，定子磁路不存在磁密奇點(diǎn)，永磁體工作點(diǎn)在電機(jī)運(yùn)行工況范圍內(nèi)位于最優(yōu)工作點(diǎn)附近。同時，定子槽型選擇，應(yīng)利于電機(jī)嵌線，方便電機(jī)批量化生產(chǎn)。
為均衡定子軛部各位置磁密，形成均勻旋轉(zhuǎn)磁場，改善軛部和齒部與軛部交接處磁路，并方便嵌放成型繞組，旋轉(zhuǎn)半開口梯形槽設(shè)計，定子槽型如圖16所示，電機(jī)磁密分布圖如圖17所示。


1.2 電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計
1）電機(jī)氣隙長度選擇
電機(jī)氣隙長度在極大程度上影響電機(jī)的性能、可靠性、裝配難度和制造成本。從永磁同步電機(jī)電磁性能上來說，氣隙長度越小，電機(jī)功率因數(shù)變大，電機(jī)效率增加，轉(zhuǎn)矩密度增加，電機(jī)弱磁調(diào)速范圍變寬。但是氣隙磁場諧波分量增加，電機(jī)容易產(chǎn)生振動和噪聲，同時電機(jī)雜散損耗增大，如果氣隙長度過小，就很難保證電機(jī)運(yùn)行時的同軸度，在電機(jī)運(yùn)行時就容易導(dǎo)致電機(jī)掃膛現(xiàn)象，降低電機(jī)運(yùn)行的可靠性，同時電機(jī)裝配難度提高。因此在氣隙長度選擇上，應(yīng)綜合考慮電機(jī)振動、噪聲、氣隙磁密、雜散損耗以及裝配工業(yè)和生產(chǎn)成本。
為了選擇最合適的氣隙長度大小，有對永磁同步電機(jī)的氣隙長度進(jìn)行參數(shù)化掃描分析，其仿真結(jié)果如下圖18、19和20所示。



從圖中可以看到，電機(jī)交直軸電感和電機(jī)過載能力和電機(jī)氣隙長度關(guān)系密切，隨著氣隙長度的增加電機(jī)直軸電感下降，但變化大大，交軸電感迅速下降，電機(jī)凸極率下降。電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩與交直軸電感差值密切相關(guān)，交直軸電感差值越大，電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩越大，電機(jī)效率越高；同時在直軸電感足夠大的情況下，電機(jī)弱磁擴(kuò)速能力越好。但是過高比例的磁阻轉(zhuǎn)矩容易導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動較大，對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計要求較高，因此在本電機(jī)設(shè)計中選擇電機(jī)氣隙長度為0.7 mm。
2）永磁體布局方式選擇
電機(jī)具有相同的輸出扭矩時，轉(zhuǎn)子永磁體布局方式的選擇和調(diào)整，能夠在很大程度上改變電機(jī)永磁體用量，提高永磁體功率密度；改變電機(jī)交直軸電感，提高電機(jī)凸極慮；減小電機(jī)氣隙諧波含量，改善電機(jī)空載反電勢諧波含量，降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動，減小雜散損耗，進(jìn)而影響電機(jī)功率密度、效率、溫升、振動與噪聲、弱磁調(diào)速范圍以及電機(jī)生產(chǎn)成本。
在永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體布局方式選擇過程中，分別對表貼式、一字內(nèi)置式、內(nèi)置分段式、切向內(nèi)置式、V型內(nèi)置式等永磁體布局方式，利用電機(jī)有限元仿真軟件進(jìn)行設(shè)計與仿真，針對永磁體用量、空載反電動勢、轉(zhuǎn)矩脈動、電感參數(shù)、轉(zhuǎn)矩-速度特性、功率-速度特性、效率-速度特性和弱磁運(yùn)行特性幾個方面選擇永磁體布局方式，降低電機(jī)生產(chǎn)成本，提高電機(jī)和永磁體功率密度，改善繞組反電勢，提高電機(jī)效率。由于本電機(jī)采用高速低轉(zhuǎn)矩電機(jī)設(shè)計，電機(jī)極對數(shù)少，每對極的空間很大，切向內(nèi)置式永磁體布局方式不能發(fā)揮其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，因此在本設(shè)計中不予考慮。不同永磁體布局方式結(jié)構(gòu)及磁密分布，如圖21所示。

永磁體用量是決定永磁電機(jī)成本的關(guān)鍵，因此永磁電機(jī)優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)之一就是降低電機(jī)永磁體用量。不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)永磁體用量參數(shù)如表1所示，不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)永磁電機(jī)永磁體轉(zhuǎn)矩密度如表2所示?？梢钥闯?V 型內(nèi)置式結(jié)構(gòu)永磁體利用率最高，即同樣轉(zhuǎn)矩設(shè)計要求的情況下永磁體使用量最少。


空載反電動勢即電機(jī)感應(yīng)電動勢，理想的情況下其波形應(yīng)為正弦波。但是由于永磁體勵磁分布和繞組設(shè)計等原因，使得實(shí)際的感應(yīng)電動勢中含有諧波成分，這也是造成電機(jī)紋波轉(zhuǎn)矩的主要原因之一。在設(shè)計中應(yīng)盡量使永磁體產(chǎn)生的勵磁磁場在空間中的分布按照正弦規(guī)律分布。不同永磁體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下電動勢如圖22所示。

從表3和圖22可知，表貼式空載反電勢波形最好，V字內(nèi)置式空載反電勢波形最差，諧波總畸變率最高。該表格為永磁電機(jī)均勻氣隙情況下結(jié)果，但是內(nèi)置式永磁體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以通過多種方法對電機(jī)氣隙磁場波形進(jìn)行優(yōu)化，其中最簡單實(shí)用的就是不均勻氣隙方法。
實(shí)踐表明，V字內(nèi)置式永磁體布局方式，可使永磁體勵磁集中，漏磁減少，同時由于高速低轉(zhuǎn)矩設(shè)計，電機(jī)轉(zhuǎn)子每極空間大，有利于V字結(jié)構(gòu)大凸極率的體現(xiàn)。另外，和表貼式永磁體布局方式向?qū)Ρ?，交直軸電感均大幅度提高，電機(jī)弱磁范圍寬，并且在很高轉(zhuǎn)速時，仍然能夠輸出較大功率。綜上所述，在本電機(jī)設(shè)計中，永磁體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇V字型布局方式，永磁體布局結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖24所示。
5）轉(zhuǎn)子表面氣隙結(jié)構(gòu)設(shè)計
由永磁同步電機(jī)學(xué)的理論可以得知，永磁同步電機(jī)定子繞組中的交流電在氣隙中產(chǎn)生的磁動勢分布近似為正弦分布，那么為達(dá)到永磁同步電機(jī)產(chǎn)生理想平穩(wěn)運(yùn)行轉(zhuǎn)矩的目的，需要轉(zhuǎn)子永磁體在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生呈正弦分布特性的氣隙磁密波形。然而內(nèi)置式永磁同步電動機(jī)自身的磁路特性,電機(jī)永磁體在氣隙中產(chǎn)生的磁密波形并不是程理想的正弦性分布，而實(shí)際上其波形分布近似程梯形分布，氣隙磁密波形中諧波含量非常多。
當(dāng)永磁同步電機(jī)采用傳統(tǒng)均勻氣隙時3 次、5 次和 7 次諧波含量非常多，如圖23所示，高的諧波含量對永磁同步電機(jī)的影響是非常大的：
（1）導(dǎo)致永磁同步電機(jī)運(yùn)行時的轉(zhuǎn)矩脈動加大；
（2）使得永磁同步電機(jī)附加的振動噪聲加大；（3）增加電機(jī)運(yùn)行時的鐵耗，影響電機(jī)效率

為提高氣隙磁密基波含量，降低磁密諧波畸變率，減小電機(jī)振動和噪聲，減小電機(jī)損耗，提高效率，滿足新能源電動汽車要求，需要進(jìn)一步對永磁同步電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，提高氣隙磁密和反電勢正弦性。
到目前為止，在電機(jī)本體設(shè)計方面，永磁同步電機(jī)（PMSM）氣隙永磁磁密波形的優(yōu)化設(shè)計方法主要有：
（1）對永磁體的形狀進(jìn)行優(yōu)化，缺點(diǎn)是此結(jié)構(gòu)永磁體加工難度加大，制造成本提高；（2）控制永磁體充磁能量，使其按照正弦規(guī)律變化，缺點(diǎn)是永磁體充磁工藝很難控制，加工極為復(fù)雜；（3）利用新型的 Halbach 永磁體陣列結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)氣隙永磁磁密波形接近于正弦性分布，但是此結(jié)構(gòu)制造裝配工藝非常復(fù)雜，成本也很高；（4）優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，采用不均勻氣隙，此方法簡單易行，成本較低。
在本電機(jī)設(shè)計中，采用不均勻氣隙方法，在磁極偏心理論基礎(chǔ)上，對永磁體轉(zhuǎn)子磁極表面進(jìn)行優(yōu)化，如圖24所示。優(yōu)化后永磁體氣隙磁密諧波分布，如圖25所示，永磁體3次、5次、7次諧波均得到改善。

4）減重槽設(shè)計
在永磁同步電機(jī)永磁體槽底部和電機(jī)軸表面之間存在很大的半徑差距，存在較大的優(yōu)化空間。在不降低電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度和電機(jī)輸出功率的前提下，通過電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度和磁路仿真和電機(jī)實(shí)驗(yàn)，改善轉(zhuǎn)子中減重槽的結(jié)構(gòu)和尺寸，能夠在較大程度上提高電機(jī)功率密度。另外，由于該部分不列于電機(jī)磁路之內(nèi)，可以選擇輕量高強(qiáng)度的其它合金材料，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電機(jī)輕量化。
在該永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯與轉(zhuǎn)軸直接通過鍵聯(lián)接，可通過鐵芯減重孔的形式對轉(zhuǎn)子進(jìn)行減重，但減重孔的大小需要通過強(qiáng)度計算的形式進(jìn)行確定。經(jīng)過ANSYS有限元軟件優(yōu)化設(shè)計，最終確定了目前的減重孔大小和尺寸，如圖26轉(zhuǎn)子沖片圖所示。
1.3 電機(jī)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計
該電動永磁同步電機(jī)采用20CrMnTi材料，毛坯鍛造。20CrMnTi是滲碳鋼，滲碳鋼通常為含碳量為0.17%-0.24%的低碳鋼。汽車上多用其制造傳動齒輪，是中淬透性滲碳鋼CrMnTi 鋼，其淬透性較高，在保證淬透情況下，特別具有較高的低溫沖擊韌性。20CrMnTi具有良好的加工性，加工變形微小，抗疲勞性能相當(dāng)好。電機(jī)軸應(yīng)力云圖和主軸總變形云圖，分別如圖27、28所示。
80kw純電動永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯通過圓螺母及止動墊圈并緊在軸上，減小了結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)軸尺寸要求；轉(zhuǎn)軸作滲碳淬火處理，滲碳層厚度0.6-0.8，花鍵表面硬度664HV最小，其余58-62HRC,芯部硬度32-38HRC，保證了轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度及花鍵表面的接觸疲勞強(qiáng)度；采用非標(biāo)油封設(shè)計，使安裝方便。
1.4 電機(jī)外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計
機(jī)殼設(shè)計主要為水道設(shè)計，其余結(jié)構(gòu)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值。以往水道經(jīng)驗(yàn)是首先設(shè)計好水槽的結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)定入水口溫度、水槽溫度、水流速度等參數(shù)，計算出水口溫度，進(jìn)而校核冷卻系統(tǒng)的散熱情況。這種方法，把設(shè)計的散熱方案的散熱功率作為計算結(jié)果，與實(shí)際需求的散熱功率對比。設(shè)計方案的散熱能力高于實(shí)際需要的散熱能力，則視為方案可行；反之，方案失敗。修改預(yù)先設(shè)計的水槽尺寸并重新計算直到滿足散熱條件。這種設(shè)計方法只有在計算之后才能直到其散熱能力。我公司則是從散熱能力出發(fā)，選擇進(jìn)出水口溫度，水槽截面尺寸，利用傳熱學(xué)對流換熱原理，設(shè)計了中小型電機(jī)表面冷卻系統(tǒng)。目前我司采用螺旋型水道，其散熱均勻，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高
2 電機(jī)材料輕量化
1）鐵芯材料選擇
電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵芯材料構(gòu)成了電機(jī)磁路，其材料的選擇能夠在極大程度上影響電機(jī)定轉(zhuǎn)子尺寸、電機(jī)功率密度、電機(jī)鐵耗和電機(jī)效率。因此超薄高飽和材料硅鋼片的選擇和使用是提高電機(jī)功率體積比和功率密度，提高電機(jī)效率的重要途徑之一。
表3為目前市場常見不同型號和不同厚度冷軋無取向硅鋼片磁性能對比表，從表中可以看到0.35mm厚度硅鋼片和0.5mm硅鋼片相比P15/50低，電機(jī)鐵耗小。另外在相同厚度不同型號硅鋼片中，P15/50下降，硅鋼片B50下降加快，為均衡硅鋼片不同性能參數(shù)，選擇DW310_35型號硅鋼片。DW310_35硅鋼片B-H曲線，如圖29所示。
2）永磁體材料選擇
在永磁同步電機(jī)中，永磁體建立電機(jī)控制磁場并與定子磁動勢交鏈產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，高表面剩磁、高矯頑力、高磁能積以及良好的溫度穩(wěn)定性是永磁材料的重要評價標(biāo)準(zhǔn)，也是提高電機(jī)功率密度，減小電機(jī)體積的關(guān)鍵手段之一。
釹鐵硼永磁體是1983年問世的高性能永磁材料，具有體積小、重量輕、高剩磁、高矯頑力及高磁能積等優(yōu)點(diǎn)。該種永磁材料最大磁能積可達(dá)398kJ/m^3,為鐵氧體永磁材料的5～12倍、鋁鎳鈷永磁材料的3～10倍，理論值最高可達(dá) 527J/m3；剩磁最高可達(dá) 1.47T；矯頑力最高可超過 1000kA/m；到目前為止大部分廠家都已經(jīng)推出耐高溫釹鐵硼永磁體材料，如圖30所示。
在永磁體材料選擇過程中，利用電機(jī)仿真軟件，針對不同永磁體材料，分別進(jìn)行仿真，綜合電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度、轉(zhuǎn)矩脈動、電機(jī)損耗、電機(jī)效率以及電機(jī)運(yùn)行溫度穩(wěn)定性，選擇永磁體材料。在本電機(jī)設(shè)計中，永磁體材料選擇為ZHN38UH，最大持續(xù)工作溫度為180℃，表面剩磁為1.24T，矯頑力為907kA/m。具體參數(shù)如圖31所示。
3）電機(jī)軸材料選擇
80kw純電動永磁同步電機(jī)采用20CrMnTi材料，毛坯鍛造。20CrMnTi是滲碳鋼，滲碳鋼通常為含碳量為0.17%-0.24%的低碳鋼。汽車上多用其制造傳動齒輪，是中淬透性滲碳鋼CrMnTi 鋼，其淬透性較高，在保證淬透情況下，特別具有較高的低溫沖擊韌性。20CrMnTi具有良好的加工性，加工變形微小，抗疲勞性能相當(dāng)好。
4）機(jī)殼、端蓋材料選擇
A356.2性能與特點(diǎn)：具有流動性好，無熱裂傾向，線收縮小，氣密性好等良好的鑄造性能，比重小，耐蝕性良好，易氣焊，隨鑄件壁厚增加強(qiáng)度降低的程度小，鑄態(tài)下使用，變質(zhì)后機(jī)械性能提高。鑄錠斷口致密，無熔渣和非金屬夾雜物。A356.2材料具有良好散熱性能及機(jī)械強(qiáng)度，同時工藝性好。
3 電機(jī)溫升與振動
為了提高車用永磁同步電機(jī)的功率密度，在設(shè)計時常采用較高的電磁負(fù)荷，以提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度，這就導(dǎo)致電機(jī)單位質(zhì)量的損耗增大，使得電機(jī)各部件的溫度較高。另外電機(jī)的高速化也是實(shí)現(xiàn)車用永磁同步電機(jī)的高功率密度的一個重要方向。隨著轉(zhuǎn)速的提高，各類諧波磁場在轉(zhuǎn)子中的交變頻率也逐漸增大，引起轉(zhuǎn)子和永磁體損耗增大而發(fā)熱嚴(yán)重，影響電機(jī)運(yùn)行的可靠性，同時電機(jī)振動和噪聲增大，影響汽車乘坐舒適性。因此，在電機(jī)設(shè)計過程中，有必要對電機(jī)的溫升以及振動和噪聲問題進(jìn)行分析。
3.1 電機(jī)溫升
電機(jī)電磁設(shè)計的實(shí)質(zhì)是在保證電機(jī)技術(shù)性能的基礎(chǔ)上，從溫升限值出發(fā)，確定電機(jī)各部分的幾何尺寸。電機(jī)溫升也是除磁路飽和外限值電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的重要限值因素。電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)內(nèi)空氣的流動性能也非常復(fù)雜。如何通過合理設(shè)計電機(jī)各部分材料、結(jié)構(gòu)以及尺寸，降低電機(jī)損耗，提高電機(jī)效率，優(yōu)化設(shè)計電機(jī)機(jī)殼表面結(jié)構(gòu)并選擇高性能電機(jī)冷卻方式，是降低電機(jī)溫升的兩個主要途徑，也是降低電機(jī)溫升的兩大難點(diǎn)。同時，如何在電機(jī)設(shè)計過程中準(zhǔn)確計算和仿真電機(jī)溫升，找出電機(jī)中的溫度奇點(diǎn)，并以此優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)，也是電機(jī)設(shè)計研發(fā)過程中的重要問題。
1）電機(jī)損耗
大量車用永磁同步定子鐵耗的分析表明，在最大轉(zhuǎn)矩/電流控制下，PWM 載波頻率損耗是低速下電機(jī)損耗的主要部分，在高速弱磁情況下，電機(jī)基波磁場所產(chǎn)生的損耗逐漸減小，由定子開槽、永磁體空間磁動勢諧波和載波頻率所產(chǎn)生的損耗逐漸增大，成為電機(jī)損耗的主要部分。電機(jī)空載和負(fù)載電流波形及諧波分析和損耗諧波分析，分別如圖32、圖33和圖34所示。
車用永磁同步電機(jī)的負(fù)載雜散損耗主要有轉(zhuǎn)子損耗和永磁體損耗。轉(zhuǎn)子損耗主要由定子時間諧波電流產(chǎn)生的氣隙磁場、基波電流產(chǎn)生的空間諧波磁場以及定子開槽引起的氣隙磁導(dǎo)變化所引起，在普通永磁同步電機(jī)中，轉(zhuǎn)子損耗和永磁體渦流損耗常常予以忽略。但在 PWM 供電下的定子諧波電流等因素使得轉(zhuǎn)子損耗和永磁體渦流損耗成為威脅電機(jī)安全可靠運(yùn)行的最大隱患。電機(jī)永磁體渦流損耗分布，如圖35所示。
定子磁動勢低次空間諧波是產(chǎn)生轉(zhuǎn)子損耗的主要原因，其中定子電流 5、7、11和13次諧波是轉(zhuǎn)子表面和永磁體渦流損耗的主要部分，因此應(yīng)當(dāng)從定子角度出發(fā)減小轉(zhuǎn)子渦流損耗。在本電機(jī)設(shè)計過程中，從綜合考慮諧波幅值、頻率、轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)和定子槽數(shù)等影響的車用永磁同步電機(jī)損耗最小化優(yōu)化判據(jù)出發(fā)，從電機(jī)設(shè)計上減小了電機(jī)空載損耗。
2）電機(jī)冷卻方式
新能源電機(jī)常用冷卻方式一般為液體冷卻。液體冷卻摩擦損耗小，散熱效率高，應(yīng)用于電機(jī)散熱具有良好的冷卻效果。電機(jī)水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心任務(wù)是電機(jī)散熱計算，使得電機(jī)損耗生熱和冷卻介質(zhì)帶走的熱量達(dá)到平衡，從而控制電機(jī)溫升在允許范圍內(nèi)。此外，冷卻介質(zhì)流速是散熱能力重要影響因素之一。冷卻介質(zhì)的流速與壓頭及流經(jīng)管道阻力有關(guān)。壓頭由水循環(huán)系統(tǒng)的泵產(chǎn)生。流經(jīng)管道阻力取決于冷卻結(jié)構(gòu)的具體形式。
以往的設(shè)計過程是首先設(shè)計好水槽的結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)定入水口溫度、水槽溫度、水流速度等參數(shù)，計算出水口溫度，進(jìn)而校核冷卻系統(tǒng)的散熱情況。這種方法，把設(shè)計的散熱方案的散熱功率作為計算結(jié)果，與實(shí)際需求的散熱功率對比。設(shè)計方案的散熱能力高于實(shí)際需要的散熱能力，則視為方案可行；反之，方案失敗。修改預(yù)先設(shè)計的水槽尺寸并重新計算直到滿足散熱條件。這種設(shè)計方法只有在計算之后才能直到其散熱能力。在本電機(jī)散熱系統(tǒng)設(shè)計中從散熱能力出發(fā)，選擇進(jìn)出水口溫度，水槽截面尺寸，利用傳熱學(xué)對流換熱原理，設(shè)計了中小型電機(jī)表面冷卻系統(tǒng)，同時采用螺旋型水道結(jié)構(gòu)，具有散熱均勻，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。
3）電機(jī)溫升分析與仿真
ANSYS是如今主流的有限元分析軟件，融合結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析等與一體，特別是這幾年大力打造的ANSYS Workbench平臺，整合現(xiàn)有的應(yīng)用，將數(shù)值模擬過程結(jié)合在一起，并在工程頁引入了工程流程圖的概念，一個復(fù)雜的包含多物理場的問題，可以通過系統(tǒng)間的連接實(shí)現(xiàn)相關(guān)性,實(shí)現(xiàn)多物理場間的稱合，大大簡化了前處理過程。在本電機(jī)設(shè)計過程中，在對電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化的基礎(chǔ)上，利用ANSYS軟件，對電機(jī)溫升進(jìn)行了仿真，其中電機(jī)額定轉(zhuǎn)速空載定子鐵芯、繞組和電機(jī)額定負(fù)載時電機(jī)定子溫度分布圖，分別如圖36、37、38所示。


另外為避免在電機(jī)設(shè)計過程中可能出現(xiàn)的風(fēng)險點(diǎn)，同時防止在設(shè)計過程中過于保守，而浪費(fèi)車輛非常緊張的空間，有必要從汽車循環(huán)工況入手，對電機(jī)的溫升進(jìn)行計算。由于隨著工況的變化，電機(jī)的損耗是隨時間變化的，溫升曲線也隨著時間不停變化。如果采用有限元計算，其計算量是非常巨大的，運(yùn)算時間也會非常長。為實(shí)現(xiàn)新能源用電動汽車電機(jī)快速準(zhǔn)確設(shè)計，在本電機(jī)設(shè)計過程中，在對集總熱容解析計算方法改進(jìn)和驗(yàn)算的基礎(chǔ)上，對電機(jī)循環(huán)工況溫升進(jìn)行計算。
在本電機(jī)設(shè)計過程中，采用CYC_ARB02 循環(huán)工況，如圖39所示，該工況在前階段(0-600s)車輛運(yùn)行在市郊，車輛需要經(jīng)常啟停，但車速要高于城市內(nèi)。后階段(600-1600s)車輛運(yùn)行于高速公路，車輛速度很高，而且很少減速。該循環(huán)工況包含了車輛頻繁啟停和高速行駛兩種狀態(tài)。車輛頻繁啟停時，電機(jī)主要工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。在前階段電機(jī)經(jīng)常啟停，且轉(zhuǎn)速不高。并且輸出轉(zhuǎn)矩為峰值轉(zhuǎn)矩的情況很多。車輛高速行駛時，電機(jī)主要工作在恒功率區(qū)。在此階段電機(jī)經(jīng)常持續(xù)工作，且輸出轉(zhuǎn)矩不大。因此，該工況包含了電機(jī)整個工作區(qū)域，比較有代表意義。


在電機(jī)設(shè)計中對三個循環(huán)工況時間的電機(jī)繞組溫升進(jìn)行了計算，如圖40所示?？梢钥吹矫總€循環(huán)內(nèi)都反映了單個循環(huán)溫度的變化趨勢。不過隨著循環(huán)次數(shù)的增多，電機(jī)溫度升高的速度放緩，這是因?yàn)?CYC_ARB02 工況循環(huán)大部分工作點(diǎn)落在額定工作區(qū)范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)工作，由于電機(jī)效率高、損耗小，溫升就小。可以預(yù)見，樣機(jī)如果在此循環(huán)下持續(xù)工作相當(dāng)長時間，電機(jī)繞組溫度也不會很高。這就說明，如果樣機(jī)就在此循環(huán)下反復(fù)工作，仍然可以放寬溫度限制，優(yōu)化前面的設(shè)計，從而使電機(jī)的其他性能參數(shù)如效率、功率密度等得到提升。
3.3 振動和噪聲
為提高整車舒適性，減小整車噪聲污染，提高城市交通環(huán)境，有必要在對電機(jī)振動和噪聲進(jìn)行分析和仿真的基礎(chǔ)上，對電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在電機(jī)運(yùn)行過程中引起永磁同步電機(jī)電磁振動的主要因素，可歸結(jié)為電機(jī)結(jié)構(gòu)和電機(jī)控制策略兩大方面。從電機(jī)結(jié)構(gòu)方面削弱電機(jī)振動和噪聲，主要從電磁噪聲和機(jī)械噪聲兩大方面考慮。
1）電磁噪聲分析及改進(jìn)
電磁噪聲主要是由極靴下磁通的縱振蕩產(chǎn)生的，通常具有齒頻率。由于永磁同步電動機(jī)磁極集中質(zhì)量，在交變磁拉力和集中力的作用下，機(jī)座產(chǎn)生撓曲和橫向振動。在電機(jī)設(shè)計中，通過優(yōu)化磁極系數(shù)和轉(zhuǎn)子磁極形狀減少了磁通振蕩和振動電磁力。另外，在電機(jī)裝配過程中，由于裝配氣隙不均勻，電動機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生單邊磁拉力，其作用相當(dāng)于電動機(jī)轉(zhuǎn)軸撓度增加，因此保證氣隙裝配均勻也是防止振動的必要措施。
電機(jī)存在共振引起噪音。發(fā)生共振的可能是端蓋、定子、轉(zhuǎn)子，甚至是整機(jī)的共振。電動機(jī)的固有頻率十分豐富，要完全避免共振是不可能的，主要避免旋轉(zhuǎn)齒頻與固有頻率的接近和吻合，使機(jī)殼、端蓋的固有頻率偏離齒頻120%以上，轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速30%以上。
2）機(jī)械因素結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施
引起電動機(jī)機(jī)械噪音的原因主要有轉(zhuǎn)子動不平衡、零部件的加工工藝和軸承等因素。由于結(jié)構(gòu)不對稱，材料質(zhì)量不均勻或制造加工的誤差等原因，而造成轉(zhuǎn)子的動不平衡，轉(zhuǎn)動時由于偏心的慣性作用，將產(chǎn)生不平衡的離心力或離心力偶，在其作用下，引起電動機(jī)振動，從而產(chǎn)生噪聲。轉(zhuǎn)子鐵心的直徑與長度之比越大，軸承和各支撐部件的剛性越差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高，對平衡精度要求越高。在電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中為削弱電機(jī)振動，采用如下措施：
（1）沖壓時采取旋轉(zhuǎn)沖壓，降低沖片厚度不均帶來影響；（2）設(shè)計合理的軸與鐵芯的公差配合；
（3）合理設(shè)計前后端蓋結(jié)構(gòu)，保證其形位公差精度高，表面粗糙度低，保證前后端蓋剛度，運(yùn)轉(zhuǎn)時不產(chǎn)生變形；
（4）合理選用軸承，保證其游隙、承載強(qiáng)度、油脂粘度耐溫、轉(zhuǎn)速適應(yīng)工況要求。
3）振動和噪聲仿真
應(yīng)用Ansys workbench軟件進(jìn)行電機(jī)電磁、振動、噪聲多物理域自動化耦合分析，在電機(jī)設(shè)計階段估計電機(jī)的NVH特性，進(jìn)而優(yōu)化電機(jī)電磁設(shè)計以減少電機(jī)樣機(jī)的制造，進(jìn)而節(jié)約開發(fā)周期及減低研發(fā)成本。
在Workbench中，將Maxwell中計算的定子內(nèi)表面徑向和切向磁拉力時域力密度分布，作為激勵源，耦合到Mechanical中進(jìn)行頻域的諧響應(yīng)分析，分析結(jié)果作為激勵耦合到ANSYS Mechanical ACT中，作為噪聲分析的激勵，得到電機(jī)噪聲聲壓壓強(qiáng)分布圖和A記權(quán)聲壓級分布圖。其中，電機(jī)聲壓壓強(qiáng)分布圖如圖41所示。

4 總結(jié)
在電機(jī)設(shè)計過程中，利用多種電磁和結(jié)構(gòu)分析方法，對電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、電機(jī)軸以及機(jī)殼和端蓋結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化，合理選擇了電機(jī)各部分材料，同時利用電機(jī)分析軟件，對電機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度、振動噪聲以及溫升進(jìn)行了分析和驗(yàn)算。在保證了電機(jī)運(yùn)行的安全性、可靠性和整車舒適性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)輕量化、高速化以及高效化，極大的提高了電機(jī)的功率密度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計的高速大功率密度電機(jī)，功率密度能夠達(dá)到2.5kW/kg以上，最高轉(zhuǎn)速大于8000rpm，電機(jī)最高效率為96%，功率大于85%的高效區(qū)占整個電機(jī)運(yùn)行區(qū)間的85%以上。
分享到：
 
反對 0 舉報 0 收藏 0 評論 0
滬ICP備11026917號-25