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電動(dòng)汽車(chē)水冷式永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)與分析

2019-08-02 21:05:13·  來(lái)源：EDC電驅(qū)未來(lái)  作者：孫海燕  
　
永磁同步電機(jī)具有較高功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，與異步電機(jī)相比，既有結(jié)構(gòu)和成本上的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又彌補(bǔ)了效率低這一缺點(diǎn)。針對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)噪聲大的問(wèn)題，永磁同步電機(jī)
永磁同步電機(jī)具有較高功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，與異步電機(jī)相比，既有結(jié)構(gòu)和成本上的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又彌補(bǔ)了效率低這一缺點(diǎn)。針對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)噪聲大的問(wèn)題，永磁同步電機(jī)通過(guò)疊加磁阻轉(zhuǎn)矩來(lái)克服上述不足，提高效率的同時(shí)，又降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。由于永磁同步電機(jī)取消了電勵(lì)磁系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)上得到了優(yōu)化，性能有所提升，運(yùn)行可靠，效率相對(duì)較高。隨著稀土材料的開(kāi)發(fā)，越來(lái)越多的高性能永磁材料用在永磁同步電機(jī)上，其功率密度和運(yùn)行效率也得到提高。

基于某型純電動(dòng)SUV對(duì)其永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行了性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)的匹配計(jì)算及本體設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出周向螺旋式水冷結(jié)構(gòu)，分析了電機(jī)的主要熱源，對(duì)冷卻系統(tǒng)的熱量進(jìn)行了計(jì)算，利用Ansoft有限元軟件對(duì)電機(jī)的電磁特性進(jìn)行了仿真。試驗(yàn)表明設(shè)計(jì)的電機(jī)能較好地滿足車(chē)輛驅(qū)動(dòng)要求。

1 電機(jī)基本參數(shù)的確定

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇和匹配需要根據(jù)汽車(chē)動(dòng)力性參數(shù)來(lái)確定，目前主要利用汽車(chē)最高車(chē)速、汽車(chē)最大爬坡度和加速性能這三方面的數(shù)據(jù)，選配與汽車(chē)相協(xié)調(diào)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

電動(dòng)汽車(chē)以最高車(chē)速行駛消耗的功率pm1為

(1)

式(1)中：umax為最高車(chē)速；m為整車(chē)總質(zhì)量；ηt為機(jī)械傳動(dòng)效率；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積。

以某一車(chē)速爬上最大坡度消耗的功率Pm2為

(2)

式(2)中：up為汽車(chē)爬坡時(shí)的行駛速度；αmax為最大坡度角。

以汽車(chē)加速性能確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率Pm3為

(3)

式(3)中：uf為汽車(chē)加速后達(dá)到的速度；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

在電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，額定功率應(yīng)滿足電動(dòng)汽車(chē)對(duì)最高車(chē)速的要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率應(yīng)能同時(shí)滿足電動(dòng)汽車(chē)對(duì)最高車(chē)速、最大爬坡度和加速度的要求。所以電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率和峰值功率分別為

pe≥pm1
(4)

pemax≥max(pm1，pm2，pm3)
(5)

根據(jù)表1所示整車(chē)基本參數(shù)與性能參數(shù)，經(jīng)計(jì)算初步設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率為30 kW，峰值功率為60 kW，符合GB/T 18488.1—2015電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)條件要求。

表1 整車(chē)基本參數(shù)與性能參數(shù)
Table 1 Basic parameters and performance parameters of the vehicle

電動(dòng)汽車(chē)最高行駛速度與驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為

(6)

式(6)中:nmax為最高轉(zhuǎn)速；∑i為傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比；r為車(chē)輪滾動(dòng)半徑。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為

(7)

式(7)中：β為驅(qū)動(dòng)電機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)，通常取值為2～4，這里取β=2.5。

電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩Tmax的選擇既要滿足啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大爬坡度的要求，又要結(jié)合最大傳動(dòng)比，計(jì)算公式為

(8)

式(8)中：imax為傳動(dòng)系統(tǒng)最大傳動(dòng)比；

(9)

式(9)中：λ為電機(jī)的過(guò)載系數(shù)，取值一般為2～3.5，本設(shè)計(jì)取λ=2；TM為電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定電壓隨額定功率增大而增大，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定電壓與電池組電壓密切相關(guān)。通過(guò)高壓配電盒，將電池直流電轉(zhuǎn)換為電機(jī)交流電。因此，選擇合適的電池組電壓和電流是滿足整車(chē)驅(qū)動(dòng)行駛的前提。根據(jù)實(shí)際工況與參數(shù)匹配要求，選擇電機(jī)額定電壓為220 V。

通過(guò)相關(guān)公式和給定參數(shù)，計(jì)算得出表2所示

表2 電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)
Table 2 Motor design parameters

驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大功率、額定轉(zhuǎn)矩、最高轉(zhuǎn)速等參數(shù)。

2 水冷結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 電機(jī)的熱源分析

電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生損耗，不僅使電機(jī)的工作效率降低，也會(huì)使電機(jī)內(nèi)部溫度升高。當(dāng)電機(jī)溫度過(guò)高時(shí)，其內(nèi)部材料會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)一步會(huì)影響電機(jī)正常工作。電機(jī)的冷卻系統(tǒng)主要是利用冷卻介質(zhì)帶走運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量，起到快速降溫的作用，從而避免因溫度過(guò)高而引起一系列問(wèn)題。因此，對(duì)于電機(jī)溫升的分析研究，除了要準(zhǔn)確分析計(jì)算電機(jī)整體溫度場(chǎng)分布情況外，還要提高電機(jī)自身的散熱能力即改善電機(jī)的冷卻系統(tǒng)。

電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)伴隨著各種損耗，引起電機(jī)的溫度增加。電機(jī)熱的來(lái)源主要有鐵損、銅損、永磁損耗和機(jī)械損耗，其中鐵損和銅損占車(chē)輛電機(jī)損耗的很大比例。鐵芯損耗由轉(zhuǎn)子和定子鐵芯損耗組成。機(jī)械損失包括軸承摩擦損失和空氣磨損引起的空氣和轉(zhuǎn)子表面之間的摩擦。永磁同步電機(jī)的大部分損耗來(lái)源于定子鐵芯及繞組。定子鐵芯損耗所產(chǎn)生的熱量與機(jī)殼發(fā)生熱傳遞，因此可以通過(guò)在機(jī)殼中設(shè)計(jì)冷卻水道來(lái)進(jìn)行換熱降低其溫度。繞組損耗所產(chǎn)生的熱量與包裹在其表面的絕緣體進(jìn)行傳熱，之后傳給定子鐵芯，鐵芯再與冷卻水換熱。此外，還有部分繞組損耗是由其端部產(chǎn)生，可以忽略不計(jì)。

繞組損耗為

(10)

式(10)中：PCu，i繞組i的銅損值；Ii為繞組i中電流；Ri為繞組i的電阻。電機(jī)為三相繞組，即

PCu，i=3I2R
(11)

R=R0[1+α(T-T0)]
(12)

式中：I為流過(guò)每相繞組的電流；R0為20 ℃即正常室溫下的每相繞組電阻值；α為銅在20 ℃時(shí)的電阻溫度系數(shù)，取α=0.003 9/℃；T為常溫下的繞組溫度，經(jīng)驗(yàn)值取T=100 ℃。

電機(jī)存在兩種熱量的傳遞方式：一種是熱傳導(dǎo)，即熱量從一種介質(zhì)被傳入另一種介質(zhì)中去，主要是一個(gè)傳遞的過(guò)程；另一種是熱對(duì)流，通過(guò)介質(zhì)的流動(dòng)實(shí)現(xiàn)。水冷式永磁同步電機(jī)主要通過(guò)冷卻水對(duì)流來(lái)釋放鐵芯和繞組的熱量，因?yàn)槔鋮s水的對(duì)流換熱效率比空氣對(duì)流換熱的效率要高得多。熱量被傳遞到水道的冷卻水之后，通過(guò)其流動(dòng)將熱量帶走。永磁同步電機(jī)熱傳遞示意如圖1所示。

1為軸；2為轉(zhuǎn)子鐵芯；3為前端蓋；4為主殼體；5為定子鐵芯；6為冷卻水；7為水道外殼；8為繞組；9為后端蓋
圖1 永磁同步電機(jī)熱傳遞
Fig.1 Permanent magnet synchronous motor heat transfer

2.2 電機(jī)水冷結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

影響電機(jī)溫度場(chǎng)的主要因素包括：冷卻水流速、水道的結(jié)構(gòu)及電機(jī)殼體材料。不同的冷卻水流速和水道的結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)電機(jī)的對(duì)流換熱系數(shù)，還會(huì)影響電機(jī)散熱過(guò)程中傳熱系數(shù)、密度和化熱容等相關(guān)參數(shù)。水道結(jié)構(gòu)不僅對(duì)于電機(jī)的溫度場(chǎng)有非常大的影響，而且還會(huì)直接影響到電機(jī)整體重量。

冷卻水道的設(shè)計(jì)是電機(jī)冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵。水道形式?jīng)Q定了冷卻液的流動(dòng)路徑、流動(dòng)速率、對(duì)流散熱的面積，這些因素也直接影響電機(jī)冷卻系統(tǒng)的效率。由于不同的電機(jī)自身的發(fā)熱部位、發(fā)熱強(qiáng)度、形狀外觀、功率大小都各有差異，設(shè)計(jì)時(shí)要針對(duì)電機(jī)的特點(diǎn)選擇最恰當(dāng)?shù)乃佬问?。鑒于周向螺旋式水冷結(jié)構(gòu)管壁表面光滑平整，具有流動(dòng)阻力小，壓力損失小，水速比較穩(wěn)定，冷卻效果易于掌控等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合電機(jī)在整車(chē)上的使用環(huán)境、布置需求等因素，將該電機(jī)定子殼體內(nèi)的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周向螺旋式結(jié)構(gòu)(圖2)。

圖2 永磁同步電機(jī)周向螺旋水冷結(jié)構(gòu)
Fig.2 Spiral water-cooled structure of permanent magnet synchronous motor

2.3 冷卻系統(tǒng)熱量的計(jì)算

假設(shè)冷卻水箱中的冷卻液全部流入電機(jī)的水道中，并且將電機(jī)產(chǎn)生的全部熱量帶走，通過(guò)假設(shè)溫度差，可確定冷卻水的總流量：

(13)

式(13)中：ρ為冷卻水的密度；cm為比熱容；Δt為冷卻水流過(guò)電機(jī)后的進(jìn)出水口的溫度差。

冷卻水流速為

(14)

式(14)中：V為冷卻水的流速；n為水道的數(shù)量；Al為水道的截面面積。

冷卻系統(tǒng)的熱平衡方程式為

hmAΔtm=qmcm(t0-ti)
(15)

式(15)中：hm為傳熱系數(shù)平均值；Δtm為流體與壁面溫度差值；qm為流體的質(zhì)量流；t0為流體進(jìn)入水道溫度；ti為流體進(jìn)流出水道溫度。

3 機(jī)建模與仿真

3.1 電機(jī)建模

基于Ansoft RMxprt建立永磁同步電機(jī)仿真模型，導(dǎo)出Maxwell2D模型視圖，進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真分析。Ansoft RMxprt中有專門(mén)的內(nèi)置式(interior permanent magnet，IPM)永磁同步電機(jī)的分析模塊，輸入電機(jī)基本參數(shù)，具體包括定子/轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)、繞組參數(shù)、磁鋼參數(shù)等。永磁同步電機(jī)二維仿真模型如圖3所示。

圖3 永磁同步電機(jī)二維模型
Fig.3 Permanent magnet synchronous motor two-dimensional model

3.2 電機(jī)磁場(chǎng)仿真

對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計(jì)算空載、定子三相繞組任意兩項(xiàng)通電流時(shí)的磁場(chǎng)分布，圖4是永磁同步電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的分布情況。

圖4 電機(jī)磁場(chǎng)與磁感應(yīng)強(qiáng)度分布
Fig.4 Motor magnetic field and the magnetic induction intensity distribution

由圖4可以直觀看到電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布以及各個(gè)部分磁場(chǎng)的飽和情況。從圖4(b)可以看出硅鋼片靠近永磁體部分磁感應(yīng)強(qiáng)度高度飽和，整個(gè)電機(jī)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布均勻，減少了諧波干擾。
電機(jī)磁力線A分布如圖5所示。由圖5可知電機(jī)的磁通主要部分為定子繞組通有電流的激磁極經(jīng)氣隙達(dá)到轉(zhuǎn)子極的主磁通，且在磁鋼附近有少許的漏磁。

圖5 電機(jī)磁力線分布
Fig.5 Motor magnetic field lines distribution

通過(guò)理論計(jì)算、數(shù)值仿真、樣機(jī)試制等環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)如圖6所示。臺(tái)架試驗(yàn)表明，電機(jī)參數(shù)與設(shè)計(jì)指標(biāo)基本符合，能較好地滿足車(chē)輛驅(qū)動(dòng)要求。

圖6 永磁同步電機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)
Fig.6 Permanent magnet synchronous motor experimental prototype

4 結(jié)論

針對(duì)某型純電動(dòng)SUV的水冷式永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真分析，得到以下結(jié)論。

(1)分析了電機(jī)的熱源與熱量傳遞特性，對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了熱量計(jì)算，設(shè)計(jì)了永磁同步電機(jī)的周向螺旋式水冷結(jié)構(gòu)，能滿足電機(jī)散熱需求。

(2)建立永磁同步電機(jī)仿真模型，分析了電機(jī)磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度及磁力線的分布特征，為電機(jī)結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)化提供了參考。

(3)臺(tái)架試驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的電機(jī)能較好地滿足車(chē)輛驅(qū)動(dòng)要求。
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