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電動汽車用高功率密度感應(yīng)電機的設(shè)計與研究
2020-06-30 00:16:21· 來源：EDC電驅(qū)未來 作者：謝穎， 黎志偉丨哈爾濱理工大學(xué)
摘 要:針對目前永磁材料價格大幅度上漲，永磁電機和電動汽車動力系統(tǒng)成本增加的問題，給出了一個高功率密度感應(yīng)電機方案，并介紹了方案的設(shè)計過程和感應(yīng)電機提高
摘 要:
針對目前永磁材料價格大幅度上漲，永磁電機和電動汽車動力系統(tǒng)成本增加的問題，給出了一個高功率密度感應(yīng)電機方案，并介紹了方案的設(shè)計過程和感應(yīng)電機提高功率密度的方法。運用有限元法計算了電機的輸出能力、溫升和轉(zhuǎn)子強度等關(guān)鍵性能。通過參數(shù)化掃描電機的氣隙長度和鐵心長度，總結(jié)了它們對電機性能的影響。計算了電機額定運行時的損耗分布，并設(shè)計了機殼水冷回路，通過電磁場和溫度場耦合計算，得出了電機的溫度分布規(guī)律。最后，為了保證電機轉(zhuǎn)子高速運行時的可靠性，計算了轉(zhuǎn)子形變趨勢和應(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，該電機具有良好的輸出性能，并且散熱能力好，可以長時間運行。
0 引 言
電動汽車對成本和里程特別敏感，電機的降本和減重工作也就尤為重要。目前國內(nèi)各大車企的驅(qū)動系統(tǒng)供應(yīng)商重心都在開發(fā)轉(zhuǎn)速更高，更加集成化的電驅(qū)動產(chǎn)品。國內(nèi)一汽集團(tuán)、精進(jìn)電動和上海電驅(qū)動等，國外普銳斯、采埃孚和特斯拉等都開發(fā)出峰值功率密度大于4.0 kW/kg的電機產(chǎn)品，并實現(xiàn)了電驅(qū)動一體化集成，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。驅(qū)動電機應(yīng)用最多的是永磁同步電機，其次就是感應(yīng)電機，國外特斯拉和奧迪等，國內(nèi)蔚來汽車都有成熟的感應(yīng)電機驅(qū)動系統(tǒng)。感應(yīng)電機相比永磁電機，物料和制造成本低，性能可靠，沒有退磁風(fēng)險。本文電機是針對Y2系列感應(yīng)電機進(jìn)行改進(jìn)，沒有采用銅條轉(zhuǎn)子、超薄硅鋼片和薄壁機殼等技術(shù)，峰值功率密度為3.3 kW/kg左右，與國際先進(jìn)水平還存在差距。
本文給出了一個高功率密度感應(yīng)電機方案，并介紹了電機方案的設(shè)計過程和感應(yīng)電機提高功率密度的方法。通過多物理場耦合計算，得到了電機某些關(guān)鍵尺寸對性能的影響，并分析了電機斜槽對氣隙磁密諧波的影響，通過溫度場和力學(xué)計算，得到了電機的溫度分布和轉(zhuǎn)子應(yīng)力分布規(guī)律，驗證了電機方案設(shè)計的合理性。
1 高功率密度電機的設(shè)計與分析
1.1 設(shè)計思路
電機電樞體積、轉(zhuǎn)速、功率和電機常數(shù)之間有以下關(guān)系
(1)式中：D為電樞直徑；lef為有效長度；n為電樞旋轉(zhuǎn)速度；P′為電機功率；
為極弧系數(shù)；KNm為波形系數(shù)；Kdp為電機繞組系數(shù)；A表示電機安匝數(shù)；Bδ為氣隙中的磁密；CA為常數(shù)。從式(1)中可以看出，可以通過以下幾種途徑來提高電機功率密度：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 電機基本參數(shù)
通過感應(yīng)電機電磁計算程序，初步確定電機主要尺寸、極數(shù)和所需要的安匝數(shù)，然后通過有限元法參數(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機座號2極方案的沖片，避免重新開模的費用，減少電機加工成本。電機額定功率、效率和額定轉(zhuǎn)矩等基本參數(shù)如表1所示。
通過表1中的功率和有效材料重量數(shù)據(jù)計算可得本文電磁方案的額定功率密度為3.3 kW/kg，相比Y2系列電機提高了5～8倍。
表1 電機基本參數(shù)
Table 1 Basic parameters of motor
1.3 長徑比的選擇
在電機設(shè)計過程中，首先要確定的就是鐵心長度和電樞直徑的尺寸，兩者的比值可以看出電機的設(shè)計是否合理，還有電機的應(yīng)用場合。對于電動汽車驅(qū)動電機，在電流模塊和電壓模塊的限制下，鐵心長度對電機性能影響很大。先保證其他尺寸參數(shù)不變，對鐵心長度進(jìn)行參數(shù)化掃描，來研究和分析其對電機性能和效率的影響。如圖1、圖2和圖3所示為計算結(jié)果。
圖1 鐵心長度對定子相電流的影響
Fig.1 Influence of core length on stator phase current
圖2 鐵心長度對功率因數(shù)cosφ和效率η的影響
Fig.2 Influence of core length on cosφ and η
圖3 鐵心長度對電機損耗的影響
Fig.3 Influence of core length on motor loss
圖1為鐵心長度對定子相電流的影響，在相同電壓模塊下，鐵心加長，電機鐵心磁密降低，用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的激磁電流減小，電流中無功分量隨之減少，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)矩能力會增加。電機的功率因數(shù)隨著激磁電流含量的減小而增大。鐵心加長，定子相電阻和轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電阻增加，銅損和鋁損會有相應(yīng)的改變，特別是轉(zhuǎn)子鋁損會隨著鐵心加長一直增加，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較小，這一點從圖3中可以看出。
因為本文設(shè)計方案為車用驅(qū)動電機，對電機的外包絡(luò)有一定的尺寸限制，所以電機的軸向尺寸不能太長，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，所以鐵心長度選擇275 mm，溫升計算結(jié)果則在后續(xù)小節(jié)中給出。
1.4 氣隙長度的選擇
感應(yīng)電機的氣隙長度相比永磁同步電機要小一些，因為感應(yīng)電機沒有電樞反應(yīng)，轉(zhuǎn)矩波動相比永磁電機要小很多。氣隙長度對電機出轉(zhuǎn)矩和出功率能力影響很大，在相同電壓模塊下，氣隙長度對電機定子相電流、功率因數(shù)和轉(zhuǎn)矩波動的影響如圖4、圖5和圖6所示。從圖中可以看出，氣隙長度跟定子相電流成正比，是因為磁阻增大，需要的激磁電流增加了，電機輸出轉(zhuǎn)矩會降低。但是氣隙增大可以充分過濾氣隙磁場中的諧波含量，使得轉(zhuǎn)矩波動減小，改善電機NVH性能。
圖4 氣隙長度對定子相電流的影響
Fig.4 Influence of air gap length on stator phase current
在滿足汽車輪端扭矩的前提下，要充分考慮電機的效率和NVH性能，所以氣隙長度選0.7 mm。
1.5 冷卻方式的選擇
車用高密度電機的損耗密度很大，所以冷卻能力是其重要指標(biāo)之一，好的散熱可以使電機的輸出能力有很大的提升。目前市場上的車用驅(qū)動電機已經(jīng)見不到采用風(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，但是油冷對電機定子組件中的絕緣片、套管、樹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，會使電機成本大幅增加，所以主流還是水冷方式。
圖5 氣隙長度對功率因數(shù)和效率曲線的影響
Fig.5 Influence of air gap length on cosφ and η
圖6 氣隙長度對轉(zhuǎn)矩波動的影響
Fig.6 Influence of air gap length on torque ripple
水冷也有很多不同的結(jié)構(gòu)，比如機殼冷卻、軸內(nèi)水冷和端蓋水冷等，機殼水冷又有軸向水路和周向水路等。本文設(shè)計的電機方案采用周向水路，機殼示意圖如圖7所示。
圖7 水冷機殼示意圖
Fig.7 Diagrammatic sketch of water-cooled shell
2 電機性能分析
2.1 電磁場計算模型
有限元模型中，根據(jù)電機各部分模型的重要程度，對鐵心、繞組和導(dǎo)條等進(jìn)行不同精度的網(wǎng)格剖分，可以在不影響計算結(jié)果的前提下，節(jié)省時間和資源。電機的定轉(zhuǎn)子沖片模型以及各部分剖分模型如圖8所示。
在電磁場仿真時，可以通過參數(shù)化掃描轉(zhuǎn)子初始位置角來模擬轉(zhuǎn)子斜槽，原理是軸向上將電機簡化為多段直槽電機。電機磁場求解域和定轉(zhuǎn)子邊界條件簡化公式為：
(2)式中：D為電機磁場求解域；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分別為相對磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率。
圖8 電機有限元模型
Fig.8 Finite element model of motor
2.2 電磁場計算結(jié)果分析
如圖9所示為電機額定工況下定轉(zhuǎn)子鐵心中的磁力線和磁密分布，從圖中可以看出，電機為2極電機。為了使磁密分布合理，2極電機定轉(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，這是因為轉(zhuǎn)子斜槽的原因。圖11是轉(zhuǎn)子斜槽和不斜槽時，氣隙磁密諧波波形和其諧波分解后的幅值對比。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的NVH性能。
圖9 電機額定工況磁場分布
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。
圖12 鐵心損耗密度分布
Fig.12 Distribution of the core loss density
2.3 電機輸出性能
車用驅(qū)動電機比較關(guān)注電機的峰值輸出能力，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，通過有限元法計算電機的輸出外特性，如圖13所示。從圖中可以看出，電機峰值轉(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力需求。
感應(yīng)電機與永磁同步電機相比，高速區(qū)會掉功率，這是因為感應(yīng)電機特性比較軟，沒有永磁磁通來維持高速區(qū)的氣隙磁通，只能通過電壓源來調(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，磁通會大幅度下降。
圖13 輸出外特性
Fig.13 Output performance
汽車的運行區(qū)間非常廣，車用驅(qū)動電機不只是關(guān)注電機的峰值效率，更加關(guān)注的是整個運行區(qū)間的效率分布，所以本文通過有限元法計算了電機整個運行區(qū)間的效率Map分布，如圖14所示。從圖中可以看出，本文設(shè)計的感應(yīng)電機峰值效率為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)動電機的需求。感應(yīng)電機相比永磁電機，高效區(qū)比較靠后，所以可以通過提高減速比來縮小與永磁同步電機的差距。
圖14 效率Map
Fig.14 Efficiency Map
3 電機溫度場計算與分析
車用驅(qū)動電機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，所以在電機方案設(shè)計過程中，必須要估算電機的溫升，以溫升作為一個的外邊界條件。本文采用有限元法，將瞬態(tài)電磁場計算結(jié)果耦合到三維溫度場中計算電機的溫度。
3.1 溫度場計算模型
區(qū)別于電磁場模型，電機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。本文在電磁場模型的基礎(chǔ)上建立了帶有水冷機殼的溫度場模型，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，為了簡化計算和提高計算精度，將槽絕緣、漆包線簡化成等效繞組和等效絕緣兩部分，并將電機剖分成六面體。
3.2 電機損耗計算
鐵心損耗包括磁滯損耗，渦流損耗和異常損耗，三項計算公式如下，鐵耗與頻率和磁密成正比，高速區(qū)鐵耗占比會增加。
PFe=Ph+Pc+Pe=
(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，計算為
PCu=3I2R。 (4)
式中：PCu為電機定子繞組銅耗；I為定子繞組中的相電流；R為單相直流電阻。
圖15 三維溫度場模型
Fig.15 3D model of the thermal field
鼠籠式感應(yīng)電機導(dǎo)條中存在不可忽略的集膚效應(yīng)，損耗密度不均勻，需要對導(dǎo)條電密積分求解。導(dǎo)條每個剖分單元內(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)計算
本文給出的電機方案為機殼水冷，機殼表面散熱系數(shù)為常數(shù)。機殼和端蓋內(nèi)各接觸面散熱系數(shù)參考傳統(tǒng)計算公式，機殼水路與流體間對流換熱跟流速有關(guān)，是強迫對流換熱，計算方法如下所示，計算結(jié)果如表2所示。
(6)式中：Nuf為努賽爾特數(shù)；λf為導(dǎo)熱系數(shù)；De當(dāng)量直徑；Ref雷諾數(shù)；Prf為普朗特數(shù)；μf為動力粘度；νf為運動粘度；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 溫度場計算結(jié)果分析
將二維瞬態(tài)電磁場的損耗計算結(jié)果耦合到三維瞬態(tài)溫度場中作為熱源，設(shè)置環(huán)境溫度為22 ℃。仿真時間設(shè)置為3 000 s，此時溫升基本穩(wěn)定。電機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中可以看出電機主要熱源部位的溫度分布情況，本文設(shè)計的電機鐵心長度較長，又采用散熱均勻的機殼水冷方式，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。溫度場計算結(jié)果表明，本文設(shè)計電機方案的溫升在安全范圍之內(nèi)，可以長期可靠的工作。
4 轉(zhuǎn)子靜力學(xué)分析
高速化和集成化是驅(qū)動電機的發(fā)展趨勢，但是當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到一定程度時，對沖片應(yīng)力和軸承強度都有很高的要求，為了保證設(shè)計方案的可靠性，在設(shè)計之初就應(yīng)該對電機轉(zhuǎn)子部分的結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行仿真計算，轉(zhuǎn)子的三維靜力學(xué)計算模型如圖18所示。
圖18 轉(zhuǎn)子有限元模型
Fig.18 Finite element method model of the rotor
仿真計算過程中，只添加轉(zhuǎn)速載荷，不計慣性和阻尼作用。轉(zhuǎn)速為15 000 r/min時的轉(zhuǎn)位移如圖19所示，從圖中可以看出轉(zhuǎn)子的位移趨勢。
圖19 轉(zhuǎn)子位移趨勢(m)
Fig.19 Deformational displacement trend of the rotor(m)
電機轉(zhuǎn)速15 000 r/min，即對應(yīng)車速100 km/h時，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)電機相比永磁同步電機，沖片應(yīng)力要小得多，這是因為永磁電機轉(zhuǎn)子沖片隔磁橋、減重孔的存在，大幅度增加了應(yīng)力。同時計算了轉(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，最大應(yīng)力為88 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，電機可以正常工作。
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的主要特點，并設(shè)計了一臺基于Y2系列電機的高功率密度電機。利用有限元軟件分別計算了電機的磁場分布、輸出性能、溫升和轉(zhuǎn)子強度等，得到以下結(jié)論：
1)驅(qū)動用高速高密度電機輸出外特性、轉(zhuǎn)矩波動、效率Map、溫升和轉(zhuǎn)子強度等是電機設(shè)計階段需要考慮的重點。
2)通過電磁場計算結(jié)果可以看出，本文設(shè)計電機峰值轉(zhuǎn)矩190 N·m，峰值功率130 kW，功率密度達(dá)到3.3 kW/kg。電機調(diào)速范圍和高效率區(qū)間也特別廣，能滿足電動汽車的各種工況。
3)電機選用周向圓形水路機殼水冷的冷卻方式，電機溫升大幅度降低，提高了驅(qū)動系統(tǒng)的安全性和可靠性。因為其細(xì)長型的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子部分溫度從中間向兩端逐漸降低。溫度場計算結(jié)果也驗證了電機方案的合理性及可靠性。
4)本文所設(shè)計的電機也可以應(yīng)用在其他具有空間限制或者需要高轉(zhuǎn)速的場合中，電機轉(zhuǎn)子強度足夠。設(shè)計思路和分析方法也可以為今后高功率密度電機的研究提供一定的參考。
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