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新能源汽車用高功率密度驅動電機設計方案

2021-11-21 09:47:54·  來源：焉知動力驅動系統(tǒng)  
　
大量研究表明，汽車能量損耗與汽車質量成正比關系，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動系統(tǒng)通常占汽車總質量的
大量研究表明，汽車能量損耗與汽車質量成正比關系，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動系統(tǒng)通常占汽車總質量的30%-40%，驅動系統(tǒng)的輕量化是整車輕量化的重點之一。汽車驅動電機是新能源汽車的核心驅動部件，需要在有限的布置空間內，滿足汽車各個工況的動力性要求，因此在更小的空間內，設計高效、安全、可靠的高功率密度電機，是實現電機輕量化，降低汽車能量損耗，需要解決的重點問題。
電機功率密度的提高一般采用兩用途徑：1）提高電機轉矩密度；2）電機高速化，從這兩種途徑出發(fā)，本文針對電機設計過程中定轉子結構設計、電機材料選擇、電機損耗與溫升以及電機振動噪聲，四個方面對實現電機輕量化，提高電機功率密度和體積密度，進行分析。
1 電機結構設計
1.1 車用驅動電機設計流程
電動汽車性能的優(yōu)劣，取決于核心部件驅動電機是電動汽車的設計。電動汽車驅動電機的研究是電動汽車研究領域最重要的方向之一。
電動汽車對電機的性能要求是：基速以下具有恒轉矩特性和較高的轉矩過載倍數，以適應快速起動、加速、負荷爬坡、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速比，以適應最高車速和超車等要求；在大部分運行范圍內效率最優(yōu)化，以節(jié)約能源。
車用新能源驅動電機設計具有整車預留布置空間小，工作環(huán)境極其惡劣的特點，在新能源電動轎車設計中該特點表現尤為明顯。傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電機設計方法難以滿足電動汽車驅動電機的復雜要求，不能很好地顯示出電動汽車驅動電機的特點。因此，在車用驅動電機設計中應該充分考慮過載倍數、弱磁擴速比、高效區(qū)等電動汽車驅動電機的特征設計參數，針對電動汽車的不同運行工況對電機設計所帶來的影響進行分析和優(yōu)化。
另外，在新能源轎車用驅動電機設計中，還應該按照圖1所示的設計流程進行驅動電機設計。根據永磁同步電動機（PMSM）的性能要求，首先借助于設計軟件對電機的幾何形狀、尺寸及材料選擇進行初始設計得到設計參數，通過有限元方法進行性能預測計算。性能預測計算、性能評估和參數設計之間需要反復重新計算直到找到最優(yōu)設計，最后通過樣機實驗對驅動電機設計結果進行分析和驗證。

1.2 電機定子結構設計
1）長徑比選擇
在電機設計過程中，隨著電機長徑比的增加，體積增大，轉子體積不變，轉子轉動慣量降低，電機用銅量增加。由于整車設計中驅動電機布置空間有限，在滿足整車空間布局的條件下，綜合電機控制系統(tǒng)對電機轉動響應時間的要求，合理選擇電機長徑比，提高電機功率密度。
在電機設計輸入條件下，定子鐵芯外徑與電機鐵芯長度之間的關系曲線如圖2所示；電機轉子外徑與電機鐵芯長度之間的關系曲線如圖3所示；電機體積與電機鐵芯長度之間的關系曲線如圖4所示；電機每槽有效體積與電機鐵芯長度關系曲線如圖5所示。




在整車設計過程中，永磁同步電機預留布置空間尺寸為：，為減小電機用銅量，降低電機成本，降低電機體積，同時考慮電機轉子動態(tài)響應效果，電機定子外徑設計為：235 mm，鐵芯長度為160 mm，定子內徑為160 mm。
2）極對數選擇
在電機槽極比不變的情況下，隨著電機極對數的增加，電機定子鐵芯軛部用鐵量減小，電機體積減小，并由于定子絕緣材料的增加，電機體積減小速度逐漸下降，永磁同步電機定子外徑與電機極對數之間的關系曲線，如圖6所示。

另外，隨著電機極對數的增加，電機輸入電流頻率增加，電機鐵耗增加，效率降低，同時提高了對電機控制系統(tǒng)和電機散熱系統(tǒng)的要求，在高速電機設計中，電機極對數一般選擇較小。根據控制系統(tǒng)硬件設計和電機溫升系統(tǒng)仿真以及樣機實驗的基礎上，在控制器輸出頻率、電機溫升限值、效率允許范圍內，合理選擇電機極對數，能夠適當提高電機功率密度。
從圖6中，可以看到在電機極對數小于5時，電機定子外徑隨電機極對數變化劇烈，而在極對數大于5之后，定子外徑變化緩慢，由于電機采用高速低轉矩設計，為滿足控制系統(tǒng)有效電流輸出頻率，同時減低電機中的鐵耗，選擇電機極對數為4。
3）槽極比選擇
在電機設計中，隨著槽極比的增加，電機定子內徑不變，由于槽內絕緣體積增加，電機外徑增加，電機體積變大，端部用銅增加，電機質量增加，但是電機繞組磁動勢正弦度增加，電機紋波轉矩降低，轉矩脈動減小，鐵耗降低，同時繞組反電勢正弦度提高，諧波含量降低，但是基波繞組因數降低，電機輸出扭矩降低。電機每極每相槽數與電機定子外徑之間的關系曲線如圖7所示。合理選擇電機槽極比，調整電機效率和外特性。

隨著電機槽極比的增加，電機定子齒部寬度減小，定子齒部寬度與電機每極每相槽數之間的關系曲線如圖8所示，由于在電機運行過程中轉矩脈動、電磁徑向力會導致電機振動，定子齒部過窄會導致定子齒部機械強度過差，從而導致定子齒部斷折。另外，每極每相槽數的增加，會造成定子制造成本大幅增加，影響電機經濟性，定子繞組繞線困難，同時為定子槽口寬度優(yōu)化，減小電機轉矩脈動增加限制，從圖8也可以看到，隨著每極每相每相槽數增加，電機定子齒部變化劇烈，因此選擇電機每極每相槽數為2。

4）電負荷選擇
在電機熱負荷一定的情況下，電機設計過程中隨著電負荷的增加，電機轉子體積減小，轉動慣量降低，定子外徑先減小后增加，同時電機用銅量不斷增加。因此，應該合理選擇電機電負荷，綜合電機鐵芯質量和用銅量，實現電機質量最優(yōu)化，提高電機功率密度。電機定子外徑與電負荷關系曲線如圖9所示，定子內徑與電負荷關系曲線如圖10所示，電機每槽有效面積電負荷關系曲線如圖11所示。



5）繞線纏繞方式選擇
合理選擇繞線纏繞方式，減小電機端部繞線長度，減小電機長度和用銅量，降低電機銅損，提高電機效率，從而減小電機長度，減小電機體積，降低電機質量，進而較大幅度提高電機功率密度。
合理選擇電機繞組纏繞方式，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鐵耗和電機紋波轉矩，提高電機效率，減小電機振動與噪聲。另外，合理選擇電機繞組纏繞方式能夠提高電機凸極慮，提高磁阻轉矩，減小繞組電流，降低電機銅耗，提高電機效率。
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，集中式繞組電機凸極率小，磁阻轉矩小，繞組電流大。在高速低轉矩電機設計中，電機轉速高，繞組電流頻率也高，集中繞組設計會減小電機效率云圖高效區(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，能夠提高電機定子磁勢正弦度，減小定子諧波含量，降低電機紋波轉矩，同時能夠減小電機端部用銅，減小電機銅損和端部漏抗，提高電機性能并降低電機制造成本。但是在本設計中電機每極每相槽數為2，且正弦繞組在實際纏繞過程中每槽線圈元件數必須取整數，因此對本電機來說在正弦繞組和傳統(tǒng)短距分布繞組相比對電機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雜，因此本設計中電機繞組纏繞方式仍選擇傳統(tǒng)正弦分布繞組，同時為減少電機磁勢諧波分量，采用星形連接方式。本電機繞組分布展開圖，如圖12所示。
6）定子槽開口寬度選擇
在電機設計中，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，進而使氣隙磁導發(fā)生劇烈變化，影響永磁同步電機的漏電感，使氣隙磁密表現出鋸齒狀波形，從而產生齒槽轉矩，使得電機在運行的過程中，產生轉矩脈動及噪音，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槽口寬度進行參數化掃描。隨著定子槽開口寬度增加，電機等效氣隙長度增加，繞組漏電感減小，電機氣隙磁密減小，電機凸極率減小，磁阻轉矩利用率降低，弱磁效果降低，電機轉矩密度降低。但是定子槽開口寬度過小，電機繞組嵌線困難，在不影響電機嵌線的基礎上適當減小定子槽開口寬度，有利于電機功率密度的提高。另外，合理選擇電機定子槽開口寬度，能夠在一定程度上，減小電機齒槽轉矩，降低電機震動與噪聲。
電機漏電感與定子槽口寬度關系曲線如圖13所示，槽口寬度與氣隙磁密及峰值額定功率之比關系曲線如圖14所示，槽口寬度與交直軸電感值及其比值關系曲線如圖15所示。電機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出降低的趨勢。再從永磁同步電機裝配工藝的角度來考慮，槽口寬度應該是選擇大一點。綜合以上各方面因素分析之后，永磁同步電機的定子槽口寬度選擇為2.4 mm。


7）定子槽型選擇
在電機定子槽型結構設計中，應使得電機定子磁路磁阻最優(yōu)化，定子磁路不存在磁密奇點，永磁體工作點在電機運行工況范圍內位于最優(yōu)工作點附近。同時，定子槽型選擇，應利于電機嵌線，方便電機批量化生產。
為均衡定子軛部各位置磁密，形成均勻旋轉磁場，改善軛部和齒部與軛部交接處磁路，并方便嵌放成型繞組，旋轉半開口梯形槽設計，定子槽型如圖16所示，電機磁密分布圖如圖17所示。


1.2 電機轉子結構設計
1）電機氣隙長度選擇
電機氣隙長度在極大程度上影響電機的性能、可靠性、裝配難度和制造成本。從永磁同步電機電磁性能上來說，氣隙長度越小，電機功率因數變大，電機效率增加，轉矩密度增加，電機弱磁調速范圍變寬。但是氣隙磁場諧波分量增加，電機容易產生振動和噪聲，同時電機雜散損耗增大，如果氣隙長度過小，就很難保證電機運行時的同軸度，在電機運行時就容易導致電機掃膛現象，降低電機運行的可靠性，同時電機裝配難度提高。因此在氣隙長度選擇上，應綜合考慮電機振動、噪聲、氣隙磁密、雜散損耗以及裝配工業(yè)和生產成本。
為了選擇最合適的氣隙長度大小，有對永磁同步電機的氣隙長度進行參數化掃描分析，其仿真結果如下圖18、19和20所示。



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

永磁體用量是決定永磁電機成本的關鍵，因此永磁電機優(yōu)化設計的目標之一就是降低電機永磁體用量。不同拓撲結構永磁體用量參數如表1所示，不同拓撲結構永磁電機永磁體轉矩密度如表2所示。可以看出 V 型內置式結構永磁體利用率最高，即同樣轉矩設計要求的情況下永磁體使用量最少。


空載反電動勢即電機感應電動勢，理想的情況下其波形應為正弦波。但是由于永磁體勵磁分布和繞組設計等原因，使得實際的感應電動勢中含有諧波成分，這也是造成電機紋波轉矩的主要原因之一。在設計中應盡量使永磁體產生的勵磁磁場在空間中的分布按照正弦規(guī)律分布。不同永磁體拓撲結構在電機額定轉速下電動勢如圖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。該表格為永磁電機均勻氣隙情況下結果，但是內置式永磁體拓撲結構可以通過多種方法對電機氣隙磁場波形進行優(yōu)化，其中最簡單實用的就是不均勻氣隙方法。
實踐表明，V字內置式永磁體布局方式，可使永磁體勵磁集中，漏磁減少，同時由于高速低轉矩設計，電機轉子每極空間大，有利于V字結構大凸極率的體現。另外，和表貼式永磁體布局方式向對比，交直軸電感均大幅度提高，電機弱磁范圍寬，并且在很高轉速時，仍然能夠輸出較大功率。綜上所述，在本電機設計中，永磁體拓撲結構選擇V字型布局方式，永磁體布局結構參數如圖24所示。
5）轉子表面氣隙結構設計
由永磁同步電機學的理論可以得知，永磁同步電機定子繞組中的交流電在氣隙中產生的磁動勢分布近似為正弦分布，那么為達到永磁同步電機產生理想平穩(wěn)運行轉矩的目的，需要轉子永磁體在電機氣隙中產生呈正弦分布特性的氣隙磁密波形。然而內置式永磁同步電動機自身的磁路特性,電機永磁體在氣隙中產生的磁密波形并不是程理想的正弦性分布，而實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。
當永磁同步電機采用傳統(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的影響是非常大的：
（1）導致永磁同步電機運行時的轉矩脈動加大；
（2）使得永磁同步電機附加的振動噪聲加大；（3）增加電機運行時的鐵耗，影響電機效率

為提高氣隙磁密基波含量，降低磁密諧波畸變率，減小電機振動和噪聲，減小電機損耗，提高效率，滿足新能源電動汽車要求，需要進一步對永磁同步電機進行優(yōu)化，提高氣隙磁密和反電勢正弦性。
到目前為止，在電機本體設計方面，永磁同步電機（PMSM）氣隙永磁磁密波形的優(yōu)化設計方法主要有：
（1）對永磁體的形狀進行優(yōu)化，缺點是此結構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，缺點是永磁體充磁工藝很難控制，加工極為復雜；（3）利用新型的 Halbach 永磁體陣列結構，這種結構的永磁同步電機氣隙永磁磁密波形接近于正弦性分布，但是此結構制造裝配工藝非常復雜，成本也很高；（4）優(yōu)化轉子結構，采用不均勻氣隙，此方法簡單易行，成本較低。
在本電機設計中，采用不均勻氣隙方法，在磁極偏心理論基礎上，對永磁體轉子磁極表面進行優(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）減重槽設計
在永磁同步電機永磁體槽底部和電機軸表面之間存在很大的半徑差距，存在較大的優(yōu)化空間。在不降低電機轉子機械強度和電機輸出功率的前提下，通過電機轉子機械強度和磁路仿真和電機實驗，改善轉子中減重槽的結構和尺寸，能夠在較大程度上提高電機功率密度。另外，由于該部分不列于電機磁路之內，可以選擇輕量高強度的其它合金材料，進一步實現電機輕量化。
在該永磁同步電機轉子鐵芯與轉軸直接通過鍵聯(lián)接，可通過鐵芯減重孔的形式對轉子進行減重，但減重孔的大小需要通過強度計算的形式進行確定。經過ANSYS有限元軟件優(yōu)化設計，最終確定了目前的減重孔大小和尺寸，如圖26轉子沖片圖所示。
1.3 電機軸結構設計
該電動永磁同步電機采用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，抗疲勞性能相當好。電機軸應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轉子鐵芯通過圓螺母及止動墊圈并緊在軸上，減小了結構對轉軸尺寸要求；轉軸作滲碳淬火處理，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，保證了轉軸的強度及花鍵表面的接觸疲勞強度；采用非標油封設計，使安裝方便。
1.4 電機外殼結構設計
機殼設計主要為水道設計，其余結構依據經驗值。以往水道經驗是首先設計好水槽的結構尺寸，設定入水口溫度、水槽溫度、水流速度等參數，計算出水口溫度，進而校核冷卻系統(tǒng)的散熱情況。這種方法，把設計的散熱方案的散熱功率作為計算結果，與實際需求的散熱功率對比。設計方案的散熱能力高于實際需要的散熱能力，則視為方案可行；反之，方案失敗。修改預先設計的水槽尺寸并重新計算直到滿足散熱條件。這種設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)，選擇進出水口溫度，水槽截面尺寸，利用傳熱學對流換熱原理，設計了中小型電機表面冷卻系統(tǒng)。目前我司采用螺旋型水道，其散熱均勻，結構強度高
2 電機材料輕量化
1）鐵芯材料選擇
電機定轉子鐵芯材料構成了電機磁路，其材料的選擇能夠在極大程度上影響電機定轉子尺寸、電機功率密度、電機鐵耗和電機效率。因此超薄高飽和材料硅鋼片的選擇和使用是提高電機功率體積比和功率密度，提高電機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，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
在永磁同步電機中，永磁體建立電機控制磁場并與定子磁動勢交鏈產生電磁轉矩，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準，也是提高電機功率密度，減小電機體積的關鍵手段之一。
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。該種永磁材料最大磁能積可達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 527J/m3；剩磁最高可達 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，利用電機仿真軟件，針對不同永磁體材料，分別進行仿真，綜合電機轉矩密度、轉矩脈動、電機損耗、電機效率以及電機運行溫度穩(wěn)定性，選擇永磁體材料。在本電機設計中，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。具體參數如圖31所示。
3）電機軸材料選擇
80kw純電動永磁同步電機采用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，抗疲勞性能相當好。
4）機殼、端蓋材料選擇
A356.2性能與特點：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，隨鑄件壁厚增加強度降低的程度小，鑄態(tài)下使用，變質后機械性能提高。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械強度，同時工藝性好。
3 電機溫升與振動
為了提高車用永磁同步電機的功率密度，在設計時常采用較高的電磁負荷，以提高電機轉矩密度，這就導致電機單位質量的損耗增大，使得電機各部件的溫度較高。另外電機的高速化也是實現車用永磁同步電機的高功率密度的一個重要方向。隨著轉速的提高，各類諧波磁場在轉子中的交變頻率也逐漸增大，引起轉子和永磁體損耗增大而發(fā)熱嚴重，影響電機運行的可靠性，同時電機振動和噪聲增大，影響汽車乘坐舒適性。因此，在電機設計過程中，有必要對電機的溫升以及振動和噪聲問題進行分析。
3.1 電機溫升
電機電磁設計的實質是在保證電機技術性能的基礎上，從溫升限值出發(fā)，確定電機各部分的幾何尺寸。電機溫升也是除磁路飽和外限值電機輸出轉矩的重要限值因素。電機結構復雜，機內空氣的流動性能也非常復雜。如何通過合理設計電機各部分材料、結構以及尺寸，降低電機損耗，提高電機效率，優(yōu)化設計電機機殼表面結構并選擇高性能電機冷卻方式，是降低電機溫升的兩個主要途徑，也是降低電機溫升的兩大難點。同時，如何在電機設計過程中準確計算和仿真電機溫升，找出電機中的溫度奇點，并以此優(yōu)化電機結構，也是電機設計研發(fā)過程中的重要問題。
1）電機損耗
大量車用永磁同步定子鐵耗的分析表明，在最大轉矩/電流控制下，PWM 載波頻率損耗是低速下電機損耗的主要部分，在高速弱磁情況下，電機基波磁場所產生的損耗逐漸減小，由定子開槽、永磁體空間磁動勢諧波和載波頻率所產生的損耗逐漸增大，成為電機損耗的主要部分。電機空載和負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。
車用永磁同步電機的負載雜散損耗主要有轉子損耗和永磁體損耗。轉子損耗主要由定子時間諧波電流產生的氣隙磁場、基波電流產生的空間諧波磁場以及定子開槽引起的氣隙磁導變化所引起，在普通永磁同步電機中，轉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子損耗和永磁體渦流損耗成為威脅電機安全可靠運行的最大隱患。電機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生轉子損耗的主要原因，其中定子電流 5、7、11和13次諧波是轉子表面和永磁體渦流損耗的主要部分，因此應當從定子角度出發(fā)減小轉子渦流損耗。在本電機設計過程中，從綜合考慮諧波幅值、頻率、轉子極弧系數和定子槽數等影響的車用永磁同步電機損耗最小化優(yōu)化判據出發(fā)，從電機設計上減小了電機空載損耗。
2）電機冷卻方式
新能源電機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，應用于電機散熱具有良好的冷卻效果。電機水冷結構設計的核心任務是電機散熱計算，使得電機損耗生熱和冷卻介質帶走的熱量達到平衡，從而控制電機溫升在允許范圍內。此外，冷卻介質流速是散熱能力重要影響因素之一。冷卻介質的流速與壓頭及流經管道阻力有關。壓頭由水循環(huán)系統(tǒng)的泵產生。流經管道阻力取決于冷卻結構的具體形式。
以往的設計過程是首先設計好水槽的結構尺寸，設定入水口溫度、水槽溫度、水流速度等參數，計算出水口溫度，進而校核冷卻系統(tǒng)的散熱情況。這種方法，把設計的散熱方案的散熱功率作為計算結果，與實際需求的散熱功率對比。設計方案的散熱能力高于實際需要的散熱能力，則視為方案可行；反之，方案失敗。修改預先設計的水槽尺寸并重新計算直到滿足散熱條件。這種設計方法只有在計算之后才能直到其散熱能力。在本電機散熱系統(tǒng)設計中從散熱能力出發(fā)，選擇進出水口溫度，水槽截面尺寸，利用傳熱學對流換熱原理，設計了中小型電機表面冷卻系統(tǒng)，同時采用螺旋型水道結構，具有散熱均勻，結構強度高等優(yōu)點。
3）電機溫升分析與仿真
ANSYS是如今主流的有限元分析軟件，融合結構、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，整合現有的應用，將數值模擬過程結合在一起，并在工程頁引入了工程流程圖的概念，一個復雜的包含多物理場的問題，可以通過系統(tǒng)間的連接實現相關性,實現多物理場間的稱合，大大簡化了前處理過程。在本電機設計過程中，在對電機結構進行合理優(yōu)化的基礎上，利用ANSYS軟件，對電機溫升進行了仿真，其中電機額定轉速空載定子鐵芯、繞組和電機額定負載時電機定子溫度分布圖，分別如圖36、37、38所示。


另外為避免在電機設計過程中可能出現的風險點，同時防止在設計過程中過于保守，而浪費車輛非常緊張的空間，有必要從汽車循環(huán)工況入手，對電機的溫升進行計算。由于隨著工況的變化，電機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，運算時間也會非常長。為實現新能源用電動汽車電機快速準確設計，在本電機設計過程中，在對集總熱容解析計算方法改進和驗算的基礎上，對電機循環(huán)工況溫升進行計算。
在本電機設計過程中，采用CYC_ARB02 循環(huán)工況，如圖39所示，該工況在前階段(0-600s)車輛運行在市郊，車輛需要經常啟停，但車速要高于城市內。后階段(600-1600s)車輛運行于高速公路，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，電機主要工作在恒轉矩區(qū)。在前階段電機經常啟停，且轉速不高。并且輸出轉矩為峰值轉矩的情況很多。車輛高速行駛時，電機主要工作在恒功率區(qū)。在此階段電機經常持續(xù)工作，且輸出轉矩不大。因此，該工況包含了電機整個工作區(qū)域，比較有代表意義。


在電機設計中對三個循環(huán)工況時間的電機繞組溫升進行了計算，如圖40所示?？梢钥吹矫總€循環(huán)內都反映了單個循環(huán)溫度的變化趨勢。不過隨著循環(huán)次數的增多，電機溫度升高的速度放緩，這是因為 CYC_ARB02 工況循環(huán)大部分工作點落在額定工作區(qū)范圍內，在此范圍內工作，由于電機效率高、損耗小，溫升就小。可以預見，樣機如果在此循環(huán)下持續(xù)工作相當長時間，電機繞組溫度也不會很高。這就說明，如果樣機就在此循環(huán)下反復工作，仍然可以放寬溫度限制，優(yōu)化前面的設計，從而使電機的其他性能參數如效率、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，有必要在對電機振動和噪聲進行分析和仿真的基礎上，對電機進行優(yōu)化設計。在電機運行過程中引起永磁同步電機電磁振動的主要因素，可歸結為電機結構和電機控制策略兩大方面。從電機結構方面削弱電機振動和噪聲，主要從電磁噪聲和機械噪聲兩大方面考慮。
1）電磁噪聲分析及改進
電磁噪聲主要是由極靴下磁通的縱振蕩產生的，通常具有齒頻率。由于永磁同步電動機磁極集中質量，在交變磁拉力和集中力的作用下，機座產生撓曲和橫向振動。在電機設計中，通過優(yōu)化磁極系數和轉子磁極形狀減少了磁通振蕩和振動電磁力。另外，在電機裝配過程中，由于裝配氣隙不均勻，電動機運行時產生單邊磁拉力，其作用相當于電動機轉軸撓度增加，因此保證氣隙裝配均勻也是防止振動的必要措施。
電機存在共振引起噪音。發(fā)生共振的可能是端蓋、定子、轉子，甚至是整機的共振。電動機的固有頻率十分豐富，要完全避免共振是不可能的，主要避免旋轉齒頻與固有頻率的接近和吻合，使機殼、端蓋的固有頻率偏離齒頻120%以上，轉軸的臨界轉速高于額定轉速30%以上。
2）機械因素結構改進措施
引起電動機機械噪音的原因主要有轉子動不平衡、零部件的加工工藝和軸承等因素。由于結構不對稱，材料質量不均勻或制造加工的誤差等原因，而造成轉子的動不平衡，轉動時由于偏心的慣性作用，將產生不平衡的離心力或離心力偶，在其作用下，引起電動機振動，從而產生噪聲。轉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，轉子轉速高，對平衡精度要求越高。在電機結構設計中為削弱電機振動，采用如下措施：
（1）沖壓時采取旋轉沖壓，降低沖片厚度不均帶來影響；（2）設計合理的軸與鐵芯的公差配合；
（3）合理設計前后端蓋結構，保證其形位公差精度高，表面粗糙度低，保證前后端蓋剛度，運轉時不產生變形；
（4）合理選用軸承，保證其游隙、承載強度、油脂粘度耐溫、轉速適應工況要求。
3）振動和噪聲仿真
應用Ansys workbench軟件進行電機電磁、振動、噪聲多物理域自動化耦合分析，在電機設計階段估計電機的NVH特性，進而優(yōu)化電機電磁設計以減少電機樣機的制造，進而節(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中進行頻域的諧響應分析，分析結果作為激勵耦合到ANSYS Mechanical ACT中，作為噪聲分析的激勵，得到電機噪聲聲壓壓強分布圖和A記權聲壓級分布圖。其中，電機聲壓壓強分布圖如圖41所示。

4 總結
在電機設計過程中，利用多種電磁和結構分析方法，對電機定子、轉子、電機軸以及機殼和端蓋結構尺寸進行設計和優(yōu)化，合理選擇了電機各部分材料，同時利用電機分析軟件，對電機的機械強度、振動噪聲以及溫升進行了分析和驗算。在保證了電機運行的安全性、可靠性和整車舒適性的基礎上，實現了電機輕量化、高速化以及高效化，極大的提高了電機的功率密度。實驗結果表明，所設計的高速大功率密度電機，功率密度能夠達到2.5kW/kg以上，最高轉速大于8000rpm，電機最高效率為96%，功率大于85%的高效區(qū)占整個電機運行區(qū)間的85%以上。
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