新能源汽車用高功率密度驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)方法

能源汽車用高功率密度驅(qū)動(dòng)電機(jī)爭(zhēng)論占汽車總質(zhì)量的30%-40%，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輕量化是整車輕量化的重點(diǎn)之一。汽車驅(qū)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(wèn)題。電機(jī)功率密度的提高一般承受兩用途徑：1〕提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度；2〕電機(jī)高機(jī)功率密度和體積密度，進(jìn)展分析。電機(jī)構(gòu)造設(shè)計(jì)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)流程車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的爭(zhēng)論是電動(dòng)汽車爭(zhēng)論領(lǐng)域最重要的方向之一。運(yùn)行范圍內(nèi)效率最優(yōu)化，以節(jié)約能源。所帶來(lái)的影響進(jìn)展分析和優(yōu)化。1所示的設(shè)計(jì)流程進(jìn)展驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)。依據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)〔PMSM〕的性能要求，首先借助于設(shè)計(jì)證。1.永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)流程電機(jī)定子構(gòu)造設(shè)計(jì)長(zhǎng)徑比選擇理選擇電機(jī)長(zhǎng)徑比，提高電機(jī)功率密度。23所示；電機(jī)體積與45所示。2.電機(jī)外徑與電機(jī)鐵芯長(zhǎng)度關(guān)系曲線3.電機(jī)定子內(nèi)徑與電機(jī)鐵芯長(zhǎng)度關(guān)系曲線4.電機(jī)體積與電機(jī)鐵芯長(zhǎng)度關(guān)系曲線5.電機(jī)每槽有效體積與電機(jī)鐵芯長(zhǎng)度關(guān)系曲線在整車設(shè)計(jì)過(guò)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)，降低電機(jī)本錢，降低電機(jī)體積，同時(shí)考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果，電機(jī)定子外徑設(shè)計(jì)為：235mm，鐵芯長(zhǎng)度為160mm，定子內(nèi)徑為160mm。極對(duì)數(shù)選擇6所示。6.電機(jī)定子外徑與電機(jī)極對(duì)數(shù)關(guān)系曲線另外，隨著電機(jī)極對(duì)數(shù)的增加，電機(jī)輸入電流頻率增加，電機(jī)鐵耗增加，效試驗(yàn)的根底上，在掌握器輸出頻率、電機(jī)溫升限值、效率允許范圍內(nèi)，合理選擇電機(jī)極對(duì)數(shù)，能夠適當(dāng)提高電機(jī)功率密度。6554。槽極比選擇7機(jī)槽極比，調(diào)整電機(jī)效率和外特性。7.電機(jī)每極每相槽數(shù)與電機(jī)外徑關(guān)系曲線882。8.電機(jī)定子齒部寬度與電機(jī)每極每相槽數(shù)關(guān)系曲線電負(fù)荷選擇91011所示。9.繞組電密與電機(jī)定子外徑關(guān)系曲線10.繞組電密與電機(jī)定子內(nèi)徑關(guān)系曲線11.繞組電密與電機(jī)每槽有效面積關(guān)系曲線繞線纏繞方式選擇量，進(jìn)而較大幅度提高電機(jī)功率密度。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。11所示。11.集中繞組和分布式繞組定子截面圖減小定子諧波含量，降低電機(jī)紋波轉(zhuǎn)矩，同時(shí)能夠減小電機(jī)端部用銅，減小電機(jī)2，且正弦繞組在實(shí)際纏繞過(guò)程中每槽線圈元件數(shù)必需取整數(shù)，因此對(duì)本電機(jī)來(lái)說(shuō)在正弦繞組和傳統(tǒng)短距分布繞組相比對(duì)電機(jī)性能的影響效果很小，12所示。

12.繞組開放圖矩脈動(dòng)及噪音，影響了能源汽車的乘坐舒適性。夠在肯定程度上，減小電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩，降低電機(jī)震驚與噪聲。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時(shí)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2.5mm電機(jī)的定子槽口寬度選擇為2.4mm。13.定子槽口寬度與漏電感關(guān)系曲線14.槽口寬度與氣隙磁密及峰值額定功率之比關(guān)系曲線15.槽口寬度與交直軸電感值及其比值關(guān)系曲線定子槽型選擇定子槽型選擇，應(yīng)利于電機(jī)嵌線，便利電機(jī)批量化生產(chǎn)。16所17所示。16.定子槽型構(gòu)造圖17.電機(jī)磁密分布圖電機(jī)轉(zhuǎn)子構(gòu)造設(shè)計(jì)電機(jī)氣隙長(zhǎng)度選擇增加，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(chǎng)諧波重量增加，電動(dòng)、噪聲、氣隙磁密、雜散損耗以及裝配工業(yè)和生產(chǎn)本錢。18、1920所示。18.氣隙長(zhǎng)度與交直軸電感大小關(guān)系曲線19.氣隙長(zhǎng)度與凸極率大小關(guān)系曲線20.氣隙長(zhǎng)度與峰值額定功率之比關(guān)系曲線隨著氣隙長(zhǎng)度的增加電機(jī)直軸電感下降，但變化大大，交軸電感快速下降，電機(jī)凸極率下降。電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩與交直軸電感差值親熱相關(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(shí)在直軸電感足夠大的狀況下，電機(jī)弱磁0.7mm。永磁體布局方式選擇弱磁調(diào)速范圍以及電機(jī)生產(chǎn)本錢。轉(zhuǎn)矩---速度特性和弱磁運(yùn)行特性幾個(gè)方面選擇永21所示。表貼式 一字內(nèi)置式 V字內(nèi)置式圖21.永磁體布局方式構(gòu)造圖1V型內(nèi)置式構(gòu)造永磁體利用率最高，即同樣轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)要求的狀況下永磁體使用量最少。永磁體永磁體重量厚度〔mm〕 寬度〔永磁體永磁體重量厚度〔mm〕 寬度〔mm〕 長(zhǎng)度〔mm〕拓?fù)錁?gòu)造 〔g〕表貼式7.547.3160431.4一字內(nèi)置式7.545160410.4V字內(nèi)置式546160279.7注：永磁體材料:N38UH,剩磁密度Br:1.24T，矯頑力Hc:907kA/m，密度：7.6g/cm^3永磁體永磁體用量/每極單位轉(zhuǎn)矩永磁體用永磁體永磁體用量/每極單位轉(zhuǎn)矩永磁體用峰值轉(zhuǎn)矩〔N*m〕拓?fù)錁?gòu)造〔g〕量〔g/Nm〕表貼式431.43201.35一字內(nèi)置式410.43021.36V字內(nèi)置式279.73010.9322所示。22.不同永磁體拓?fù)錁?gòu)造空載反電勢(shì)波形拓?fù)錁?gòu)造表貼式一字內(nèi)置式V拓?fù)錁?gòu)造表貼式一字內(nèi)置式V字內(nèi)置式諧波總畸變率2.1%6.7%12.5%V字內(nèi)置式空載反電勢(shì)有用的就是不均勻氣隙方法。實(shí)踐說(shuō)明，V字內(nèi)置式永磁體布局方式，可使永磁體勵(lì)磁集中，漏磁削減，V字構(gòu)造大凸極率的表達(dá)。另外，和表貼式永磁體布局方式向比照，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(shí)，仍舊能夠輸出較大功率。綜上所述，在本電機(jī)設(shè)計(jì)中，永磁體拓?fù)錁?gòu)造選擇V字型布局方式，永磁體布局構(gòu)造參數(shù)如圖24所示。5〕轉(zhuǎn)子外表氣隙構(gòu)造設(shè)計(jì)波形。然而內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)自身的磁路特性,電機(jī)永磁體在氣隙中產(chǎn)生的隙磁密波形中諧波含量格外多。當(dāng)永磁同步電機(jī)承受傳統(tǒng)均勻氣隙時(shí)3次、5次和7次諧波含量格外多，23所示，高的諧波含量對(duì)永磁同步電機(jī)的影響是格外大的：導(dǎo)致永磁同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)加大；使得永磁同步電機(jī)附加的振動(dòng)噪聲加大；增加電機(jī)運(yùn)行時(shí)的鐵耗，影響電機(jī)效率23均勻氣隙時(shí)氣隙磁密FFT分析進(jìn)展優(yōu)化，提高氣隙磁密和反電勢(shì)正弦性?！睵MSM〕氣隙永磁磁密波形的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要有：〔1〕對(duì)永磁體的外形進(jìn)展優(yōu)化，缺點(diǎn)是此構(gòu)造永磁體加工難度加大，制造2〕磁工藝很難掌握，加工極為簡(jiǎn)單；〔3〕Halbach永磁體陣列構(gòu)造，裝配工藝格外簡(jiǎn)單，本錢也很高〔4〕簡(jiǎn)潔易行，本錢較低。所示。優(yōu)化后永磁體氣隙磁密諧波分布，如圖253次、5次、7次諧波均得到改善。24.轉(zhuǎn)子外表不均勻氣隙構(gòu)造圖

25.不均勻氣隙時(shí)氣隙磁密FFT分析選擇輕量高強(qiáng)度的其它合金材料，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電機(jī)輕量化。式對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)展減重，但減重孔的大小需要通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算的形式進(jìn)展確定。經(jīng)過(guò)ANSYS有限元軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)，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。電機(jī)軸構(gòu)造設(shè)計(jì)

26.轉(zhuǎn)子沖片構(gòu)造圖20CrMnTi20CrMnTi是滲碳鋼，0.17%-0.24%的低碳鋼。汽車上多用其制造傳動(dòng)齒輪，是的低溫沖擊韌性。20CrMnTi具有良好的加工性，加工變形微小，抗疲乏性能相27、28所示。27.電機(jī)主軸應(yīng)力云圖28.電機(jī)主軸總變形云圖80kw純電動(dòng)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯通過(guò)圓螺母及止動(dòng)墊圈并緊在軸上，減0.6-0.8，花鍵外表664HV58-62HRC,32-38HRC，保證了轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度及花鍵外表的接觸疲乏強(qiáng)度；承受非標(biāo)油封設(shè)計(jì)，使安裝便利。電機(jī)外殼構(gòu)造設(shè)計(jì)熱均勻，構(gòu)造強(qiáng)度高電機(jī)材料輕量化鐵芯材料選擇之一。厚度〔mm〕國(guó)標(biāo)GB厚度〔mm〕國(guó)標(biāo)GB2521-85磁性能牌號(hào)0.350.50P15/50(W/kg)B50(T)DW550-355.501.66DW360-353.601.61DW310-353.101.60DW270-352.701.58DW800-508.001.69DW620-506.201.66DW540-505.401.65DW465-504.651.65DW400-504.001.61DW360-503.601.60DW315-503.151.69注：B5050A/cm下的磁感應(yīng)強(qiáng)度，P15/5050Hz1.5T下的損耗值W/kg。從表中可以看到0.35mm厚度硅鋼片和0.5mm硅鋼片相比P15/50DW310_35DW310_35硅鋼片B-H曲線，29所示。29.DW310_35硅鋼片B-H曲線永磁體材料選擇要評(píng)價(jià)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。1983年問(wèn)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^3,5～123～10倍，理論值最高可達(dá)30所示。30.不同永磁材料參數(shù)表進(jìn)展仿真，綜合電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、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(jì)中，永磁體材料選擇為ZHN38UH，1801.24T907kA/m。具體參數(shù)31所示。

31.N38UH永磁體參數(shù)80kw20CrMnTi材料，毛坯鍛造。20CrMnTi是滲0.17%-0.24%的低碳鋼。汽車上多用其制造傳動(dòng)齒輪，是中淬透性滲碳鋼CrMnTi鋼，其淬透性較高，在保證淬透狀況下，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，抗疲乏性能相當(dāng)好。機(jī)殼、端蓋材料選擇A356.2性能與特點(diǎn)：具有流淌性好，無(wú)熱裂傾向，線收縮小，氣密性好等度小，鑄態(tài)下使用，變質(zhì)后機(jī)械性能提高。鑄錠斷口致密，無(wú)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(shí)工藝性好。電機(jī)溫升與振動(dòng)及振動(dòng)和噪聲問(wèn)題進(jìn)展分析。電機(jī)溫升的重要問(wèn)題。電機(jī)損耗323334所示。空載電流波形 b)空載電流諧波分析32.電機(jī)空載電流波形及其諧波分析負(fù)載電流波形 b)負(fù)載電流諧波分析33.電機(jī)空載電流波形及其諧波分析a)空載損耗諧波分析 b)負(fù)載損耗諧波分析34.電機(jī)損耗諧波分析渦流損耗常常予以無(wú)視。但在PWM供電下的定子諧波電流等因素使得轉(zhuǎn)子損35所示。35.永磁體渦流分布57、1113次諧波是轉(zhuǎn)子外表和永磁體渦流損耗的主要局部，因此應(yīng)當(dāng)從定子角度電機(jī)設(shè)計(jì)上減小了電機(jī)空載損耗。電機(jī)冷卻方式取決于冷卻構(gòu)造的具體形式。水流速度等參數(shù)，計(jì)算出水口溫度，進(jìn)而校核冷卻系統(tǒng)的散熱狀況。這種方法，方案的散熱力量高于實(shí)際需要的散熱力量，則視為方案可行；反之，方案失敗。冷卻系統(tǒng)，同時(shí)承受螺旋型水道構(gòu)造，具有散熱均勻，構(gòu)造強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。電機(jī)溫升分析與仿真ANSYS是如今主流的有限元分析軟件，融合構(gòu)造、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲ANSYSWorkbench平臺(tái)，整合現(xiàn)有,實(shí)現(xiàn)多物理合理優(yōu)化的根底上，利用ANSYS軟件，對(duì)電機(jī)溫升進(jìn)展了仿真，其中電機(jī)額定36、37、38所示。36.額定轉(zhuǎn)速空載定子鐵芯溫度分布圖37.額定轉(zhuǎn)速空載定子繞組溫度分布圖38.額定轉(zhuǎn)速空載定子鐵芯溫度分布圖在本電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，承受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，車輛需要常常啟停，但車速要高于城市內(nèi)。后階段(600-1600s)車輛運(yùn)行于高速大路，車輛速度很高，而且很少減速。該循環(huán)義。39.CYC_ARB02循環(huán)工況40.CYC_ARB023次繞組溫度的變化40所的增多，電機(jī)溫度上升的速度放緩，這是由于CYC_ARB02工況循環(huán)大局部工優(yōu)化前面的設(shè)計(jì)，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(dòng)和噪聲方面考慮。電磁噪聲分析及改進(jìn)止振動(dòng)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)120%以上，30%以上。機(jī)械因素構(gòu)造改進(jìn)措施引起電動(dòng)機(jī)機(jī)械噪音的緣由主要有轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡、零部件的加工工藝和軸承設(shè)計(jì)中為減弱電機(jī)振動(dòng)，承受如下措施：沖壓時(shí)實(shí)行旋轉(zhuǎn)沖壓，降低沖片厚度不均帶來(lái)影響；設(shè)計(jì)合理的軸與鐵芯的公差協(xié)作；證前后端蓋剛度，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不產(chǎn)生變形；況要求。振動(dòng)和