基于多領(lǐng)域仿真的混合動(dòng)力汽車(chē)用啟動(dòng)發(fā)電一體化永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)

錢(qián)金鵬+周成才

摘 要：根據(jù)車(chē)用電機(jī)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念、步驟和具體原則，設(shè)計(jì)了混合動(dòng)力汽車(chē)用啟動(dòng)發(fā)電一體化永磁同步電機(jī)，在滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了電機(jī)結(jié)構(gòu)和多物理場(chǎng)，并利用仿真系統(tǒng)提高其精確性，從而為電機(jī)設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量提供了重要保障。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車(chē)；啟動(dòng)發(fā)電；永磁同步；多物理場(chǎng)

中圖分類號(hào)：U469.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.17.079

在電機(jī)工程中，多領(lǐng)域仿真的混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)呈緊湊的狀態(tài)，它為電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供的空間十分有限，所以，在提升發(fā)電一體化電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)高密度、輕量化和小型化的過(guò)程中，會(huì)使電機(jī)在電磁負(fù)荷和電負(fù)荷的選取過(guò)程中超過(guò)常規(guī)電機(jī)的“極限值”。針對(duì)這一情況，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，技術(shù)人員必須要綜合考慮高密度引發(fā)的電機(jī)磁飽和、發(fā)熱、形變、振動(dòng)和噪聲等問(wèn)題，從而提高設(shè)計(jì)水平，采用多目標(biāo)、多極限的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在確保設(shè)計(jì)系統(tǒng)安全、可靠的前提下降低生產(chǎn)成本，提高系統(tǒng)的使用性能，使混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力結(jié)構(gòu)更加合理化、標(biāo)準(zhǔn)化和科學(xué)化。

1 設(shè)計(jì)理念

基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，綜合考慮了電子方面的設(shè)計(jì)，具體分析了電、磁、力學(xué)、熱、結(jié)構(gòu)和電力等方面的內(nèi)容。結(jié)合車(chē)用高密度永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)原則，協(xié)同多個(gè)領(lǐng)域分析和多層面系統(tǒng)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，制定了科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)方案。依據(jù)高密度永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)原則，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)理念的優(yōu)化，保證電機(jī)能力與逆變器容量的協(xié)調(diào)運(yùn)行，從而為電機(jī)運(yùn)行提供了科學(xué)方案。同時(shí)，在此過(guò)程中，要盡可能地降低驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本。在車(chē)用電機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，它極力追求高密度、輕量化和小型化的結(jié)構(gòu)，這樣很容易出現(xiàn)畸形運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)發(fā)生不良狀況——磁路高度飽和、溫度升高、轉(zhuǎn)子形變和永磁磁鋼累積退磁效應(yīng)進(jìn)程不斷加快等，造成設(shè)計(jì)的不合理。因此，采用現(xiàn)代電機(jī)設(shè)計(jì)理念，在提高電機(jī)整體結(jié)構(gòu)剛度的同時(shí)，要求設(shè)計(jì)人員要改善輸出轉(zhuǎn)矩的質(zhì)量，并且要避開(kāi)共振點(diǎn)。針對(duì)永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)，要合理配置電機(jī)本體和驅(qū)動(dòng)裝置的能力，同時(shí)，還要加強(qiáng)對(duì)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中熱能管理的分析，避免發(fā)生變形或出現(xiàn)振動(dòng)、噪聲等影響電機(jī)的使用壽命，從而確保電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。

在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，要遵循以下原則：①追求高密度、輕量化和小型結(jié)構(gòu)。根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)冷卻和散熱結(jié)構(gòu)，確保電機(jī)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崃砍浞峙懦?。同時(shí)，要做好極限值的設(shè)置工作，要合理選擇定子槽數(shù)、電機(jī)極數(shù)和永磁電機(jī)繞組的型式，進(jìn)而保證電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。另外，要追求質(zhì)量功率密度和體積密度指標(biāo)。②電機(jī)要有足夠的空載永磁磁鏈，這樣才能提高永磁轉(zhuǎn)矩的密度。同時(shí)，要控制好驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電壓，確保該系統(tǒng)能夠安全、可靠地運(yùn)行。③保證電機(jī)能力與逆變器容量在整個(gè)運(yùn)行區(qū)域內(nèi)匹配合理。

2 啟動(dòng)發(fā)電一體化永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)

目前，在混合動(dòng)力汽車(chē)用啟動(dòng)發(fā)電一體化永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)中，采用車(chē)用高密度永磁電機(jī)多領(lǐng)域協(xié)同仿真與系統(tǒng)優(yōu)化進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。其主要步驟為以下3個(gè)。

2.1 電機(jī)概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)仿真分析

在混合動(dòng)力汽車(chē)用啟動(dòng)發(fā)電一體化永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)中，電機(jī)設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的重要基礎(chǔ)。根據(jù)電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的集中參數(shù)磁路系統(tǒng)模型、電磁熱路系統(tǒng)模型和電磁機(jī)械系統(tǒng)模型，快速評(píng)估了電機(jī)的電磁、熱學(xué)、力學(xué)性能，電機(jī)結(jié)構(gòu)的仿真，最終采用具體的方案加以驗(yàn)證。

2.2 分析電機(jī)多物理場(chǎng)

在永磁同步電機(jī)的多物理場(chǎng)中，基于電機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的精確性進(jìn)行相關(guān)分析和計(jì)算。采用電機(jī)本體與驅(qū)動(dòng)電路的耦合仿真，進(jìn)一步提高了計(jì)算電機(jī)系統(tǒng)電磁性能的準(zhǔn)確性。在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，綜合分析了永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的電磁應(yīng)力、離心應(yīng)力和熱應(yīng)力的性能，明確了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的可靠性，找出了相關(guān)薄弱環(huán)節(jié)。另外，根據(jù)熱網(wǎng)絡(luò)和溫度場(chǎng)混合模型，進(jìn)一步了解電機(jī)導(dǎo)熱和冷卻結(jié)構(gòu)的具體性能、指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的熱能管理仿真試驗(yàn)，有效提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精確性，為系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性提供了重要保障。

2.3 多領(lǐng)域仿真系統(tǒng)的計(jì)算

在永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)中，具體內(nèi)容是針對(duì)永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)的仿真設(shè)計(jì)，因此，必須要根據(jù)電機(jī)的主要尺寸，基于Proengineer軟件平臺(tái)進(jìn)行電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真模型分析，以確保電機(jī)結(jié)構(gòu)的合理性和可裝配性。電磁性能仿真是基于Maxwell2D軟件進(jìn)行電機(jī)本體與驅(qū)動(dòng)電路的耦合電磁性能仿真試驗(yàn)，以此計(jì)算出電感參數(shù)、磁密分布和磁力線分布，在優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中，不斷提高電機(jī)性能設(shè)計(jì)的精確性，并分析轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，計(jì)算形變。在分析轉(zhuǎn)子電磁應(yīng)力、離心應(yīng)力和熱應(yīng)力等引起電機(jī)轉(zhuǎn)子表面發(fā)生變形的過(guò)程中，要找出其中的最薄弱環(huán)節(jié)并完善，從而提高轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的精確性，有效改善電機(jī)振動(dòng)和噪聲方面的內(nèi)容。根據(jù)電機(jī)本體在運(yùn)行中的固有頻率，分析其振動(dòng)模態(tài)，從而降低噪聲。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，基于多領(lǐng)域仿真的混合動(dòng)力汽車(chē)用啟動(dòng)發(fā)電一體化永磁同步電機(jī)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念、步驟和原則，在設(shè)計(jì)中，不斷優(yōu)化驅(qū)動(dòng)控制裝置，完善電機(jī)本體各部分配置的設(shè)計(jì)，盡可能地提高電機(jī)整體的剛度，從而降低系統(tǒng)振動(dòng)和噪聲。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，追求輕量化、高密度和小型化的性能指標(biāo)，確保整個(gè)電機(jī)能夠安全、可靠地運(yùn)行，同時(shí)，要提高電機(jī)關(guān)鍵部位溫升和熱變形處理，最終通過(guò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了混合動(dòng)力汽車(chē)用啟動(dòng)發(fā)電一體化永磁同步電機(jī)的合理性和科學(xué)性。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：白潔〕