不同層數(shù)扁線電機(jī)及其搭載整車性能分析

馬永志 楊良會

不同層數(shù)扁線電機(jī)及其搭載整車性能分析

馬永志 楊良會

（北京新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新中心有限公司，北京 100176）

扁線電機(jī)由于效率高、散熱能力強，且噪聲、振動與聲振粗糙度（NVH）好，逐漸成為新能源汽車驅(qū)動電機(jī)的發(fā)展趨勢。隨著驅(qū)動電機(jī)高速化的不斷推進(jìn)，扁線電機(jī)繞組渦流損耗表現(xiàn)尤為顯著，影響電機(jī)效率的提升，同時帶來電機(jī)散熱難的問題。本文首先介紹扁線電機(jī)繞組渦流損耗的基本原理，仿真分析4層繞組、8層繞組電機(jī)的繞組損耗，進(jìn)而計算兩繞組電機(jī)方案的效率等高線圖并比較分析；然后基于Cruise軟件搭建整車仿真模型，兩個電機(jī)方案得到兩個整車模型，分別計算兩整車模型的整車經(jīng)濟(jì)性，即基于標(biāo)準(zhǔn)工況的續(xù)航里程；最后通過分析比較得知，搭載8層繞組電機(jī)的整車?yán)m(xù)航里程略大。8層繞組工藝復(fù)雜度較大，但4層繞組高速繞組損耗過大，溫升超限值，所以只能選擇8層繞組電機(jī)方案。

扁線電機(jī)；繞組損耗；仿真分析；汽車工況；續(xù)駛里程

0 引言

驅(qū)動電機(jī)作為新能源汽車的動力來源，其性能優(yōu)劣直接決定了新能源汽車性能指標(biāo)的高低。隨著新能源汽車動力性、經(jīng)濟(jì)性的不斷提升，驅(qū)動電機(jī)呈現(xiàn)出高速化、高功率密度、高效率的發(fā)展趨勢。電機(jī)繞組由圓線逐漸向扁線發(fā)展。扁線電機(jī)有以下優(yōu)點：①槽滿率高、繞組端部短，所以電阻小、銅耗小，電機(jī)效率高；②體積小，所以功率密度高；③由于扁線繞組特殊的結(jié)構(gòu)特征具有更好的剛度，整機(jī)也具備更好的剛度，對噪聲具有抑制作用；④導(dǎo)體之間接觸面積大，有利于散熱，對控制溫升有利。

扁線電機(jī)在很多行業(yè)都有應(yīng)用，如大功率異步電動機(jī)、機(jī)車電機(jī)等，這些電機(jī)工作頻率較低，用經(jīng)驗算法或基于等效電路的場計算方法基本能滿足工程應(yīng)用。但隨著新能源汽車電機(jī)工作頻率的不斷提高，基于等效電路的場計算方法不能完全滿足其要求，而且扁線層數(shù)從2層逐漸增大到4層、6層、8層或更高，需要的仿真計算精度大大提高。只有精確仿真計算繞組損耗，得到電機(jī)效率MAP圖，才能精確仿真計算新能源汽車的性能。

文獻(xiàn)[1]分析了電流諧波、槽口高度、導(dǎo)體尺寸和位置、并繞根數(shù)對繞組交流銅耗的影響，通過優(yōu)化設(shè)計槽口高度、扁線尺寸等會顯著降低繞組交流銅耗。文獻(xiàn)[2]仿真分析考慮趨膚效應(yīng)影響的三種繞組設(shè)計方案的電機(jī)溫升值，其仿真結(jié)果表明，合理地選取繞組線徑和并繞根數(shù)可以有效抑制交流繞組的趨膚效應(yīng)，降低電機(jī)溫升。文獻(xiàn)[3]分析了鄰近效應(yīng)的磁場分析方法。文獻(xiàn)[4]提出了一種分離趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的方法。對新能源汽車來說，電機(jī)效率的高低直接影響整車?yán)m(xù)航里程的大小，所以研究不同層數(shù)扁線導(dǎo)體引起的電機(jī)效率高低變化及對整車?yán)m(xù)航的影響顯得尤為重要。

在分析上述文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)行新能源汽車驅(qū)動電機(jī)扁線方案設(shè)計，考慮到4層導(dǎo)體繞組工藝難度最小、8層導(dǎo)體繞組高速損耗最小的特點，選擇4層與8層導(dǎo)體兩種方案，進(jìn)行繞組設(shè)計與損耗仿真分析，進(jìn)而計算得到電機(jī)效率MAP圖并進(jìn)行比較；在Cruise中搭建整車模型，仿真兩種電機(jī)方案的整車?yán)m(xù)航，進(jìn)行續(xù)航里程對比分析，最后綜合考慮續(xù)航里程、繞組損耗、工藝成本選擇合適的電機(jī)繞組方案。

1 繞組交流損耗概述

永磁電機(jī)的主要功率損耗部件是鐵心、繞組和磁鋼。對圓線電機(jī)一般只考慮繞組的直流銅損，對于高速運行工況下的扁線電機(jī)，需要考慮高速時較大的繞組渦流損耗。繞組渦流損耗是由渦流效應(yīng)引起的，渦流效應(yīng)包括趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)[5]。

當(dāng)交變電流通過導(dǎo)體時，電流將集中在導(dǎo)體表面流過，這種現(xiàn)象叫趨膚效應(yīng)[6]。電流或電壓以頻率較高的電子在導(dǎo)體中傳導(dǎo)時，會聚集于導(dǎo)體表層，而非平均分布于整個導(dǎo)體的截面積中。頻率越高，趨膚效應(yīng)越顯著。因為當(dāng)導(dǎo)線中通過交變電流時，在導(dǎo)線內(nèi)部產(chǎn)生與電流方向相反的電動勢。由于導(dǎo)線中心較導(dǎo)線表面的磁鏈大，在導(dǎo)線中心處產(chǎn)生的電動勢就比在導(dǎo)線表面附近處產(chǎn)生的電動勢大。這樣使得電流在導(dǎo)線表面流動，中心則無電流通過[7]。

趨膚深度

式中：為趨膚深度；為導(dǎo)體電阻率；0為真空磁導(dǎo)率；c為導(dǎo)體相對磁導(dǎo)率；為頻率[8]。

趨膚效應(yīng)可以用圖1形象表示，為導(dǎo)體直徑。

圖1 趨膚效應(yīng)示意圖

鄰近效應(yīng)指相互靠近的兩個導(dǎo)體通入交流電流時，導(dǎo)致每個導(dǎo)體不僅處于自身電流產(chǎn)生的電磁場中，同時還處于其他導(dǎo)體中電流產(chǎn)生的電磁場中[8]。

交流電流在導(dǎo)體中產(chǎn)生交變的磁場，會在相鄰的導(dǎo)體中感應(yīng)出渦流電流。當(dāng)鄰近的導(dǎo)體通入相同方向交流電流時，電流會集中到導(dǎo)體的最遠(yuǎn)側(cè)（見圖2）；當(dāng)鄰近的導(dǎo)體通入相反方向交流電流時，電流會集中到兩導(dǎo)體的鄰近側(cè)（見圖3）。以上兩種情況都會導(dǎo)致導(dǎo)體的有效面積減小，電阻增加[9]。

鄰近效應(yīng)與趨膚效應(yīng)都有如下特性：①導(dǎo)體有效電阻增加；②隨著電頻率的增加而增大；③導(dǎo)體橫截面越大的導(dǎo)體，鄰近效應(yīng)與趨膚效應(yīng)越嚴(yán)重[10]。

圖2 導(dǎo)體中電流方向相同

電機(jī)繞組的渦流損耗不僅與導(dǎo)體的尺寸有關(guān)，還與槽型尺寸、導(dǎo)體所在的位置、電流諧波頻率等諸多因素有關(guān)[11]。目前，較準(zhǔn)確的計算方法是按照實物建立3D仿真模型，但3D仿真模型對計算機(jī)工作站配置性能要求高，計算時間長，對于一般工程應(yīng)用不太適用。本文采用2D有限元分析高速驅(qū)動扁線電機(jī)4層繞組和8層繞組的繞組損耗。

圖3 導(dǎo)體中電流方向相反

2 交流損耗仿真分析

本文建立永磁同步電機(jī)模型，定子48槽，轉(zhuǎn)子8極，V一磁鋼布置形式，最高轉(zhuǎn)速12 000r/min。扁線繞組有4層和8層兩種方案，即4層繞組方案為每個定子槽內(nèi)有4個導(dǎo)體，8層繞組方案為每個定子槽內(nèi)有8個導(dǎo)體。

為節(jié)省仿真計算資源采用1/8模型，4層和8層繞組電機(jī)模型分別如圖4和圖5所示。

圖4 4層繞組電機(jī)模型

圖5 8層繞組電機(jī)模型

圖4和圖5中陰影部分表示扁線導(dǎo)體，8層繞組導(dǎo)體與4層繞組導(dǎo)體寬度相同，8層繞組厚度較小，其他尺寸均相同。

仿真計算最高轉(zhuǎn)速12 000r/min時得到的4層繞組、8層繞組損耗云圖分別如圖6和圖7所示?？梢?，兩方案均是槽內(nèi)導(dǎo)體損耗分布不均，靠近槽口的損耗最大，隨著離槽口距離的增加，損耗逐漸降低。4層繞組損耗較大，因為4層繞組的扁線導(dǎo)體截面積較大，趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)大，交流損耗大。仿真繞組銅耗曲線分別如圖8和圖9所示。

圖6 4層繞組損耗云圖

圖7 8層繞組損耗云圖

圖8 4層繞組銅耗曲線

由于銅耗在第一個周期內(nèi)不穩(wěn)定，故計算兩個周期，取第二個周期的平均值作為銅耗值[12]。4層、8層繞組電機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的銅耗見表1。

圖9 8層繞組銅耗曲線

表1 4層、8層繞組電機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的銅耗

由表1可見，隨著轉(zhuǎn)速逐漸增大，兩繞組電機(jī)的銅耗均是逐漸增大；在轉(zhuǎn)速＜2 400r/min時，4層繞組銅耗較?。辉谵D(zhuǎn)速≥2 400r/min時，8層繞組銅耗較小，而且隨著轉(zhuǎn)速升高，銅耗差距越來越大；在最高轉(zhuǎn)速12 000r/min時，4層繞組的銅耗為8層繞組的2.36倍。

3 電機(jī)效率MAP圖

通過全轉(zhuǎn)速范圍的仿真計算，得到兩種繞組方案下的電機(jī)效率MAP圖，分別如圖10和圖11所示。

圖10 4層繞組電機(jī)效率MAP圖

圖11 8層繞組電機(jī)效率MAP圖

通過對比圖10和圖11可知，8層繞組最高效率94.5%，4層繞組最高效率93%，相比4層繞組，8層繞組的高效區(qū)偏高速，而且高效區(qū)占比較大。就平均效率而言，8層繞組為89.8%，4層繞組為87.9%，8層繞組較高，這是因為8層繞組在較高轉(zhuǎn)速下的銅耗小于4層繞組的銅耗。

4 整車仿真模型搭建

Cruise是一款整車和傳動系統(tǒng)性能分析軟件，在分析計算各種類型汽車的動力性和經(jīng)濟(jì)性等性能方面具有較大優(yōu)勢[13]。

仿真北汽新能源的某款乘用車，其整車主要參數(shù)見表2。

表2 整車主要參數(shù)

在Cruise軟件中搭建整車模型，如圖12所示，模型的完整性、參數(shù)的準(zhǔn)確性直接影響仿真結(jié)果的精度。在建模過程中重點關(guān)注以下模塊參數(shù)。

1）整車參數(shù)。包括整車尺寸、質(zhì)量（整備質(zhì)量，滿載質(zhì)量）、空氣動力學(xué)參數(shù)（迎風(fēng)面積、空氣阻力系數(shù)）、阻力模型等。

2）電機(jī)參數(shù)。包括電機(jī)在不同電壓下的外特性數(shù)據(jù)、效率MAP數(shù)據(jù)（見圖13）、轉(zhuǎn)動慣量、拖曳力矩。

3）電池組參數(shù)。單體電池或電池組的電壓、容量和內(nèi)阻等。

圖12 整車仿真模型

圖13 電機(jī)效率MAP數(shù)據(jù)

4）減速器參數(shù)。各檔位傳動比、轉(zhuǎn)動慣量、效率MAP數(shù)據(jù)。

5 經(jīng)濟(jì)性仿真（續(xù)駛里程）

中國對電動汽車?yán)m(xù)駛里程認(rèn)證依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 18386—2017《電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》，此前主要參考新歐洲行駛工況（new European drive cycle, NEDC）標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行車輛續(xù)駛里程的考核。但是NEDC與中國的實際運行工況相差很大，其續(xù)駛里程與實際偏差較大[14]。CLTC-P是中國工況項目組2015～2017年研究制定的中國汽車行駛工況（征求意見稿）中適用于中國道路的乘用車測試工況[15]。

NEDC與CLTC-P對比如圖14所示，可見CLTC-P工況更加嚴(yán)苛，加、減速的工況占比明顯比NEDC增多，其怠速工況占比減小。

圖14 NEDC與CLTC-P對比

通過Cruise仿真計算，整車在NEDC工況下的續(xù)駛里程曲線如圖15所示。

圖15 整車在NEDC工況下的續(xù)駛里程曲線

分別仿真計算在NEDC、CLTC-P工況下的續(xù)駛里程見表3。由表3可知，搭載8層繞組的電機(jī)在兩種工況下的續(xù)駛里程均比4層繞組電機(jī)略大，約4%。

表3 不同工況下續(xù)駛里程 單位: km

計算各工況下的電機(jī)平均效率，8層繞組電機(jī)在NEDC、CLTC-P兩種工況下分別為84%、83%；4層繞組電機(jī)在兩種工況下分別為83%、82%。可見，8層繞組電機(jī)在這兩種工況下的電機(jī)平均效率均比4層繞組電機(jī)的約大1%。

兩標(biāo)準(zhǔn)工況（NEDC、CLTC-P）點在8層繞組電機(jī)系統(tǒng)效率MAP下的分布分別如圖16和圖17所示。

圖16 NEDC工況點在8層繞組電機(jī)系統(tǒng)效率MAP下的分布

圖17 CLTC-P工況點在8層繞組電機(jī)系統(tǒng)效率MAP下的分布

由圖16和圖17可見，兩工況點的最高轉(zhuǎn)速均在8 000r/min左右；NEDC工況點較單一，力矩較小，而CLTC-P工況點多樣化，力矩偏大；CLTC-P有較多的工況點效率比NEDC的高。

6 結(jié)論

1）首先進(jìn)行了電機(jī)繞組交流損耗概述，包括趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的基本原理、分析計算方法等。在一款永磁同步電機(jī)模型上，對4層繞組、8層繞組兩種扁線方案進(jìn)行仿真分析，得出兩種電機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的繞組損耗，4層繞組的繞組損耗在2 400r/min以上超過8層繞組，且損耗差距隨著轉(zhuǎn)速升高逐漸增大。

2）仿真分析兩種電機(jī)效率MAP圖，8層繞組最高效率94.5%，4層繞組最高效率93%，8層繞組比4層繞組的高效區(qū)偏高速，而且高效區(qū)占比較大；就平均效率而言，8層繞組為89.8%，4層繞組為87.9%，8層繞組平均效率高了約2%。

3）應(yīng)用Cruise軟件搭建整車仿真模型，分析計算續(xù)駛里程和電機(jī)平均效率。兩標(biāo)準(zhǔn)工況（NEDC、CLTC-P）下，8層繞組電機(jī)續(xù)駛里程均比4層繞組電機(jī)略大；8層繞組的電機(jī)平均效率均比4層繞組大1%。8層繞組工藝復(fù)雜度較大，但由于4層繞組在高速時的繞組損耗過大，電機(jī)散熱困難溫升會超限值，所以綜合考慮，最終選擇8層繞組電機(jī)方案。

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Simulation analysis of rectangle-wire motor with different conductor layers and its vehicle performance

MA Yongzhi YANG Lianghui

(Beijing New Energy Automotive Technology Innovation Center Co., Ltd, Beijing 100176)

Because of its high efficiency, good heat dissipation and NVH(noise, vibration, harshness), rectangle-wire motor has become the development trend of new energy vehicle drive motor. With the development of high-speed drive motor, the eddy current loss of rectangle-wire motor windings is particularly remarkable, which affects the efficiency of the motor and brings the problem of heat dissipation. The winding loss of motor with 4-layer winding and 8-layer winding are analyzed by 2D simulation, and the motor efficiency contours of two winding schemes are simulated and compared. Then the two whole vehicle simulation models are built based on Cruise software according to two motor schemes. The economy of the whole vehicle is analyzed and calculated, which is the range of the vehicle based on the standard working condition. Finally, through analysis and comparison, it is found that the vehicle with 8-layer winding motor has a slightly greater driving range. The process of 8-layer winding motor is much more difficult, and the high-speed winding loss of the 4-layer winding is too large and the temperature rise exceeds the limit, so the 8-layer winding motor scheme is chosen.

rectangle-wire motor; winding loss; simulation analysis; vehicle working condition; driving range

2020-11-13

2021-01-04

馬永志（1983—），男，碩士，主要從事新能源汽車電機(jī)設(shè)計與仿真、整車性能仿真分析工作。