新能源汽車電子水泵電機(jī)的設(shè)計(jì)研究

趙地　陳閣　李翔翼

摘 要：汽車電子泵是新能源汽車等新型水循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源，永磁無(wú)刷直流電機(jī)是汽車電子泵的主電機(jī)，這類電機(jī)以后也會(huì)逐漸成為汽車的主流配置。在發(fā)展過(guò)程中，因?yàn)楦鞣N各樣的局限性，再加上外部環(huán)境的影響，一般市面上的電子水泵電機(jī)效率并不好，僅僅只能達(dá)到34%左右。而且它的利用效率也不足70%。這些不理想的數(shù)據(jù)也制約著電機(jī)的發(fā)展。所以，進(jìn)一步研究提升電子水泵電機(jī)的設(shè)計(jì)方案，探究有效提高效率的方法就具有重要意義。對(duì)專用水泵電機(jī)的電磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析和多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出了電磁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：直流電機(jī) 電子水泵 電磁

1 引言

汽車電子泵是發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡系統(tǒng)的能量來(lái)源，其基本原理是循環(huán)泵提前充水，發(fā)動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。泵體中的水瞬間從排水口處排出，泵體內(nèi)部行程短暫的真空期。這時(shí)，產(chǎn)生的壓力差將出水口的水壓進(jìn)離心泵。這個(gè)過(guò)程循環(huán)進(jìn)行，水不斷的從出水口到離心泵，再?gòu)碾x心泵到出水口，就形成了相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡。市場(chǎng)上最常見的水泵專用電機(jī)是永磁無(wú)刷直流電機(jī)，目前還沒(méi)有專門的軟件和系統(tǒng)的方法來(lái)研究高效電子水泵發(fā)動(dòng)機(jī)。如圖1所示，一般的電子水泵由離心泵、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制電路組成。

2 永磁無(wú)刷直流電機(jī)的理論研究

我國(guó)汽車電子水泵專用電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)剛剛起步，大多數(shù)企業(yè)主要依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和分析。從理論層面推導(dǎo)影響電機(jī)狀態(tài)的因素更加符合科學(xué)，這是設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的科學(xué)有效前提。根據(jù)電氣工程中的粘性阻尼理論，在將電機(jī)多個(gè)參量經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算后，最終得出了電動(dòng)機(jī)電磁力矩和電磁效率的多元函數(shù)表達(dá)式。通過(guò)分析表達(dá)式的組成成分，找到其中影響電動(dòng)機(jī)性能的因子找。

2.1 建立電磁轉(zhuǎn)矩和電磁效率的函數(shù)模型

經(jīng)過(guò)分析，最終選擇Y連接的三相電機(jī)來(lái)構(gòu)造直流電機(jī)模型，將工程中默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)參量和已知的標(biāo)定量帶入原有公式中，使用符號(hào)來(lái)代表永磁體的厚度，使用來(lái)代表鐵芯的長(zhǎng)度，用表示級(jí)數(shù)，得出電磁力矩公式：

得到的電磁效率的公式

上式中，使用代表和電感有關(guān)的數(shù)、使用來(lái)表示平局半匝長(zhǎng)，表示氣隙從公式可以得到，對(duì)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的影響因子有上面六個(gè)未知參量。

2.2 電機(jī)性能影響因素的數(shù)學(xué)分析

上式太過(guò)于復(fù)雜，為了方便研究，將上式中的所有常數(shù)加以定義，，，，，則的表達(dá)式可以寫為：

同理，令，則的表達(dá)式可以寫為：

3 電磁結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)

3.1 永磁無(wú)刷直流電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)

首先，在粘性阻尼法的基礎(chǔ)上，通過(guò)MATLAB編程對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，緊接著就將MATLAB得到的結(jié)果應(yīng)用于rmxprt發(fā)動(dòng)機(jī)，在進(jìn)行參數(shù)的仿真模擬時(shí)，選擇更加合理的參數(shù)對(duì)電機(jī)的整體性能進(jìn)行分析，最終盡可能得到最優(yōu)的電機(jī)參數(shù)

4 電機(jī)轉(zhuǎn)子的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

在matlab仿真后，使用RMXPRT將得到的參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化處理，再處理完初始參數(shù)后，將電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速設(shè)定在2800轉(zhuǎn)。這個(gè)時(shí)候電機(jī)工作狀態(tài)下最高的效率可以達(dá)到73%，這已經(jīng)完全滿足轉(zhuǎn)矩的設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，轉(zhuǎn)子軛部的磁通密度是稍大于轉(zhuǎn)子齒輪的，并且個(gè)過(guò)渡點(diǎn)都存在極靴。在磁密過(guò)飽和現(xiàn)象中，電機(jī)的故障是在初始參數(shù)設(shè)置后表面安裝的轉(zhuǎn)子都是經(jīng)過(guò)單獨(dú)配置的。在對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的多目標(biāo)優(yōu)化時(shí)，這部分進(jìn)行了專門的設(shè)計(jì)，目的就是盡可能的提升電機(jī)的效率。同時(shí)，其他缺陷也得到了糾正。同時(shí)也對(duì)永磁直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行了rmxprt分析，都期望能過(guò)達(dá)到最理想的結(jié)果。

5 電子水泵試驗(yàn)

在前期虛擬仿真的基礎(chǔ)上，本實(shí)驗(yàn)以BMW n52發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻的原pirborg電子水泵為測(cè)試環(huán)境。水泵定子鐵芯與殼體內(nèi)壁緊密對(duì)齊，并配有專用密封膠，為保證其防塵性、水密度和散熱性，不適合拆卸。為了保證對(duì)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)和優(yōu)化更加全面，試驗(yàn)方案是更換轉(zhuǎn)子，試驗(yàn)是在皮爾博格電子水泵條件下進(jìn)行的。

5.1 轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子的組成部分不復(fù)雜，主要由轉(zhuǎn)子軸和永磁體兩部分組成。設(shè)置0.68的極弧系數(shù)是為了使試驗(yàn)條件盡可能接近模擬，因此應(yīng)使用73%的板狀永磁體的徑向弧角90度。永磁材料為n35h，這種材料的耐高溫效果好，最高可以耐受溫度能達(dá)到120度，所以完全可以承受熱平衡系統(tǒng)產(chǎn)生的高溫。轉(zhuǎn)子軸的三維效果圖如圖2所示。

5.2 實(shí)驗(yàn)條件和方法

專門用于進(jìn)行汽車?yán)鋮s實(shí)驗(yàn)的操作臺(tái)是冷卻水泵試驗(yàn)臺(tái)。這個(gè)專業(yè)的測(cè)試系統(tǒng)很適用于汽車?yán)鋮s水泵的性能測(cè)試和評(píng)價(jià)，為汽車?yán)鋮s水泵的測(cè)試結(jié)果提高了可靠的理論依據(jù)。

這個(gè)試驗(yàn)操作臺(tái)配有流量計(jì)、壓力的頭部測(cè)量系統(tǒng)、各種球閥、電磁閥、水復(fù)示器、SPS調(diào)節(jié)器以及直流參數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)等轉(zhuǎn)置。通過(guò)厚厚的絕緣層，可以盡最大可能的還原實(shí)際工作情況的溫度，并且可以實(shí)地觀測(cè)到運(yùn)行過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)。圖示3是操作實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先將球閥和電磁閥手動(dòng)打開，將出水端的球閥完全打開，再接通電源，將穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)在12V，配置限制電流為20安培。然后就可以進(jìn)行界面的配置。這個(gè)時(shí)候的運(yùn)行情況是正常的，電子泵的工作情況穩(wěn)定，電子泵的最大量測(cè)試結(jié)束。這之后將排氣管端的調(diào)節(jié)球閥慢慢關(guān)掉，這是通過(guò)的流量逐漸變小，入口和出口兩端的壓力差逐漸變大，揚(yáng)程也在變大，可以得到揚(yáng)程變化，流量也變化，當(dāng)完全關(guān)閉排氣管時(shí)，揚(yáng)程最大，并且流量最小。

5.3 結(jié)果分析

基于多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果對(duì)表面相關(guān)轉(zhuǎn)子零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，測(cè)試電子水泵的運(yùn)行狀態(tài)和對(duì)環(huán)境的耐久性。更換新轉(zhuǎn)子后，電動(dòng)水泵的性能得到改善，物理試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果接近。

6 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)泵機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了市場(chǎng)調(diào)研和分析，在對(duì)水泵發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)了水泵發(fā)動(dòng)機(jī)的總體優(yōu)點(diǎn)和不足，并提出了水泵發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩和功率的設(shè)計(jì)要求。

在原有阻尼理論的基礎(chǔ)上，直流無(wú)刷電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電磁效率的公式被推導(dǎo)出來(lái)，經(jīng)過(guò)對(duì)表達(dá)式的分析，確定影響電磁轉(zhuǎn)矩的干擾因素，尋求科學(xué)的解決方法，這給之后的進(jìn)一步優(yōu)化進(jìn)程奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

根據(jù)粘滯阻尼法，編制了發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算和性能評(píng)價(jià)程序，并在rmxprt中進(jìn)行了電磁結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)。觀察性能參數(shù)，并根據(jù)這些趨勢(shì)、發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整參數(shù)。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在汽車電子水泵的設(shè)計(jì)研究中，軟件仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)相差很小。這就成功證實(shí)了所設(shè)計(jì)的研究方法的科學(xué)性。為泵機(jī)工程的快速電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和其他永磁無(wú)刷直流電機(jī)的建設(shè)提供了可靠的參考。

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