某微型電動(dòng)商用車動(dòng)力匹配及永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)

李 靜 劉 浩

（1.銀川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，銀川 750021）

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)政策的逐步深入推動(dòng)和永磁材料的制造技術(shù)不斷進(jìn)步，永磁同步電機(jī)在功率密度、效率、調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩特性方面表現(xiàn)出色，優(yōu)于其他同類電機(jī)[1]。因此，在當(dāng)前的汽車市場(chǎng)上，許多大型汽車制造商都選擇使用永磁同步電機(jī)作為小型車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。目前，車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)方法還不夠完善，而永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)存在成本高、可逆性差等問題[2-3]。文章擬針對(duì)一款微型商用車，根據(jù)其動(dòng)力需求，從結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式等方面著手進(jìn)行電動(dòng)化動(dòng)力匹配，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)其驅(qū)動(dòng)用永磁同步電機(jī)。該電機(jī)結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)潔，且能夠匹配車輛整車性能需求。

1 設(shè)計(jì)需求分析

以某款微型商用車作為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行電動(dòng)化動(dòng)力匹配。該微型商用車動(dòng)力需求參數(shù)如表1 所示。通過綜合計(jì)算，可以獲得永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)果如表2 所示。

表1 微型商用車設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 永磁同步電機(jī)主要功率匹配參數(shù)

2 電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電機(jī)的參數(shù)和尺寸會(huì)影響電機(jī)的功率密度、效率、響應(yīng)速度等性能指標(biāo)。根據(jù)電動(dòng)汽車的工況，采用Motor-CAD 對(duì)電機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的主要參數(shù)及尺寸如表3 和表4 所示。

表3 永磁同步電機(jī)定子的主要參數(shù)

表4 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的主要參數(shù)

將表3 和表4 的參數(shù)輸入軟件，可以模擬其基本徑向和軸向結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 永磁同步電機(jī)幾何模型

3 電機(jī)電磁耦合設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，需要建立電機(jī)幾何模型。為了得到更加精確和可靠的電機(jī)性能預(yù)測(cè)，需要進(jìn)一步設(shè)置電機(jī)的各種細(xì)節(jié)參數(shù)，包括繞組配置、驅(qū)動(dòng)設(shè)置和材料參數(shù)等。通過Motor-CAD 軟件設(shè)置參數(shù)，可以更好地模擬電機(jī)的實(shí)際工作，從而優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)并提高其性能。

材料參數(shù)設(shè)置也是非常重要的一部分[4]。通過設(shè)置導(dǎo)體材料、絕緣材料、鐵心材料等參數(shù)，可以更好地模擬電機(jī)在不同工況下的電磁特性、熱學(xué)特性和機(jī)械特性，從而為電機(jī)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供更加準(zhǔn)確和可靠的基礎(chǔ)。

Motor-CAD 軟件的Definition 欄可以用于設(shè)置電機(jī)繞組的信息，通過輸入?yún)?shù)可以自動(dòng)計(jì)算相關(guān)參數(shù)，如槽面積和槽內(nèi)繞組面積。此外，該軟件支持永磁同步繞組布局的定義，允許輸入所需的繞組匣數(shù)、層數(shù)和并聯(lián)支路數(shù)等參數(shù)，以準(zhǔn)確模擬電機(jī)性能。圖2 展示了繞組設(shè)置及輸入與輸出參數(shù)。

圖2 繞組設(shè)置及輸入與輸出參數(shù)

對(duì)于繞組配置，需要設(shè)置繞組的類型、繞組排布方式、導(dǎo)體材料、絕緣層厚度等參數(shù)。這些參數(shù)將直接影響電機(jī)的電磁特性和線圈散熱性能。

在Motor-CAD 中，可以使用Materials 欄設(shè)置電機(jī)的定子材料和轉(zhuǎn)子材料。通過選擇不同的材料，可以修改電機(jī)性能的各種因素，如磁導(dǎo)率、電阻率、屈服強(qiáng)度等。此外，可以添加自定義材料，并輸入相關(guān)參數(shù)，以滿足特定應(yīng)用的需要。通過Material Manager，可以管理和編輯所有可用的材料庫。另外，在Definition 欄中，可以為電機(jī)的線圈設(shè)置導(dǎo)體材料和絕緣材料。

完成設(shè)置后進(jìn)行電磁場(chǎng)數(shù)值求解。等待求解后查看結(jié)果，包括面域、磁密、矢量磁位、電流密度和渦流密度。電機(jī)的電磁計(jì)算結(jié)果表明，整個(gè)電機(jī)的磁密度分布和最大磁密度都位于可接受范圍內(nèi)，且這些峰值在轉(zhuǎn)子繞組和定子鐵芯直徑之外。此外，電流和渦流密度處于定子和轉(zhuǎn)子導(dǎo)桿的最大工作位置，與電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況相匹配。

4 電機(jī)性能輸出及分析

4.1 基本設(shè)計(jì)及輸出

通過軟件設(shè)置定義電機(jī)的運(yùn)行方式和性能，除文章設(shè)計(jì)之外，其余均選擇默認(rèn)值。

（1）選擇電動(dòng)機(jī)作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式；

（2）選擇slip/frequency 作為運(yùn)行工況設(shè)置，以定義轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)差率和運(yùn)行電頻率；

（3）將電源設(shè)置為正弦電源，選擇inverter fed；

（4）定義電壓源幅值為peak，星型接法，skew angle 設(shè)為0°；

（5）使用解析法飽和模型；

（6）選擇加速度作為性能測(cè)試指標(biāo)；

（7）點(diǎn)擊“solve e-magnetic model”進(jìn)行求解。

待設(shè)置完成后，對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行解析法求解。通過觀察定子電流、轉(zhuǎn)子電流以及勵(lì)磁電流的變化曲線發(fā)現(xiàn)，電機(jī)從啟動(dòng)到達(dá)額定轉(zhuǎn)速時(shí)定子電流和轉(zhuǎn)子電流逐漸下降，而勵(lì)磁電流逐漸增加。在30 A 處，定子電流和勵(lì)磁電流達(dá)到平衡狀態(tài)。此外，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速和效率功率變化曲線可知，電機(jī)在額定點(diǎn)的效率約為90%，符合設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。圖3 為設(shè)計(jì)電機(jī)的扭矩變化曲線，兩條曲線為重復(fù)進(jìn)行的兩次擬合的轉(zhuǎn)速-扭矩關(guān)系，可見其具備一定的可復(fù)現(xiàn)規(guī)律。此外，達(dá)到峰值轉(zhuǎn)速4 200 r·min-1時(shí)，輸出扭矩產(chǎn)生階躍。通過電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的變化曲線可以看出，電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生時(shí)刻、最大轉(zhuǎn)矩以及額定轉(zhuǎn)矩均在設(shè)定范圍內(nèi)，符合電機(jī)輸出的規(guī)律并滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖3 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩變化曲線

最終可以輸出設(shè)計(jì)電機(jī)的功率Map 圖，從而展示在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)載條件下電機(jī)運(yùn)行時(shí)的效率水平，即電機(jī)輸出功率與輸入功率之比。通過對(duì)效率Map 圖進(jìn)行分析可以確定，該電機(jī)在預(yù)期扭矩30 N·m 時(shí)最大轉(zhuǎn)速為4 700 r·min-1，而預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速為4 200 r·min-1，因此該電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩性能滿足性能符合設(shè)計(jì)預(yù)期要求。它的巡航、高速和高扭（高負(fù)荷）各類應(yīng)用場(chǎng)景均可以在圖4 中體現(xiàn)。

圖4 電機(jī)效率Map 圖

4.2 冷卻方式分析

當(dāng)永磁同步電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，它的效率會(huì)逐漸降低。在車輛達(dá)到最高車速時(shí)，電機(jī)僅有不到70%的輸出效率，而其余效率被轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。若散熱不及時(shí)，電機(jī)溫度會(huì)升高，可能導(dǎo)致電機(jī)損壞或縮短其壽命。此外，高溫會(huì)對(duì)電機(jī)周圍的其他元件造成影響[5]，如電容器和電線絕緣材料等，因此需保持良好的散熱及冷卻，以保證電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行并延長(zhǎng)其壽命。熱網(wǎng)絡(luò)圖是用于模擬和分析電機(jī)在運(yùn)行過程中熱特性的一種工具，可以顯示電機(jī)不同部件之間傳遞熱量的路徑和大小，幫助工程師優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)，提高電機(jī)的熱效率和可靠性，更好地理解電機(jī)內(nèi)部的熱流動(dòng)情況，進(jìn)而指導(dǎo)散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。設(shè)定當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為4 200 r·min-1的情況下水冷和風(fēng)冷兩種冷卻方式仿真效果比對(duì)匯總，如表5 所示。

表5 兩種冷卻方式仿真效果比對(duì)

根據(jù)溫度場(chǎng)和散熱效果兩方面比對(duì)可發(fā)現(xiàn)，兩種冷卻效果均未超過驅(qū)動(dòng)電機(jī)絕緣溫度上限（150 ℃），但綜合而言水冷方式的冷卻效果明顯優(yōu)于風(fēng)冷方式。若忽略冷卻系統(tǒng)的系統(tǒng)復(fù)雜度和成本因素，本設(shè)計(jì)優(yōu)先采取水冷方案。

5 結(jié)語

針對(duì)某款微型電動(dòng)商用車的設(shè)計(jì)需求，通過動(dòng)力匹配選定一臺(tái)12 kW 的永磁同步電機(jī)作為其動(dòng)力設(shè)備，并對(duì)其進(jìn)行幾何建模和電磁設(shè)計(jì)。最后，對(duì)于該電機(jī)在水冷和風(fēng)冷兩種不同冷卻方式下進(jìn)行溫度場(chǎng)建模，并進(jìn)行最高溫度和傳熱系數(shù)的有限元求解，初步確定該電機(jī)選擇采用水冷方案。