車用電渦輪復(fù)合系統(tǒng)超高速永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)

摘 要：超高速永磁同步電機(jī)由于其轉(zhuǎn)速高、體積小、功率密度大等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于透平機(jī)械中。本文以一臺(tái)5kW/150000rpm的車用電渦輪復(fù)合系統(tǒng)超高速永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，圍繞電機(jī)的轉(zhuǎn)子強(qiáng)度、損耗溫升等關(guān)鍵問題進(jìn)行研究分析。首先，基于經(jīng)典電機(jī)設(shè)計(jì)理論，明確了設(shè)計(jì)步驟，完成了電磁設(shè)計(jì)；其次，采用多物理場耦合分析方法，建立了電機(jī)轉(zhuǎn)子二維簡化等效模型，進(jìn)行轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析；最后，基于電機(jī)損耗理論，完成了電機(jī)的熱特性分析。仿真分析和計(jì)算結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的超高速永磁同步電機(jī)能夠滿足車用電渦輪復(fù)合系統(tǒng)的整機(jī)要求，為后續(xù)同類型電機(jī)開發(fā)與優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：電渦輪復(fù)合系統(tǒng)；超高速永磁電機(jī)；轉(zhuǎn)子強(qiáng)度；電機(jī)損耗

中圖分類號(hào)：TM34 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2024）04-0074-08

Design of Ultra-high-speed Permanent Magnet Synchronous Motor for Vehicle Electric Turbo Compound System

XU Yi-jun1， LIU Quan2， ZHAO Zhen-dong1， HUANG Jian-jun2， WU Zi-xuan1

（1.School of Automobile and Rial Transit，Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China；2.Easyland Automotive Company Limited， Wuxi 214172， China）

Abstract： Ultra-high-speed permanent magnet synchronous motors are widely used in turbine machinery due to their high speed， high power density and small size. A 5 kW/150000 rpm ultra-high-speed permanent magnet motor which is uc/BOupBvFlUNINJMa20RyQ==sed for vehicle electric turbo compound system was analyzed， mainly focused on rotor strength， motor loss and temperature rise. First， based on the classic motor design theory， the design steps are defined and the electromagnetic design is completed; then， a 2D simplified model of the motor rotor is establish and the rotor strength is analyzed through multi-physics coupling method; finally， based on the motor loss theory， the thermal characteristics of the motor are analyzed; the results show that the designed motor can meet the overall requirements of the electric turbo compound system， and provides information and references for motor development and optimization design.

Key Words： Electric Turbo Compound System; Ultra-high-speed Permanent Magnet Synchronous Motor; Rotor Strength; Motor Loss

超高速永磁同步電機(jī)由于其轉(zhuǎn)速高、體積小、功率密度大等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于真空泵、渦輪壓縮機(jī)等透平機(jī)械以及新能源汽車、航空航天驅(qū)動(dòng)及測試等領(lǐng)域[1]。其中，電渦輪復(fù)合系統(tǒng)（Electric Turbo Compound System，E-TCS）通過采用超高速永磁同步電機(jī)對(duì)現(xiàn)有渦輪增壓器進(jìn)行電氣化改進(jìn)，成為能有效提升車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)手段之一[2]。E-TCS系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，中央電機(jī)分別與兩端的壓縮機(jī)和渦輪相連，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)處于低速低負(fù)荷工況時(shí)，渦輪增壓器內(nèi)廢氣流量不足，此時(shí)電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，通過帶動(dòng)壓縮機(jī)葉輪加速，減少渦輪遲滯；另一方面，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)高速高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)切換為發(fā)電狀態(tài)，將廢氣多余的能量進(jìn)行回收并轉(zhuǎn)化為電能，從而改善內(nèi)燃機(jī)的輸出特性，提升燃油效率。

本文提出了一種車用E-TCS超高速永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)方法，圍繞電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以及電機(jī)熱管理等關(guān)鍵問題進(jìn)行理論研究與仿真分析，以滿足車用E-TCS超高速永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)需求，為同類型電機(jī)的開發(fā)與設(shè)計(jì)提供參考。

1 超高速永磁同步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)

1.1 電機(jī)設(shè)計(jì)步驟

基于永磁同步電機(jī)高轉(zhuǎn)速及高頻的工作特點(diǎn)，本文以一臺(tái)車用E-TCS系統(tǒng)超高速永磁同步電機(jī)（最大轉(zhuǎn)速150000r/min）設(shè)計(jì)為例，采用電磁與結(jié)構(gòu)分析相結(jié)合的方法，從電機(jī)磁路設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析、電機(jī)溫升與損耗等方面入手，具體設(shè)計(jì)流程如圖2所示：

（1）明確設(shè)計(jì)要求及約束條件

電機(jī)設(shè)計(jì)的初始值可根據(jù)電機(jī)特性（如電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線等）以及外部約束條件來設(shè)置，待設(shè)計(jì)的超高速永磁同步電機(jī)技術(shù)指標(biāo)和約束條件如表1所示：

（2）確定電機(jī)的槽極數(shù)組合

由于電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速高達(dá)150000r/min，在如此高轉(zhuǎn)速下，需考慮電機(jī)的控制頻率等硬件限制條件。因此，待設(shè)計(jì)電機(jī)的極數(shù)應(yīng)被設(shè)置得越小越好（極數(shù)最小為2）。再基于Hanselman的經(jīng)典電機(jī)設(shè)計(jì)理論[3]，根據(jù)待設(shè)計(jì)電機(jī)的輸出特性，對(duì)典型的電機(jī)槽極數(shù)組合進(jìn)行有限元仿真分析，最終確定電機(jī)的極數(shù)與槽數(shù)。

（3）確定電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及尺寸

電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用表貼式結(jié)構(gòu)，并在轉(zhuǎn)子永磁體外表面加裝非導(dǎo)磁材料的護(hù)套，以防永磁體在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)受離心力作用發(fā)生飛散。永磁體采用釹鐵硼（NdFeB）材料，該材料由于具有較高的矯頑力、飽和磁通密度和溫度系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電機(jī)行業(yè)[4]。再通過對(duì)永磁體和護(hù)套在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的周向應(yīng)力進(jìn)行分析，結(jié)合材料的力學(xué)性質(zhì)，確定轉(zhuǎn)子和護(hù)套的尺寸，并利用有限元仿真驗(yàn)證轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

（4）確定電機(jī)繞組布置及定子尺寸

定子繞組作為電機(jī)的關(guān)鍵組成部分，其設(shè)計(jì)和布置對(duì)電機(jī)的性能和運(yùn)行特性有著重要的影響[5]。結(jié)合電機(jī)尺寸及損耗等約束條件，電機(jī)將采用分?jǐn)?shù)槽集中式繞組，用于降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和損耗[6]。另一方面，由于電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與電機(jī)定子的軸向長度成正比，因此在確定電機(jī)的繞組形式、線圈匝數(shù)、槽內(nèi)導(dǎo)體數(shù)等參數(shù)后，可根據(jù)電機(jī)的輸出特性，求出適合的定子鐵心長度。

其中，Tmot表示電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，JWRMS表示電機(jī)輸入的電流密度均方根值。

上式中，Kcp為電機(jī)的槽滿率，AS表示電機(jī)的齒槽橫截面積，Nt為線圈匝數(shù)；電機(jī)的磁鏈λp可用磁鏈常數(shù)Kλ、線圈匝數(shù)Nt以及定子鐵心長度lm三者的乘積來表示：

因此，電機(jī)的反電動(dòng)勢常數(shù)、轉(zhuǎn)矩常數(shù)、電感、磁鏈等參數(shù)均可通過上述公式求出，以滿足所設(shè)計(jì)電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)要求。

1.2 電磁設(shè)計(jì)仿真結(jié)果

按照上述設(shè)計(jì)步驟，待設(shè)計(jì)電機(jī)將采用2極/3槽式布局，繞組采用分?jǐn)?shù)槽集中式布置（銅線線徑為0.5mm，并繞根數(shù)為16，線圈匝數(shù)為40），電機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。電機(jī)的繞組布置及磁通密度分布云圖分別如圖3和圖4所示。

2 超高速永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速高達(dá)150000r/min，在離心力的作用下，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子上的永磁體表面拉應(yīng)力急劇增大，當(dāng)應(yīng)力超過允許范圍時(shí)，容易造成永磁體失效。因此，如何確保轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性成為超高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。目前，行業(yè)內(nèi)的普遍做法是在轉(zhuǎn)子永磁體的外表面加裝護(hù)套用于緊固和保護(hù)，通過產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膲簯?yīng)力以補(bǔ)償永磁體表面的拉應(yīng)力[7-8]，從而保證電機(jī)在高轉(zhuǎn)速條件下安全運(yùn)行。

2.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及受力分析

電機(jī)轉(zhuǎn)子采用表貼式結(jié)構(gòu)，由4塊四分之一圓弧形永磁體依次拼接而成，以減少永磁體內(nèi)的周向應(yīng)力。永磁體選用N45SH耐高溫?zé)Y(jié)釹鐵硼材料制成，該材料具有較高的抗壓強(qiáng)度，然而其抗彎強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低[9]，因此，在高速電機(jī)設(shè)計(jì)中，通常需要在其外表面固定環(huán)形護(hù)套，起到緊固和保護(hù)作用，如圖5所示：

當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子永磁體由于離心力而受到的應(yīng)力可表示為：

其中，ρ為材料密度；?為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.2  轉(zhuǎn)子護(hù)套設(shè)計(jì)

對(duì)于表貼式高速永磁同步電機(jī)來說，其轉(zhuǎn)子護(hù)套通常有兩種形式：一種是采用高強(qiáng)度的復(fù)合材料，如高模量碳纖維或玻璃纖維進(jìn)行綁扎；另一種則是在轉(zhuǎn)子外圍設(shè)置高強(qiáng)度的非導(dǎo)磁金屬套，如非導(dǎo)磁不銹鋼或鈦合金等。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)護(hù)套的材料、厚度及過盈量等方面開展了廣泛且深入的研究[10-13]：與非導(dǎo)磁不銹鋼護(hù)套相比，采用高模量碳纖維綁扎帶可有效避免永磁體退磁的問題，理論上可以達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速且不產(chǎn)生高頻渦流損耗，然而，高模量碳纖維綁扎的不足之處在于其制造成本較高、固定安裝復(fù)雜且不利于永磁體轉(zhuǎn)子的散熱；采用非導(dǎo)磁不銹鋼護(hù)套時(shí)，優(yōu)點(diǎn)在于其安裝過程相對(duì)方便且過盈量可控，不足之處主要體現(xiàn)在其質(zhì)量較大，渦流損耗也相對(duì)較大。永磁體及護(hù)套材料特性如表3所示。

護(hù)套通過過盈配合安裝在永磁體外表面，當(dāng)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，護(hù)套與永磁體接觸表面上的徑向壓應(yīng)力p與永磁體所受離心應(yīng)力相互抵消。即：

在厚度方面，過厚的護(hù)套會(huì)影響電機(jī)的電磁特性；護(hù)套太薄又無法抵抗高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力，容易造成永磁體松脫等。因此，利用厚壁筒模型及拉梅方程對(duì)護(hù)套進(jìn)行力學(xué)分析，此時(shí)，護(hù)套所受徑向應(yīng)力可表示為：

其中，d為過盈配合的公稱直徑，ht為護(hù)套厚度。

再根據(jù)材料的屈服強(qiáng)度以及設(shè)計(jì)安全系數(shù)，可計(jì)算出上述護(hù)套內(nèi)表面所產(chǎn)生的徑向應(yīng)力，進(jìn)而求出護(hù)套厚度ht。

2.3 有限元仿真結(jié)果

電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)套的材料采用非導(dǎo)磁不銹鋼（06Cr25Ni20），由表3可知，該材料的屈服強(qiáng)度為600MPa，抗拉強(qiáng)度為900-1150Mpa。由上述公式計(jì)算出護(hù)套厚度為1.5mm，永磁體與護(hù)套之間的過盈量設(shè)置為20μm。根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，可將永磁體及護(hù)套簡化為四分之一圓弧，建立其二維簡化等效模型，并將永磁體的兩個(gè)邊緣被設(shè)置成自由邊界，運(yùn)用COMSOL Multiphysics有限元軟件分別模擬護(hù)套及永磁體在最高轉(zhuǎn)速和靜止時(shí)的應(yīng)力分布，仿真結(jié)果如圖6和圖7所示：

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)轉(zhuǎn)子護(hù)套厚度為1.5mm，過盈量設(shè)置為20μm時(shí)，最高轉(zhuǎn)速及靜止情況下護(hù)套所受最大應(yīng)力約為334MPa，小于其屈服強(qiáng)度（600 MPa）。同時(shí)，通過有限元仿真可知，電機(jī)在最高轉(zhuǎn)速下，護(hù)套與永磁體之間沿徑向未發(fā)生相對(duì)位移，如圖8所示。即在最高轉(zhuǎn)速下，護(hù)套能夠保證電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 超高速永磁同步電機(jī)熱管理分析

3.1 電機(jī)損耗分析

當(dāng)電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生損耗P，進(jìn)而使電機(jī)發(fā)熱，造成溫度上升，即

其中，PCopper表示電機(jī)繞組的銅損，是基于電流的熱效應(yīng)，當(dāng)電機(jī)三相繞組通入電流時(shí)，由于導(dǎo)線存在電阻，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的能量消耗，可進(jìn)一步表示為：

其中，Rph為繞組的相電阻，i0為三相輸入電流。

公式（5）中的PIron表示定子的鐵損，由渦流損耗Pe、磁滯損耗Ph及雜散損耗Pa組成[14]：

其中，渦流損耗Pe是基于法拉第電磁感應(yīng)定律，由感應(yīng)電流產(chǎn)生的能量損耗；磁滯損耗Ph是鐵磁材料內(nèi)部多個(gè)磁疇相互摩擦所產(chǎn)生的能量損耗；雜散損耗Pa則是在磁疇壁內(nèi)生成的微小渦流而造成能量消耗。根據(jù)材料屬性，當(dāng)確定材料的Ke、Kh、Ka等三個(gè)鐵損系數(shù)時(shí)，可分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)的損耗。

公式（5）中的PPM表示永磁體的渦流損耗，是由于電機(jī)輸入電流中存在大量的諧波，而在永磁體內(nèi)部產(chǎn)生的損耗，同樣會(huì)引起電機(jī)的溫升。永磁體的渦流損耗可在有限元仿真軟件中通過單匝線圈對(duì)其進(jìn)行模擬求解。

為了有效降低電機(jī)的渦流損耗，電機(jī)定子采用0.2mm厚度的無取向NO20硅鋼薄片沖壓而成，該材料的鐵損系數(shù)如表4所示。同時(shí)，為了能更準(zhǔn)確地描述電機(jī)的損耗數(shù)值，在設(shè)計(jì)過程中還考慮了溫度對(duì)損耗的影響，通過引入修正系數(shù)來縮小計(jì)算誤差[15]。

基于上述公式，可分別計(jì)算出電機(jī)在不同輸入電流和轉(zhuǎn)速的情況下對(duì)應(yīng)的銅損、鐵損及永磁體的渦流損耗。當(dāng)電機(jī)輸入電流為20A、轉(zhuǎn)速為150000r/min時(shí)，電機(jī)內(nèi)部的損耗計(jì)算結(jié)果如表5和圖9所示。其中，電機(jī)定子鐵心部分的質(zhì)量損耗密度分布云圖如圖10所示。

由計(jì)算及仿真結(jié)果可知，當(dāng)電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，其內(nèi)部損耗組成中，鐵損的占比最大，約占總損耗的62%左右，而在鐵損中，又以雜散損耗為主，約占鐵損的60%以上。由鐵損導(dǎo)致的定子鐵心的溫升主要集中在定子的齒端靠近氣隙一側(cè)。電機(jī)內(nèi)部各損耗隨轉(zhuǎn)速變化的情況如圖11所示，在低轉(zhuǎn)速區(qū)域，電機(jī)的損耗主要以銅損為主，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過60000r/min時(shí)，鐵損逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。此外，當(dāng)計(jì)算出電機(jī)的損耗分布后，還可以進(jìn)一步得出電機(jī)的效率MAP圖，如圖12所示。

3.2 電機(jī)熱分析

為了簡化模型，在進(jìn)行電機(jī)散熱仿真分析時(shí)，忽略了零部件之間的熱輻射影響，僅考慮電機(jī)在額定工況下的穩(wěn)態(tài)散熱情況。電機(jī)外部設(shè)計(jì)了冷卻水套裝置，而電機(jī)內(nèi)部則采用風(fēng)冷。電機(jī)的冷卻條件如表6所示：

將電機(jī)的損耗數(shù)據(jù)作為輸入量導(dǎo)入MotorCAD 軟件中，當(dāng)電機(jī)以不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，通過仿真得到電機(jī)各部分溫度。其中，電機(jī)繞組部分在不同工況下的最高溫度如表7所示。由結(jié)果可知，電機(jī)繞組部分的最高溫度約為155℃，熱量從繞組傳至定子鐵心，然后沿徑向傳導(dǎo)經(jīng)冷卻水帶走。電機(jī)內(nèi)部溫度場分布如圖13所示：

4 結(jié)論

本文針對(duì)車用電渦輪復(fù)合系統(tǒng)的工作要求，設(shè)計(jì)了一臺(tái)功率5kW、最大轉(zhuǎn)速150000r/min的超高速永磁同步電機(jī)。首先，基于經(jīng)典電機(jī)設(shè)計(jì)理論，提出電機(jī)的設(shè)計(jì)步驟，確定電機(jī)的槽極數(shù)、定子及轉(zhuǎn)子尺寸、氣隙大小等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)；其次利用有限元仿真軟件對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了多物理場耦合分析研究，建立轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)二維簡化等效模型進(jìn)行力學(xué)分析，綜合考慮轉(zhuǎn)子護(hù)套的材質(zhì)、厚度以及過盈量對(duì)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度和電機(jī)電磁特性的影響，基于厚壁筒模型確定護(hù)套厚度并進(jìn)行強(qiáng)度校核；最后，基于損耗理論和有限元仿真對(duì)電機(jī)各部分損耗進(jìn)行分析計(jì)算，進(jìn)一步得到電機(jī)效率MAP圖以及電機(jī)的溫度場分布。

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徐翊竣

畢業(yè)于意大利都靈理工大學(xué)，機(jī)械工程專業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)就職于南京工程學(xué)院汽車與軌道交通學(xué)院，任教師，主要科研方向?yàn)槠嚵悴考姎饣半姍C(jī)設(shè)計(jì)與控制等。曾主持省部級(jí)等各類科研課題5項(xiàng)，同時(shí)以第一作者發(fā)表SCI/EI收錄文章6篇。

專家推薦語

王云中

東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院 前瞻研究中心

研究員級(jí)高級(jí)工程師

該論文較為系統(tǒng)的分析了點(diǎn)渦輪復(fù)合系統(tǒng)超高速永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)子護(hù)套結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)例，給出了結(jié)構(gòu)簡化分析的初步模型，對(duì)于現(xiàn)行的高速電機(jī)護(hù)套設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)性。