新能源汽车用高功率密度驱动电机设计方法

能源汽车用高功率密度驱动电机争论占汽车总质量的30%-40%，驱动系统的轻量化是整车轻量化的重点之一。汽车驱电机，是实现电机轻量化，降低汽车能量损耗，需要解决的重点问题。电机功率密度的提高一般承受两用途径：1〕提高电机转矩密度；2〕电机高机功率密度和体积密度，进展分析。电机构造设计车用驱动电机设计流程车驱动电机的争论是电动汽车争论领域最重要的方向之一。运行范围内效率最优化，以节约能源。所带来的影响进展分析和优化。1所示的设计流程进展驱动电机设计。依据永磁同步电动机〔PMSM〕的性能要求，首先借助于设计证。1.永磁同步电机设计流程电机定子构造设计长径比选择理选择电机长径比，提高电机功率密度。23所示；电机体积与45所示。2.电机外径与电机铁芯长度关系曲线3.电机定子内径与电机铁芯长度关系曲线4.电机体积与电机铁芯长度关系曲线5.电机每槽有效体积与电机铁芯长度关系曲线在整车设计过程中，永磁同步电机预留布置空间尺寸为： ，为减小电机，降低电机本钱，降低电机体积，同时考虑电机转子动态响应效果，电机定子外径设计为：235mm，铁芯长度为160mm，定子内径为160mm。极对数选择6所示。6.电机定子外径与电机极对数关系曲线另外，随着电机极对数的增加，电机输入电流频率增加，电机铁耗增加，效试验的根底上，在掌握器输出频率、电机温升限值、效率允许范围内，合理选择电机极对数，能够适当提高电机功率密度。6554。槽极比选择7机槽极比，调整电机效率和外特性。7.电机每极每相槽数与电机外径关系曲线882。8.电机定子齿部宽度与电机每极每相槽数关系曲线电负荷选择91011所示。9.绕组电密与电机定子外径关系曲线10.绕组电密与电机定子内径关系曲线11.绕组电密与电机每槽有效面积关系曲线绕线缠绕方式选择量，进而较大幅度提高电机功率密度。高磁阻转矩，减小绕组电流，降低电机铜耗，提高电机效率。11所示。11.集中绕组和分布式绕组定子截面图减小定子谐波含量，降低电机纹波转矩，同时能够减小电机端部用铜，减小电机2，且正弦绕组在实际缠绕过程中每槽线圈元件数必需取整数，因此对本电机来说在正弦绕组和传统短距分布绕组相比对电机性能的影响效果很小，12所示。

12.绕组开放图矩脉动及噪音，影响了能源汽车的乘坐舒适性。够在肯定程度上，减小电机齿槽转矩，降低电机震惊与噪声。电机漏电感与定子槽口宽度关系曲线如图13所示，槽口宽度与气隙磁密及峰值额定功率之比关系曲线如图14所示，槽口宽度与交直轴电感值及其比值关系曲线如图15所示。电机的气隙磁密和峰值功率额定功率之比在槽口宽度大于时都比较大；漏电感随着槽口宽度的增加而降低，并且在槽口宽度为2.5mm电机的定子槽口宽度选择为2.4mm。13.定子槽口宽度与漏电感关系曲线14.槽口宽度与气隙磁密及峰值额定功率之比关系曲线15.槽口宽度与交直轴电感值及其比值关系曲线定子槽型选择定子槽型选择，应利于电机嵌线，便利电机批量化生产。16所17所示。16.定子槽型构造图17.电机磁密分布图电机转子构造设计电机气隙长度选择增加，转矩密度增加，电机弱磁调速范围变宽。但是气隙磁场谐波重量增加，电动、噪声、气隙磁密、杂散损耗以及装配工业和生产本钱。18、1920所示。18.气隙长度与交直轴电感大小关系曲线19.气隙长度与凸极率大小关系曲线20.气隙长度与峰值额定功率之比关系曲线随着气隙长度的增加电机直轴电感下降，但变化大大，交轴电感快速下降，电机凸极率下降。电机磁阻转矩与交直轴电感差值亲热相关，交直轴电感差值越大，电机磁阻转矩越大，电机效率越高；同时在直轴电感足够大的状况下，电机弱磁0.7mm。永磁体布局方式选择弱磁调速范围以及电机生产本钱。转矩---速度特性和弱磁运行特性几个方面选择永21所示。表贴式 一字内置式 V字内置式图21.永磁体布局方式构造图1V型内置式构造永磁体利用率最高，即同样转矩设计要求的状况下永磁体使用量最少。永磁体永磁体重量厚度〔mm〕 宽度〔永磁体永磁体重量厚度〔mm〕 宽度〔mm〕 长度〔mm〕拓扑构造 〔g〕表贴式7.547.3160431.4一字内置式7.545160410.4V字内置式546160279.7注：永磁体材料:N38UH,剩磁密度Br:1.24T，矫顽力Hc:907kA/m，密度：7.6g/cm^3永磁体永磁体用量/每极单位转矩永磁体用永磁体永磁体用量/每极单位转矩永磁体用峰值转矩〔N*m〕拓扑构造〔g〕量〔g/Nm〕表贴式431.43201.35一字内置式410.43021.36V字内置式279.73010.9322所示。22.不同永磁体拓扑构造空载反电势波形拓扑构造表贴式一字内置式V拓扑构造表贴式一字内置式V字内置式谐波总畸变率2.1%6.7%12.5%V字内置式空载反电势有用的就是不均匀气隙方法。实践说明，V字内置式永磁体布局方式，可使永磁体励磁集中，漏磁削减，V字构造大凸极率的表达。另外，和表贴式永磁体布局方式向比照，交直轴电感均大幅度提高，电机弱磁范围宽，并且在很高转速时，仍旧能够输出较大功率。综上所述，在本电机设计中，永磁体拓扑构造选择V字型布局方式，永磁体布局构造参数如图24所示。5〕转子外表气隙构造设计波形。然而内置式永磁同步电动机自身的磁路特性,电机永磁体在气隙中产生的隙磁密波形中谐波含量格外多。当永磁同步电机承受传统均匀气隙时3次、5次和7次谐波含量格外多，23所示，高的谐波含量对永磁同步电机的影响是格外大的：导致永磁同步电机运行时的转矩脉动加大；使得永磁同步电机附加的振动噪声加大；增加电机运行时的铁耗，影响电机效率23均匀气隙时气隙磁密FFT分析进展优化，提高气隙磁密和反电势正弦性。〔PMSM〕气隙永磁磁密波形的优化设计方法主要有：〔1〕对永磁体的外形进展优化，缺点是此构造永磁体加工难度加大，制造2〕磁工艺很难掌握，加工极为简单；〔3〕Halbach永磁体阵列构造，装配工艺格外简单，本钱也很高〔4〕简洁易行，本钱较低。所示。优化后永磁体气隙磁密谐波分布，如图253次、5次、7次谐波均得到改善。24.转子外表不均匀气隙构造图

25.不均匀气隙时气隙磁密FFT分析选择轻量高强度的其它合金材料，进一步实现电机轻量化。式对转子进展减重，但减重孔的大小需要通过强度计算的形式进展确定。经过ANSYS有限元软件优化设计，最终确定了目前的减重孔大小和尺寸，如图26转子冲片图所示。电机轴构造设计

26.转子冲片构造图20CrMnTi20CrMnTi是渗碳钢，0.17%-0.24%的低碳钢。汽车上多用其制造传动齿轮，是的低温冲击韧性。20CrMnTi具有良好的加工性，加工变形微小，抗疲乏性能相27、28所示。27.电机主轴应力云图28.电机主轴总变形云图80kw纯电动永磁同步电机转子铁芯通过圆螺母及止动垫圈并紧在轴上，减0.6-0.8，花键外表664HV58-62HRC,32-38HRC，保证了转轴的强度及花键外表的接触疲乏强度；承受非标油封设计，使安装便利。电机外壳构造设计热均匀，构造强度高电机材料轻量化铁芯材料选择之一。厚度〔mm〕国标GB厚度〔mm〕国标GB2521-85磁性能牌号0.350.50P15/50(W/kg)B50(T)DW550-355.501.66DW360-353.601.61DW310-353.101.60DW270-352.701.58DW800-508.001.69DW620-506.201.66DW540-505.401.65DW465-504.651.65DW400-504.001.61DW360-503.601.60DW315-503.151.69注：B5050A/cm下的磁感应强度，P15/5050Hz1.5T下的损耗值W/kg。从表中可以看到0.35mm厚度硅钢片和0.5mm硅钢片相比P15/50DW310_35DW310_35硅钢片B-H曲线，29所示。29.DW310_35硅钢片B-H曲线永磁体材料选择要评价标准，也是提高电机功率密度，减小电机体积的关键手段之一。1983年问世的高性能永磁材料，具有体积小、重量轻、高剩磁、高矫顽力及高磁能积等优点。该种永磁材料最大磁能积可达398kJ/m^3,5～123～10倍，理论值最高可达30所示。30.不同永磁材料参数表进展仿真，综合电机转矩密度、转矩脉动、电机损耗、电机效率以及电机运行温度稳定性，选择永磁体材料。在本电机设计中，永磁体材料选择为ZHN38UH，1801.24T907kA/m。具体参数31所示。

31.N38UH永磁体参数80kw20CrMnTi材料，毛坯锻造。20CrMnTi是渗0.17%-0.24%的低碳钢。汽车上多用其制造传动齿轮，是中淬透性渗碳钢CrMnTi钢，其淬透性较高，在保证淬透状况下，特别具有较高的低温冲击韧性。20CrMnTi具有良好的加工性，加工变形微小，抗疲乏性能相当好。机壳、端盖材料选择A356.2性能与特点：具有流淌性好，无热裂倾向，线收缩小，气密性好等度小，铸态下使用，变质后机械性能提高。铸锭断口致密，无熔渣和非金属夹杂物。A356.2材料具有良好散热性能及机械强度，同时工艺性好。电机温升与振动及振动和噪声问题进展分析。电机温升的重要问题。电机损耗323334所示。空载电流波形 b)空载电流谐波分析32.电机空载电流波形及其谐波分析负载电流波形 b)负载电流谐波分析33.电机空载电流波形及其谐波分析a)空载损耗谐波分析 b)负载损耗谐波分析34.电机损耗谐波分析涡流损耗常常予以无视。但在PWM供电下的定子谐波电流等因素使得转子损35所示。35.永磁体涡流分布57、1113次谐波是转子外表和永磁体涡流损耗的主要局部，因此应当从定子角度电机设计上减小了电机空载损耗。电机冷却方式取决于冷却构造的具体形式。水流速度等参数，计算出水口温度，进而校核冷却系统的散热状况。这种方法，方案的散热力量高于实际需要的散热力量，则视为方案可行；反之，方案失败。冷却系统，同时承受螺旋型水道构造，具有散热均匀，构造强度高等优点。电机温升分析与仿真ANSYS是如今主流的有限元分析软件，融合构造、流体、电场、磁场、声ANSYSWorkbench平台，整合现有,实现多物理合理优化的根底上，利用ANSYS软件，对电机温升进展了仿真，其中电机额定36、37、38所示。36.额定转速空载定子铁芯温度分布图37.额定转速空载定子绕组温度分布图38.额定转速空载定子铁芯温度分布图在本电机设计过程中，承受CYC_ARB02循环工况，如图39所示，该工况在前阶段(0-600s)车辆运行在市郊，车辆需要常常启停，但车速要高于城市内。后阶段(600-1600s)车辆运行于高速大路，车辆速度很高，而且很少减速。该循环义。39.CYC_ARB02循环工况40.CYC_ARB023次绕组温度的变化40所的增多，电机温度上升的速度放缓，这是由于CYC_ARB02工况循环大局部工优化前面的设计，从而使电机的其他性能参数如效率、功率密度等得到提升。3.3振动和噪声方面考虑。电磁噪声分析及改进止振动的必要措施。电机存在共振引起噪音。发生共振的可能是端盖、定子、转子，甚至是整机120%以上，30%以上。机械因素构造改进措施引起电动机机械噪音的缘由主要有转子动不平衡、零部件的加工工艺和轴承设计中为减弱电机振动，承受如下措施：冲压时实行旋转冲压，降低冲片厚度不均带来影响；设计合理的轴与铁芯的公差协作；证前后端盖刚度，运转时不产生变形；况要求。振动和