任慶，桂祈禎

(1. 安徽江淮汽車股份有限公司 技術(shù)中心，安徽 合肥 230601; 2. 合肥通用機(jī)械研究院，安徽 合肥 231508)

0 引言

新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)水平在不斷提高，與此同時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩精度及性能一致性要求也隨之提高。影響驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩精度及性能一致性的部件及因素較多影響部件有硅鋼片、繞組和永磁體。硅鋼片部件主要是影響其導(dǎo)磁能力的一些因素如電流、頻率、剪切應(yīng)力、擠壓應(yīng)力、溫度等；繞組部件主要是影響其電阻的一些因素，主要為溫度的影響；永磁體部件主要是影響其B-H曲線特性的因素，最主要為溫度；本文主要針對(duì)永磁體的溫度因素展開(kāi)對(duì)車用電機(jī)性能的影響分析。為了基于溫度對(duì)永磁體B-H曲線特性的影響分析對(duì)車用電機(jī)性能影響，就必須對(duì)車用電機(jī)磁路方案建立二維仿真模型，并對(duì)二維模型永磁體材料進(jìn)行不同溫度下屬性的添加，永磁體在不同溫度下，分析車用電機(jī)的反電勢(shì)大小及在相同輸入條件下的輸出轉(zhuǎn)矩大小。本文采用Ansys Maxwell軟件對(duì)永磁體不同溫度下電機(jī)輸出性能仿真分析，并與實(shí)際測(cè)試值進(jìn)行比較，為電機(jī)磁路仿真分析材料屬性添加提供了參考，為研究溫度對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩精度影響提供依據(jù)。

1 分析基礎(chǔ)

永磁體的B-H曲線(圖1)：在同一溫度下，當(dāng)磁感應(yīng)矯頑力H為0時(shí)，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度B達(dá)到最大為Br；隨著H的增加，磁鋼的B開(kāi)始有微小的降低，此段為電機(jī)永磁體的工作段，繼續(xù)增加H達(dá)到最大磁感應(yīng)矯頑力Hc，永磁體在此段剩磁B會(huì)急劇下降；當(dāng)去掉外加最大磁感應(yīng)矯頑力Hc時(shí)，永磁體的B會(huì)直線回復(fù)到原來(lái)的最大剩磁Br，此線為永磁體的回復(fù)曲線。在不同溫度下，永磁體B-H曲線的規(guī)律是一樣的，隨著溫度的增加，永磁體的Br和Hc均會(huì)降低，溫度較高時(shí)，永磁體的回復(fù)線會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)，電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)在最大電流時(shí)，電機(jī)永磁體的剩磁應(yīng)大于此拐點(diǎn)數(shù)值[1-2]。

在計(jì)算反電勢(shì)時(shí)，線圈有Nc匝，則線圈電動(dòng)勢(shì)為Ey1即：

Ey1=4.44fNcky1Φ1

(1)

電機(jī)由于每極(雙層)或每對(duì)極(單層)下有q個(gè)線圈串聯(lián)，組成線圈組，因此線圈組電動(dòng)勢(shì)等于q個(gè)串聯(lián)線圈電動(dòng)勢(shì)之和，如圖2所示。分析一個(gè)極相組內(nèi)q個(gè)線圈的合成電動(dòng)勢(shì)Eq1為：

(2)

圖2 極相組的合成電動(dòng)勢(shì)

結(jié)合式(1)與式(2)得相反電勢(shì)為：

Eq1=4.44qNcky1kq1fΦ1=4.44qNckN1fΦ1

(3)

若電機(jī)三相為Y接法，則其線反電勢(shì)為[3]：

(4)

在計(jì)算電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)，其數(shù)學(xué)模型磁鏈方程可表示如下：

其轉(zhuǎn)矩方程為：

Tem=3/2pn(ψfiq+(Ld-Lq)idiq)

(5)

電機(jī)性能分析是根據(jù)所建立電機(jī)磁路模型，再根據(jù)反電勢(shì)的產(chǎn)生及計(jì)算原理，轉(zhuǎn)矩方程，對(duì)電機(jī)空載反電勢(shì)、輸出轉(zhuǎn)矩分析計(jì)算，最終確定電機(jī)的輸出特性。本文根據(jù)此理論計(jì)算磁鋼在不同溫度下材料屬性的電機(jī)反電勢(shì)及輸出轉(zhuǎn)矩，總結(jié)隨磁鋼溫度的變化，電機(jī)空載反電勢(shì)及輸出轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律。

2 有限元模型

在Maxwell軟件中建立電機(jī)磁路仿真二維模型，模型參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電機(jī)基本參數(shù)

圖3所示為該電機(jī)在Maxwell軟件中建立的1/8二維仿真模型[4-5]。由于磁鋼在高溫下性能降低較多，因此本文重點(diǎn)關(guān)注100℃以上時(shí)對(duì)電機(jī)性能的影響，對(duì)該模型進(jìn)行20 ℃、100 ℃、120 ℃、140 ℃、150 ℃及160 ℃時(shí)磁鋼N35UH材料屬性Br及Hc數(shù)值的設(shè)置，具體設(shè)置參數(shù)見(jiàn)表2。

圖3 二維仿真模型

溫度/(℃)Br/(T)Hc/(kA/m)201．194-921．31001．118-850．51201．094-828．21401．068-802．11501．052-772．11601．035-695．5

3 磁路有限元分析

首先，在Maxwell中設(shè)置轉(zhuǎn)速為6 000r/min，電流激勵(lì)為0，計(jì)算2個(gè)周期下電機(jī)永磁體在20℃、100℃、120℃、140℃、150℃及160℃的空載反電勢(shì)[6]，計(jì)算結(jié)果分別如圖4所示。永磁體在不同溫度時(shí)空載反電勢(shì)波形是一致的，但是反電勢(shì)的數(shù)值差別較大，不同溫度下反電勢(shì)有效值如表3。隨著永磁體溫度的增加，電機(jī)空載反電勢(shì)也隨之減小。

圖4 不同溫度下的空載反電勢(shì)圖

溫度/(℃)20100120140150160空載反電勢(shì)/(Vrms)299276267261255247

其次，在maxwell中分別對(duì)額定工況和峰值工況進(jìn)行不同永磁體溫度時(shí)轉(zhuǎn)矩分析[7-8]。圖5為在3 000r/min下設(shè)置永磁體在不同溫度時(shí)的Br及Hc，輸入電流72Arms及電角48°，計(jì)算各溫度下電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)上述計(jì)算3 000r/min輸出額定轉(zhuǎn)矩的分析方法分析其他轉(zhuǎn)速下的輸出轉(zhuǎn)矩。表4給出了3 000r/min及其他轉(zhuǎn)速下峰值工況和額定工況的分析結(jié)果，結(jié)果表明從20℃到160℃，相同輸入條件下，永磁體在不同溫度下輸出轉(zhuǎn)矩相差平均值為7N·m，但電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子永磁體溫度變化不大，所以磁鋼溫度對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩影響較小。

表4 相同輸入條件不同溫度下輸出扭矩

圖5 3 000 r/min時(shí)不同溫度下的輸出轉(zhuǎn)矩圖

4 樣件測(cè)試

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性，對(duì)所分析電機(jī)進(jìn)行臺(tái)架搭建測(cè)試如圖6所示，由于本文只研究永磁體溫度對(duì)電機(jī)性能影響，為了排除其他部件因素干擾，因此只測(cè)試常溫20℃下的反電勢(shì)及不同轉(zhuǎn)速下的輸出轉(zhuǎn)矩，并與仿真20℃下數(shù)據(jù)進(jìn)行比較即可。6 500r/min下空載反電勢(shì)測(cè)試波形及大小如圖7，所以6 000r/min空載反電勢(shì)有效值為291Vrms，與仿真值299 Vrms接近；輸出轉(zhuǎn)矩對(duì)比數(shù)據(jù)如表5，轉(zhuǎn)矩與20℃仿真分析值接近。

圖6 電機(jī)測(cè)試臺(tái)架

圖7 6 500r/min時(shí)空載反電勢(shì)波形

電流/Arms電角/(°)轉(zhuǎn)速/(r/min)仿真值(-20℃)/(N·m)測(cè)試值/(N·m)8224250075717248300064619079600036301975425001791741696030001441411567760007370

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用Ansys/Maxwell軟件仿真了永磁體在不同溫度下對(duì)電機(jī)輸出性能的影響，搭建測(cè)試臺(tái)架測(cè)試了常溫下電機(jī)輸出性能，并與20 ℃仿真結(jié)果比較，結(jié)果表明，測(cè)試反電勢(shì)與輸出轉(zhuǎn)矩與常溫20 ℃下仿真結(jié)果接近；從仿真結(jié)果得出永磁體溫度對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩影響較小，并且隨著溫度升高空載反電勢(shì)降低，而在整車中反電勢(shì)降低有利于電機(jī)高速時(shí)弱磁。為仿真時(shí)永磁體添加常溫下的屬性提供了理論依據(jù)。

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