雷雄,于起濤,李承栩
特種車載500 kW永磁同步電機的優(yōu)化設(shè)計
雷雄1,于起濤2,李承栩2
(1. 湖南湘電動力有限公司湖南湘潭 411101,2. 湖南大學(xué),長沙 410082)
特種車載永磁同步電機溫升過高會導(dǎo)致其絕緣壽命和工作性能顯著下降。本文以特種車載500 kW永磁同步電機優(yōu)化過程為例,通過調(diào)整電機磁鋼參數(shù)來改善電機磁路分布,減低電流波形畸變率,從而有效降低電機溫升。本文應(yīng)用Maxwell 2D軟件計算電機電磁場,檢驗了電機空載工況的電磁性能。采用典型電機熱路模型法對電機建模,應(yīng)用Motor-CAD軟件對溫度場進行對比分析。計算結(jié)果和實驗結(jié)果表明優(yōu)化方案溫升降低約42.17%,驗證了該方法的有效性。
特種車輛永磁同步電機優(yōu)化設(shè)計溫度場
隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和工業(yè)水平的進步,許多行業(yè)對應(yīng)用于該行業(yè)特定用途的特種工作車輛需求量也在迅速擴大[1,2]。永磁同步電機(PMSM)憑借其高效率、調(diào)速性能好、控制精度高等優(yōu)勢在電動汽車領(lǐng)域發(fā)展十分迅速[3~5]。盡管永磁同步電機在民用領(lǐng)域的研究相對成熟,但是對于性能要求相當高的特種車輛電機來說,國內(nèi)特種車輛使用的大功率永磁同步電機的文獻和研究就顯得相當有限[6]。電機運行時發(fā)熱嚴重是特種車載永磁同步電機設(shè)計的技術(shù)難點之一,因此研究特種車載大功率永磁同步電機設(shè)計,以及通過優(yōu)化電機結(jié)構(gòu)來改善磁密分布和減少電機發(fā)熱,對特種車輛研究發(fā)展很有幫助,對國民經(jīng)濟發(fā)展和國防建設(shè)都具有十分重要的意義。
國內(nèi)學(xué)者對特種車輛永磁同步電機的設(shè)計有一定的研究,文獻[6]介紹了特種車輛永磁同步電機的基本設(shè)計流程,提出用電機電磁場有限元分析方法校驗電機的電磁設(shè)計方案,但是僅限于電機初步設(shè)計,并沒有對電機進行深入的優(yōu)化設(shè)計。文獻[7]在流體力學(xué)的基礎(chǔ)上研究了特種車輛大功率永磁同步電機溫度場熱分析方法,雖然求解損耗精度很高,但是求解過程繁瑣,計算速度慢、難度大。
為了改善電機磁密分布,降低電機穩(wěn)態(tài)運行溫升。本文以一款500 kW的特種車載永磁同步電機設(shè)計過程為例,首先介紹了基于大功率特種車載永磁同步電機設(shè)計的技術(shù)要求和基本原理。然后分析了優(yōu)化后電機部分電磁參數(shù)計算結(jié)果。最后對樣機和優(yōu)化電機進行溫度場仿真,制造了優(yōu)化電機,并搭建了實驗平臺并對其溫升指標進行了預(yù)測。
電機設(shè)計要依據(jù)給定的設(shè)計指標和設(shè)計要求。本文所研究的特種車載500 kW永磁同步電機是一種采用雙Y聯(lián)結(jié)方式的三相永磁同步發(fā)電機,要求電機冷卻水入口溫度80℃、環(huán)境溫度20℃、水流量60 L/min條件下,最大穩(wěn)態(tài)溫升不超過125 K,其技術(shù)指標如表1所示:
表1 技術(shù)指標參數(shù)
電機峰值轉(zhuǎn)矩與永磁同步電機的主要尺寸之間有如下關(guān)系:
通過計算并綜合考慮電機技術(shù)指標,初步確定定子內(nèi)徑為335 mm,定子外徑為450 mm,轉(zhuǎn)子外徑為330 mm,轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)選為內(nèi)置V式結(jié)構(gòu),槽極數(shù)為72槽12極,定子轉(zhuǎn)子材料選擇20SW1200,磁鋼材料選擇smco32,磁鋼厚度為14 mm。
相較于民用車輛,特種車輛運行環(huán)境要惡劣許多,因此所使用的電機性能要求更加苛刻。本節(jié)針對特種車載電機的應(yīng)用特點,基于ANSYS軟件對電機磁鋼參數(shù)進行了優(yōu)化調(diào)整,使電機:1)磁密分布更加合理;2)電動勢波形更加接近正弦波;3)在規(guī)定條件下,電機穩(wěn)態(tài)溫升下降。
電機材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠反映出電機性能的好壞,而磁鋼參數(shù)與電機各部分的磁密息息相關(guān),本文通過改變磁鋼材料和優(yōu)化磁鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)來達到降低電機諧波含量的效果。本文所優(yōu)化電機磁鋼結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。優(yōu)化前后電機參數(shù)變化由表2給出。
表2 優(yōu)化前后磁鋼參數(shù)對比
優(yōu)化方案是樣機經(jīng)過優(yōu)化后選出的最佳方案,優(yōu)化方案空載數(shù)據(jù)如表3所示。
圖1 磁鋼結(jié)構(gòu)示意圖
經(jīng)過Maxwell 2D仿真后,優(yōu)化方案空載磁密分布云圖如圖2所示??蛰d氣隙磁密波形如圖3所示。
表3 優(yōu)化前后電機空載仿真數(shù)據(jù)
圖2 優(yōu)化電機磁密分布云圖
圖3 優(yōu)化電機氣隙磁密
圖4 空載線電動勢波形
圖5 空載線電動勢傅里葉分解
空載線電動勢波形如圖4所示,空載線電動勢波形傅里葉分解如圖5所示。
本熱模型驗證采用典型電機熱路模型法。熱路分析假設(shè)所有熱源和熱阻采用集中熱源和等效熱阻代替,把溫度場簡化為帶有集中參數(shù)的等效熱路圖進行計算。等效熱路圖中的熱源為繞組的銅耗、鐵芯鐵耗等,損耗所產(chǎn)生的熱量通過各種相應(yīng)的熱阻,由熱源向冷卻介質(zhì)傳遞,形成一個如圖6所示的復(fù)雜的熱路。
圖6 樣機等效熱路圖
根據(jù)負載試驗電流計算得到銅耗為5 793 W,空載試驗鐵耗與機械耗為5 620 W,其中電機模型空載仿真鐵耗為2 357 W,剩余機械損耗按1:1:8分別施加給前/后軸承、風(fēng)磨耗。根據(jù)輸入功率的5‰,500000×0.005=2 500 W,按6:4分別附加給銅/鐵耗。電機熱路模型損耗設(shè)定如表4所示:
表4 電機熱路模型損耗設(shè)定
同時設(shè)定轉(zhuǎn)速:4 200 rpm、冷卻水入口溫度: 20℃、環(huán)境溫度20℃、水流量:60 L/min。最終計算結(jié)果如圖7所示。
圖7 冷卻水入口溫度20℃樣機溫度場計算
樣機方案溫度場仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)對比如表5所示。
表5 樣機溫度場仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)對比
由表5可知,仿真結(jié)果與試驗值吻合較好,仿真模型能有效反映實際電機。
修改冷卻水入口溫度:80℃、環(huán)境溫度20℃、水流量:60 L/min,計算結(jié)果如圖8所示。
由溫度場仿真結(jié)果可知,繞組溫度最大值為245.3℃,平均溫度為219.2℃,平均溫升為139.2 K。
根據(jù)實驗數(shù)據(jù)修正得到銅耗為3 564 W,空載試驗鐵耗與機械耗為6 300 W,其中電機模型負載仿真鐵耗為3 344 W,剩余機械耗按1:1:8分別施加給前/后軸承、風(fēng)磨耗。根據(jù)輸入功率的5‰,500000×0.005=2 500 W,按6:4分別附加給銅/鐵耗,優(yōu)化方案電機熱路模型損耗設(shè)定如表6所示。
同時設(shè)定轉(zhuǎn)速:3 800 rpm、冷卻水入口溫度:80℃、環(huán)境溫度20℃、水流量:60 L/min。最終計算結(jié)果如圖9所示。
圖8 冷卻水入口溫度80℃樣機溫度場計算
表6 優(yōu)化方案電機熱路模型損耗設(shè)定
圖9 冷卻水入口溫度80℃優(yōu)化電機溫度場計算
冷卻水入口溫度:80℃,環(huán)境溫度20℃,水流量:60 L/min時優(yōu)化方案與樣機方案的溫度場仿真數(shù)據(jù)對比如表7所示:
表7 優(yōu)化前后溫度場仿真數(shù)據(jù)對比
因此,與樣機方案相比,優(yōu)化方案平均溫升降低了58.7 K,約42.17%,有效降低了繞組溫度。借助樣機溫度場仿真結(jié)果(冷卻水入口溫度:20℃,環(huán)境溫度20℃,水流量:60 L/min)對優(yōu)化方案溫度場仿真計算結(jié)果進行修正,可得樣機方案與優(yōu)化方案繞組最大溫度和繞組平均溫度對比數(shù)據(jù),對比結(jié)果見表8。
表8 優(yōu)化前后繞組溫度對比
注:1. 誤差 =(計算值 /試驗值)- 100%
2. 修正值 = 計算值/(誤差+ 100%)
優(yōu)化方案平均溫升為62.7 K(142.7℃ - 80℃),最大溫升100.2 K(180.2℃ - 80℃),滿足電機在冷卻水入口溫度:80℃、環(huán)境溫度20℃、水流量:60 L/min條件下,最大穩(wěn)態(tài)溫升不超過125 K的要求。
按照優(yōu)化方案的尺寸數(shù)據(jù)制造實體電機,實體電機如圖10所示。
圖10 優(yōu)化電機實拍圖
對電機相關(guān)性能進行測試,測試結(jié)果如下:
1)技術(shù)要求空載額定線電壓波形畸變率不大于5%,實測為1.07 %,滿足技術(shù)要求。
2)技術(shù)要求電機在冷卻水入口溫度:80℃、環(huán)境溫度20℃、水流量:60 L/min條件下,最大穩(wěn)態(tài)溫升不超過125 K,實測為100.2 K,滿足技術(shù)要求。
本文設(shè)計了一款特種車載500 kW永磁同步電機,以滿足設(shè)計指標為目的,通過改變磁鋼材料和優(yōu)化磁鋼結(jié)構(gòu)參數(shù),最終使電機獲得了理想的磁路分布,減少了電流諧波含量,降低了電機穩(wěn)態(tài)運行溫升。
磁鋼材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)會對電機性能產(chǎn)生重要影響,通過磁鋼設(shè)計可以有效改善電機磁密分布和溫升情況,為電機工程設(shè)計提供了參考。
[1] 劉飛. 混合動力特種車輛電機驅(qū)動系統(tǒng)的研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2007.
[2] 安躍軍, 張振厚, 張強, 王光玉, 劉在行. 干式渦旋真空泵用特種電機溫度場仿真與實驗[J]. 電機與控制學(xué)報, 2017, 21(08): 48-52.
[3] 付興賀, 江政龍, 呂鴻飛, 顧勝東, 崔維龍. 電勵磁同步電機無刷勵磁與轉(zhuǎn)矩密度提升技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2022, 37(07): 1689-1702.
[4] 趙南南, 宋梓豪, 許檬, 陳閣. 基于Halbach陣列的永磁風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計與優(yōu)化[J]. 微電機, 2022, 55(01): 6-11.
[5] 張岳, 曹文平, John Morrow. 電動車用內(nèi)置式永磁電機(PMSM)設(shè)計(英文)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30(14): 108-115.
[6] 郭仁. 特種車輛永磁同步電動機的工程設(shè)計[D]. 湖南大學(xué), 2011.
[7] 李承栩. 特種車輛大功率永磁同步電機的溫度場熱分析[D]. 長沙: 湖南大學(xué), 2020.
[8] 劉國海, 王艷陽, 陳前. 非對稱V型內(nèi)置式永磁同步電機的多目標優(yōu)化設(shè)計[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2018, 33(S2): 385-393.
[9] 王曉遠, 周晨. 基于PCB繞組的盤式永磁同步電機溫度場分析與冷卻方式研究[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2016, 36(11): 3062-3069.
Optimization design of special automotive 500 kW permanent magnet synchronous motors
Lei Xiong1; Yu Qitao2; Li Chengxu2
(1.Hunan Xiangdian Power Co., Ltd., Xiangtan 411101, Hunan, China; 2.Hunan University., Changsha 410082, China)
TM343
A
1003-4862(2022)09-0061-05
2022-05-26
雷雄(1968-),男,總經(jīng)理。研究方向:電機設(shè)計與制造。E-mail: 2864473250@qq.com