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

0 引言

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。

1 永磁同步電機的設(shè)計

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

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)

1.2 主要尺寸確定

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

1.3 仿真優(yōu)化設(shè)計

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。

2 溫度場分析

2.1 樣機方案熱模型驗證

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。

2.2 優(yōu)化方案溫度預(yù)測

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。

2.3 優(yōu)化電機制造與測試結(jié)果

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。

3 結(jié)語

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。

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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