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        電動汽車永磁同步電機(jī)設(shè)計研究

        2022-08-31 00:30:02解宗梁許京娟
        機(jī)電元件 2022年4期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計

        解宗梁,許京娟

        (山東百特電機(jī)電器有限公司,山東煙臺,265718)

        1 引言

        對于電動汽車而言,永磁同步電機(jī)是驅(qū)動系統(tǒng)的主要選擇,憑借其轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、效率高、體積小、噪聲低等優(yōu)勢,在新能源汽車市場備受青睞,且市場占有率迅速提高[1]。電動汽車高速發(fā)展及較大的市場需求下,驅(qū)動電機(jī)漸漸朝著高速化、輕量化、高效化等方向發(fā)展。經(jīng)過對電動功率密度的優(yōu)化,不僅可積極迎合電動汽車對驅(qū)動系統(tǒng)高效率、輕量化等要求,而且還能夠提高產(chǎn)品市場競爭力,具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

        2 電動汽車對驅(qū)動電機(jī)的性能要求

        結(jié)合城市道路現(xiàn)狀分析得知,電動汽車運(yùn)行面臨著各種復(fù)雜的工況[2]。驅(qū)動電機(jī)各種性能應(yīng)積極滿足不同行駛工況要求,圖1則是電動汽車驅(qū)動電機(jī)典型特性圖。

        圖1 純電動汽車用驅(qū)動電機(jī)的典型特性圖

        (1)對于城市道路而言,十字路口紅路燈或交通擁擠的情況下,電動車需不停地啟動、停車與加減速。為了能夠保障汽車啟動特性,驅(qū)動電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩必須較大,且過載系數(shù)應(yīng)設(shè)定在2—3范圍間。

        (2)電動車行駛在高速路上,驅(qū)動電機(jī)的恒功率應(yīng)始終保持恒定狀態(tài)。對此,恒功率運(yùn)行區(qū)間應(yīng)要求較寬,要求輸出峰值功率能夠迅速抵達(dá)電動汽車最高車速。

        (3)由于整車質(zhì)量、空間布局等關(guān)鍵性因素的影響,驅(qū)動電機(jī)布置控制往往被限制,所以電機(jī)體積盡量設(shè)計小一點(diǎn),且要求轉(zhuǎn)矩密度與功率密度較高。

        (4)當(dāng)逆變器容量處于特定狀態(tài)下,弱磁調(diào)速能力相對較強(qiáng),且最高轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到基速的三四倍。

        (5)對于動力電池充電續(xù)駛這一關(guān)鍵性問題,驅(qū)動電機(jī)效率分布較高。

        (6)對于電動汽車而言,轉(zhuǎn)矩輸出為了保持穩(wěn)定狀態(tài),驅(qū)動電機(jī)及控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩應(yīng)迅速響應(yīng),要求驅(qū)動電機(jī)可靠性、魯棒性處于較高性能狀態(tài)[3]。

        3 電動汽車動力學(xué)性能PHa.m.

        對于電動汽車而言,要求具有較強(qiáng)的持續(xù)運(yùn)行能力及加速性能,尤其是在高速行駛時應(yīng)保障具有超車能力。本研究采用電動汽車模型及動力學(xué)性能要求列表1。

        表1 電動汽車參數(shù)和動力學(xué)性能指標(biāo)

        4 電動汽車永磁同步電機(jī)設(shè)計

        基于電動汽車相關(guān)性能要求,對電機(jī)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行明確,并制定出設(shè)計方案[4]。其中,設(shè)計的要點(diǎn)主要包括尺寸、槽極配合、氣隙長度、電磁負(fù)荷等。其中,驅(qū)動電機(jī)基于理論計算設(shè)計而來,也可以結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對一些數(shù)值進(jìn)行確定。因車輛空間的影響,本次所設(shè)計的驅(qū)動電機(jī)外徑<250mm,軸向有效長度<150mm,總質(zhì)量<40kg,直流母線電壓控制在400V。

        4.1 電機(jī)主要尺寸

        結(jié)合電機(jī)設(shè)計知識,其尺寸可根據(jù)以下計算式進(jìn)行計算。

        基于以上計算公式,若電機(jī)轉(zhuǎn)速及功率被確定,可設(shè)計出電負(fù)荷、磁負(fù)荷合理的電機(jī)設(shè)計方案,其中,定子內(nèi)徑平方與電機(jī)軸向有效長度的乘積比較接近定值。因安裝空間及大小的影響,若能夠明確以上數(shù)值,那么便可確定D與Ief的值。

        4.2 槽極配合、氣隙長度和電磁負(fù)荷

        對于電動汽車而言,其驅(qū)動電機(jī)主要分為內(nèi)轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子兩種常見結(jié)構(gòu)。其中,內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又分為表貼式、內(nèi)置式和爪極式三種結(jié)構(gòu)[5]。內(nèi)置式結(jié)構(gòu)中,永磁體分為“一”字型或“V”字型。本研究主要設(shè)計內(nèi)轉(zhuǎn)子、內(nèi)置式“V”字型永磁體。

        在槽極配合方面,驅(qū)動電機(jī)可分為有整數(shù)槽、分?jǐn)?shù)槽兩種。為了便捷,本研究選擇整數(shù)槽單層分布繞組及槽極配合-8極48槽進(jìn)行設(shè)計。對于電機(jī)而言,氣隙長度是關(guān)鍵,其過長會造成氣隙磁阻增加,嚴(yán)重限制了電機(jī)功率密度;氣隙長度較小,電機(jī)制造難度較大。對此,本研究將其確定為1mm。

        對于電流大小及密度而言,電負(fù)荷是關(guān)鍵性影響因素,在一定程度上也會影響電機(jī)散熱功能[6]。磁負(fù)荷對磁路的飽和程度的影響較大,也會對電機(jī)硅鋼片利用率和電機(jī)的功率密度進(jìn)行影響。一般情況下,電負(fù)荷較大會降低電機(jī)尺寸,降低鐵耗損。然而,會造成電機(jī)發(fā)熱更加嚴(yán)重,交流繞組電抗增加;磁負(fù)荷較大的情況下,電機(jī)尺寸縮小,但是鐵耗也會增加,不利于電機(jī)的起動與運(yùn)行特性。所以,針對電機(jī)而言,電負(fù)荷、磁負(fù)荷數(shù)值應(yīng)合理確定。一般情況下,電負(fù)荷設(shè)定在30A/mm,峰值點(diǎn)電負(fù)荷達(dá)到70A/mm;氣隙磁密設(shè)定在0.75T。

        4.3 電機(jī)定子結(jié)構(gòu)

        電機(jī)定子結(jié)構(gòu)設(shè)計,主要分為定子齒設(shè)計、定子軛設(shè)計和定子槽三方面。為了能夠確保氣隙磁密基波含量,且便于繞組嵌線,本研究選擇平行齒和半開口梨形槽方案?;诖怕酚嬎阋?guī)則,電機(jī)齒部磁密B1與氣隙磁密Bδ的關(guān)系如下:

        本研究中電機(jī)的軛部為齒聯(lián)軛,定子鐵心軛部磁密,應(yīng)符合以下關(guān)系:

        針對電動汽車驅(qū)動電機(jī)設(shè)計而言,電器定子外徑DSO是明確的。定子外徑DSO與定子內(nèi)徑Dsi之間的關(guān)系如下:

        通過以上計算式的分析得知,當(dāng)定子外徑和軛部高度確定后,定子內(nèi)徑同槽深之間的關(guān)系較為密切。槽深決定了槽面積及用銅量,也決定了電流大小及發(fā)熱情況。同時,定子內(nèi)徑同軸向長度之間的大小決定了機(jī)電負(fù)荷和磁負(fù)荷。

        槽滿率直接決定了電機(jī)槽的利用率,若過大則不利于安裝。因?qū)螂p邊絕緣層和導(dǎo)線間隙的存在,電機(jī)的槽滿率不得過大,最好確定在0.7。另外,為了簡化設(shè)計,本研究選擇單層鏈?zhǔn)嚼@組設(shè)計方式,導(dǎo)向跨距設(shè)定為S。

        4.4 電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

        由于永磁體與鐵心長度一致,所以在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)確定永磁體的厚度和寬度。一般情況下,永磁體厚度對電機(jī)直軸電樞反應(yīng)電抗的影響較大,也決定了永磁體的抗去磁能力。若厚度較小,那么永磁體磁密較低,抗去磁能力也較差,極易出現(xiàn)廢品;如果厚度過大,則不利于弱磁擴(kuò)速能力,且永磁體會漸漸偏離磁通量。在設(shè)計電機(jī)時,永磁體厚度與寬度可根據(jù)以下公式進(jìn)行預(yù)測:

        4.5 電機(jī)設(shè)計方案

        通過上述的分析,本研究設(shè)計的電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,主要參數(shù)如表2所示。

        圖2 電動汽車驅(qū)動電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖PH

        表2 電動汽車驅(qū)動電機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

        5 結(jié)語

        對于電動汽車行業(yè)而言,車用永磁同步電機(jī)的設(shè)計是重點(diǎn)研究方向,也是行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。通過本文的研究,能夠了解永磁電機(jī)設(shè)計方法及方案,可促進(jìn)永磁同步電機(jī)事業(yè)的發(fā)展,加快電動汽車替代燃油汽車的速度,實(shí)踐意義重大。

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