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电动汽车水冷式永磁同步电机设计与分析
2019-08-02 21:05:13· 来源：EDC电驱未来 作者：孙海燕
永磁同步电机具有较高功率密度和转矩密度，与异步电机相比，既有结构和成本上的优势，同时又弥补了效率低这一缺点。针对开关磁阻电机噪声大的问题，永磁同步电机
永磁同步电机具有较高功率密度和转矩密度，与异步电机相比，既有结构和成本上的优势，同时又弥补了效率低这一缺点。针对开关磁阻电机噪声大的问题，永磁同步电机通过叠加磁阻转矩来克服上述不足，提高效率的同时，又降低了转矩脉动。由于永磁同步电机取消了电励磁系统，在结构上得到了优化，性能有所提升，运行可靠，效率相对较高。随着稀土材料的开发，越来越多的高性能永磁材料用在永磁同步电机上，其功率密度和运行效率也得到提高。
基于某型纯电动SUV对其永磁同步驱动电机进行了性能参数、结构参数的匹配计算及本体设计，设计出周向螺旋式水冷结构，分析了电机的主要热源，对冷却系统的热量进行了计算，利用Ansoft有限元软件对电机的电磁特性进行了仿真。试验表明设计的电机能较好地满足车辆驱动要求。
1 电机基本参数的确定
驱动电机的选择和匹配需要根据汽车动力性参数来确定，目前主要利用汽车最高车速、汽车最大爬坡度和加速性能这三方面的数据，选配与汽车相协调的驱动电机。
电动汽车以最高车速行驶消耗的功率pm1为
(1)
式(1)中：umax为最高车速；m为整车总质量；ηt为机械传动效率；f为滚动阻力系数；CD为风阻系数；A为迎风面积。
以某一车速爬上最大坡度消耗的功率Pm2为
(2)
式(2)中：up为汽车爬坡时的行驶速度；αmax为最大坡度角。
以汽车加速性能确定驱动电机功率Pm3为
(3)
式(3)中：uf为汽车加速后达到的速度；δ为旋转质量换算系数。
在电动汽车电机设计时，额定功率应满足电动汽车对最高车速的要求，驱动电机峰值功率应能同时满足电动汽车对最高车速、最大爬坡度和加速度的要求。所以电动汽车驱动电机的额定功率和峰值功率分别为
pe≥pm1
(4)
pemax≥max(pm1，pm2，pm3)
(5)
根据表1所示整车基本参数与性能参数，经计算初步设计驱动电机额定功率为30 kW，峰值功率为60 kW，符合GB/T 18488.1—2015电动汽车用驱动电机系统技术条件要求。
表1 整车基本参数与性能参数
Table 1 Basic parameters and performance parameters of the vehicle
电动汽车最高行驶速度与驱动电机最高转速之间的关系为
(6)
式(6)中:nmax为最高转速；∑i为传动系统传动比；r为车轮滚动半径。
驱动电机额定转速为
(7)
式(7)中：β为驱动电机扩大恒功率区系数，通常取值为2～4，这里取β=2.5。
电机最大转矩Tmax的选择既要满足启动转矩和最大爬坡度的要求，又要结合最大传动比，计算公式为
(8)
式(8)中：imax为传动系统最大传动比；
(9)
式(9)中：λ为电机的过载系数，取值一般为2～3.5，本设计取λ=2；TM为电机峰值转矩。
驱动电机的额定电压随额定功率增大而增大，同时驱动电机的额定电压与电池组电压密切相关。通过高压配电盒，将电池直流电转换为电机交流电。因此，选择合适的电池组电压和电流是满足整车驱动行驶的前提。根据实际工况与参数匹配要求，选择电机额定电压为220 V。
通过相关公式和给定参数，计算得出表2所示
表2 电机设计参数
Table 2 Motor design parameters
驱动电机最大功率、额定转矩、最高转速等参数。
2 水冷结构的设计与计算
2.1 电机的热源分析
电机运行过程中会产生损耗，不仅使电机的工作效率降低，也会使电机内部温度升高。当电机温度过高时，其内部材料会发生变化，进一步会影响电机正常工作。电机的冷却系统主要是利用冷却介质带走运行过程中所产生的热量，起到快速降温的作用，从而避免因温度过高而引起一系列问题。因此，对于电机温升的分析研究，除了要准确分析计算电机整体温度场分布情况外，还要提高电机自身的散热能力即改善电机的冷却系统。
电机运行过程中，会伴随着各种损耗，引起电机的温度增加。电机热的来源主要有铁损、铜损、永磁损耗和机械损耗，其中铁损和铜损占车辆电机损耗的很大比例。铁芯损耗由转子和定子铁芯损耗组成。机械损失包括轴承摩擦损失和空气磨损引起的空气和转子表面之间的摩擦。永磁同步电机的大部分损耗来源于定子铁芯及绕组。定子铁芯损耗所产生的热量与机壳发生热传递，因此可以通过在机壳中设计冷却水道来进行换热降低其温度。绕组损耗所产生的热量与包裹在其表面的绝缘体进行传热，之后传给定子铁芯，铁芯再与冷却水换热。此外，还有部分绕组损耗是由其端部产生，可以忽略不计。
绕组损耗为
(10)
式(10)中：PCu，i绕组i的铜损值；Ii为绕组i中电流；Ri为绕组i的电阻。电机为三相绕组，即
PCu，i=3I2R
(11)
R=R0[1+α(T-T0)]
(12)
式中：I为流过每相绕组的电流；R0为20 ℃即正常室温下的每相绕组电阻值；α为铜在20 ℃时的电阻温度系数，取α=0.003 9/℃；T为常温下的绕组温度，经验值取T=100 ℃。
电机存在两种热量的传递方式：一种是热传导，即热量从一种介质被传入另一种介质中去，主要是一个传递的过程；另一种是热对流，通过介质的流动实现。水冷式永磁同步电机主要通过冷却水对流来释放铁芯和绕组的热量，因为冷却水的对流换热效率比空气对流换热的效率要高得多。热量被传递到水道的冷却水之后，通过其流动将热量带走。永磁同步电机热传递示意如图1所示。
1为轴；2为转子铁芯；3为前端盖；4为主壳体；5为定子铁芯；6为冷却水；7为水道外壳；8为绕组；9为后端盖
图1 永磁同步电机热传递
Fig.1 Permanent magnet synchronous motor heat transfer
2.2 电机水冷结构的设计
影响电机温度场的主要因素包括：冷却水流速、水道的结构及电机壳体材料。不同的冷却水流速和水道的结构会对电机的对流换热系数，还会影响电机散热过程中传热系数、密度和化热容等相关参数。水道结构不仅对于电机的温度场有非常大的影响，而且还会直接影响到电机整体重量。
冷却水道的设计是电机冷却系统的关键。水道形式决定了冷却液的流动路径、流动速率、对流散热的面积，这些因素也直接影响电机冷却系统的效率。由于不同的电机自身的发热部位、发热强度、形状外观、功率大小都各有差异，设计时要针对电机的特点选择最恰当的水道形式。鉴于周向螺旋式水冷结构管壁表面光滑平整，具有流动阻力小，压力损失小，水速比较稳定，冷却效果易于掌控等优点，结合电机在整车上的使用环境、布置需求等因素，将该电机定子壳体内的冷却结构设计周向螺旋式结构(图2)。
图2 永磁同步电机周向螺旋水冷结构
Fig.2 Spiral water-cooled structure of permanent magnet synchronous motor
2.3 冷却系统热量的计算
假设冷却水箱中的冷却液全部流入电机的水道中，并且将电机产生的全部热量带走，通过假设温度差，可确定冷却水的总流量：
(13)
式(13)中：ρ为冷却水的密度；cm为比热容；Δt为冷却水流过电机后的进出水口的温度差。
冷却水流速为
(14)
式(14)中：V为冷却水的流速；n为水道的数量；Al为水道的截面面积。
冷却系统的热平衡方程式为
hmAΔtm=qmcm(t0-ti)
(15)
式(15)中：hm为传热系数平均值；Δtm为流体与壁面温度差值；qm为流体的质量流；t0为流体进入水道温度；ti为流体进流出水道温度。
3 机建模与仿真
3.1 电机建模
基于Ansoft RMxprt建立永磁同步电机仿真模型，导出Maxwell2D模型视图，进行电磁场仿真分析。Ansoft RMxprt中有专门的内置式(interior permanent magnet，IPM)永磁同步电机的分析模块，输入电机基本参数，具体包括定子/转子的结构形式及参数、绕组参数、磁钢参数等。永磁同步电机二维仿真模型如图3所示。
图3 永磁同步电机二维模型
Fig.3 Permanent magnet synchronous motor two-dimensional model
3.2 电机磁场仿真
对电机模型进行网格划分，计算空载、定子三相绕组任意两项通电流时的磁场分布，图4是永磁同步电机内部磁场强度H和磁感应强度B的分布情况。
图4 电机磁场与磁感应强度分布
Fig.4 Motor magnetic field and the magnetic induction intensity distribution
由图4可以直观看到电机空载运行时磁场强度和磁感应强度的分布以及各个部分磁场的饱和情况。从图4(b)可以看出硅钢片靠近永磁体部分磁感应强度高度饱和，整个电机磁感应强度分布均匀，减少了谐波干扰。
电机磁力线A分布如图5所示。由图5可知电机的磁通主要部分为定子绕组通有电流的激磁极经气隙达到转子极的主磁通，且在磁钢附近有少许的漏磁。
图5 电机磁力线分布
Fig.5 Motor magnetic field lines distribution
通过理论计算、数值仿真、样机试制等环节，设计的永磁同步电机试验样机如图6所示。台架试验表明，电机参数与设计指标基本符合，能较好地满足车辆驱动要求。
图6 永磁同步电机试验样机
Fig.6 Permanent magnet synchronous motor experimental prototype
4 结论
针对某型纯电动SUV的水冷式永磁同步驱动电机进行了设计与仿真分析，得到以下结论。
(1)分析了电机的热源与热量传递特性，对冷却系统进行了热量计算，设计了永磁同步电机的周向螺旋式水冷结构，能满足电机散热需求。
(2)建立永磁同步电机仿真模型，分析了电机磁场强度、磁感应强度及磁力线的分布特征，为电机结构及性能优化提供了参考。
(3)台架试验表明，设计的电机能较好地满足车辆驱动要求。
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