新能源汽車電驅(qū)后橋永磁同步電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

新能源汽車電驅(qū)后橋永磁同步電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)趙夕長(zhǎng)林東5結(jié)論驅(qū)動(dòng)視界為了緩解傳統(tǒng)燃油汽車對(duì)環(huán)境的污染，發(fā)展新能源汽車成為了最驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為新能源汽車重要部件，它直接影響新能源汽車的行而永磁同步電機(jī)相比于其他類型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)：功率效率高、轉(zhuǎn)速密度高和調(diào)速范圍較寬[2-3],因此，開發(fā)和推永磁同步電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)是新能源汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一，基于電機(jī)相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)已成為熱點(diǎn)問(wèn)題，溫嘉斌等[5]基于田口法，建立正交矩陣，優(yōu)化了齒槽轉(zhuǎn)矩。高鋒陽(yáng)等[6]通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子開輔助槽方法，降低了齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈司紀(jì)凱等7]利用田口法對(duì)電機(jī)多目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，齒槽轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)得到明顯降低。左曙光等[8]通過(guò)改變徑向變極弧系數(shù)，有效地降低了電機(jī)的電磁劉露等[9I提出了一種加裝凸形極靴的磁極新型結(jié)構(gòu)，使得齒槽轉(zhuǎn)矩和損耗得到大幅下降。李曉峰等[10]提出了一種利用參數(shù)分層與響應(yīng)法結(jié)合方法，降低了齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。精雕殼體、快速鑄造、透明/剖切展機(jī)找無(wú)錫勝手機(jī)微信號(hào))驅(qū)動(dòng)視界但上述方法不足之處在于沒有考慮將電機(jī)匹配在整車上展開進(jìn)一步的驗(yàn)證。參考某款新能源汽車整車參數(shù)，對(duì)永磁同步電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩等關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算匹配，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)選定，利用MotorCad有限元軟件對(duì)初步方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證，采用參數(shù)化方法以降低齒槽轉(zhuǎn)矩峰值作為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)電機(jī)永磁體厚度、寬度以及氣隙長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并選取中國(guó)乘用車行駛工況行仿真分析。驅(qū)動(dòng)電機(jī)是新能源汽車動(dòng)力總成關(guān)鍵部件之一，其性能指標(biāo)直接影響汽車動(dòng)力輸出品質(zhì)。參考某款新能源汽車整車性能指標(biāo)，選用永磁同步電機(jī)作為電動(dòng)后橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)計(jì)算獲得電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩等關(guān)鍵參數(shù)，基于電機(jī)的性能參數(shù)對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行選定，基于MotorCad軟件利用參數(shù)化方法以降低齒槽轉(zhuǎn)矩峰值作為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)電機(jī)永磁體厚度、寬度以及氣隙長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并得到電機(jī)的效率MAP圖和外特性圖，結(jié)果表明齒槽轉(zhuǎn)矩相比于優(yōu)化前有較為顯著的降低，選取中國(guó)乘用車行駛工況(CLTC-P)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了永磁同步電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性。精雕殼體、快速鑄造、透明/剖切展機(jī)找無(wú)錫勝手機(jī)微信號(hào))驅(qū)動(dòng)視界1.電機(jī)參數(shù)確定永磁同步電機(jī)性能參數(shù)主要包括額定功率、峰值功率、額定轉(zhuǎn)速其值一般是根據(jù)汽車動(dòng)力性參數(shù)確定，新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)主要是通過(guò)汽車最高速度、最大爬坡度和加速性能來(lái)確定。表1是某款新能源汽車的整車參數(shù)和性能指標(biāo)。表1整車參數(shù)與性能指標(biāo)滿載質(zhì)量/kg迎風(fēng)面積/m2旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)空氣阻力系數(shù)滾動(dòng)阻力系數(shù)輪胎滾動(dòng)半徑/m傳動(dòng)效率最高車速/(km/h)100km/h加速時(shí)間爬坡性能驅(qū)動(dòng)視界為保證該車型在各種工況下的后備功率，選用驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率為102kW,額定功率為45kW,同時(shí)根據(jù)最高車速和加速時(shí)間以及參考市場(chǎng)上其他相似車型，驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速定為12000r/min,驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)如表2所示。額定功率/kW峰值功率/kW額定轉(zhuǎn)速/(r/min)最高轉(zhuǎn)速/(r/min)額定轉(zhuǎn)矩/(Nm)峰值轉(zhuǎn)矩/(Nm)2.1電機(jī)基本結(jié)構(gòu)尺寸n?為額定轉(zhuǎn)速；P為電機(jī)額定功率；KNm為氣隙磁場(chǎng)波形系數(shù)；Kdp為繞組系數(shù)；A為線負(fù)荷；D?=185mm;定子內(nèi)徑為D=125mm。驅(qū)動(dòng)視界永磁同步電機(jī)采用內(nèi)置式“V”型，極對(duì)數(shù)選用4,定子槽數(shù)為48槽。槽型采用平行齒型，如圖1所示。寬度bm,Ka為與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有關(guān)的安全系數(shù)，其值范圍為0.7～1.2;bm0永磁同步電機(jī)的主要尺寸參數(shù)如表3所示。驅(qū)動(dòng)視界表3電機(jī)尺寸參數(shù)參數(shù)數(shù)值永磁體寬度/mm永磁體厚度/mm永磁體材料槽數(shù)極對(duì)數(shù)42.2有限元仿真分析表4是利用MotorCad對(duì)電機(jī)有限元分析的各項(xiàng)性能指標(biāo)，可以看出各項(xiàng)性能指標(biāo)是符合設(shè)計(jì)電機(jī)的要求，但其齒槽轉(zhuǎn)矩值有點(diǎn)表4電機(jī)性能指標(biāo)平均轉(zhuǎn)矩/(Nm)齒槽轉(zhuǎn)矩/(Nm)輸出功率/W電機(jī)效率/%驅(qū)動(dòng)視界3.電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化為了進(jìn)一步削弱電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩，同時(shí)保證電機(jī)的效率處于較高的水平，將采用參數(shù)優(yōu)化方法對(duì)電機(jī)永磁體寬度、厚度及氣隙長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。3.1電機(jī)永磁體尺寸優(yōu)化永磁體的作用是給電機(jī)轉(zhuǎn)子提供恒定的磁場(chǎng)，其大小直接影響電機(jī)的性能，因此合理的優(yōu)化永磁體尺寸至關(guān)重要。經(jīng)過(guò)綜合考慮后，選取永磁體寬度范圍為10～18mm,厚度范圍為3.5～6mm,進(jìn)行參數(shù)化分析。永磁體寬度與電機(jī)性能指標(biāo)關(guān)系如圖2所示，可以看出隨著永磁體寬度的增加，齒槽轉(zhuǎn)矩也在不斷增加，電機(jī)輸出功率也隨著永磁體寬度增加而增加。永磁體寬度在10～15mm之間時(shí)，電機(jī)的效率隨永磁體寬度增大而增大，但當(dāng)永磁體寬度大于15mm時(shí)，電機(jī)的效率保持不變，甚至開始降低。永磁體寬度的選取首先要滿足其齒槽轉(zhuǎn)矩較小同時(shí)也要使得效率處于較高水平，利用參數(shù)法對(duì)永磁體寬度進(jìn)行不斷調(diào)整，最終永磁體寬度選取15.8mm。與選取永磁體寬度類似，永磁體厚度與各項(xiàng)指標(biāo)關(guān)系與寬度相似，永磁體厚度選取5mm。精雕殼體、快速鑄造、透明/剖切展機(jī)找無(wú)錫勝手機(jī)微信號(hào))電機(jī)效率/%(a)齒槽轉(zhuǎn)矩變化曲線(b)電機(jī)效率變化曲線驅(qū)動(dòng)視界3.2氣隙長(zhǎng)度優(yōu)化永磁同步電機(jī)的氣隙與電機(jī)性能密切相關(guān)，氣隙長(zhǎng)度的選擇，既要考慮制作的工藝性，也要考慮電機(jī)的弱磁擴(kuò)速能力，氣隙過(guò)小，對(duì)于電機(jī)的制造工藝要求更高，氣隙過(guò)大，會(huì)使得電機(jī)的漏磁越大，效率變低。設(shè)定氣隙長(zhǎng)度范圍為0.5～1.5mm,氣隙長(zhǎng)度與電機(jī)性能指標(biāo)關(guān)系如圖3所示，可以看出隨著氣隙長(zhǎng)度的增加，齒槽轉(zhuǎn)矩、電機(jī)的輸出功率也在不斷下降，電機(jī)效率隨著氣隙長(zhǎng)度的增加，也在不斷的增加，但變化的范圍并不大，同樣的利用參數(shù)法不斷調(diào)整，同時(shí)也要保證其額定功率超過(guò)45kW。最后此氣隙長(zhǎng)度選取0.6mm。精雕殼體、快速鑄造、透明/剖切展機(jī)找無(wú)錫勝手機(jī)微信號(hào))氣隙長(zhǎng)度/mm(b)電機(jī)效率變化曲線3.3性能驗(yàn)證根據(jù)參數(shù)優(yōu)化所選取的永磁體厚度、寬度以及氣隙長(zhǎng)度，重新建立電機(jī)模型，進(jìn)行計(jì)算分析，優(yōu)化后的齒槽轉(zhuǎn)矩與優(yōu)化前的對(duì)比如圖4所示。表5為優(yōu)化后電機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。由圖4和表5可以看出經(jīng)過(guò)優(yōu)化后永磁同步電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩由原來(lái)的6.53Nm變成了現(xiàn)在的5.71Nm,降低了13.02%,其余的指標(biāo)比原來(lái)的略有下降，但電機(jī)的效率和功率因數(shù)仍處于較高的水平，平均轉(zhuǎn)矩以及輸出功率也都符合電機(jī)設(shè)計(jì)的指標(biāo)。位置/MDeg驅(qū)動(dòng)視界表5優(yōu)化后電機(jī)性能指標(biāo)平均轉(zhuǎn)矩/(Nm)齒槽轉(zhuǎn)矩/(Nm)輸出功率/W電機(jī)效率/%功率因數(shù)將Motor-CAD-Emag模塊建立的電機(jī)模型導(dǎo)入Motor-CAD-Lab模塊獲得電機(jī)的效率MAP圖。如圖5所示，可以看出額定轉(zhuǎn)速為5000r/min,最高轉(zhuǎn)速能達(dá)到12000r/min,符合電機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)。且電機(jī)調(diào)速范圍較寬，效率在90%以上占比為81.79%,同時(shí)電機(jī)的最高效率達(dá)到了96.88%,在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持96%效率。0圖5電機(jī)效率MAP精雕殼體、快速鑄造、透明/剖切展機(jī)找無(wú)錫勝手機(jī)微信號(hào))驅(qū)動(dòng)視界4.典型循環(huán)工況分析為了進(jìn)一步驗(yàn)證所優(yōu)化設(shè)計(jì)的電機(jī)，選取CLTC-P工況，對(duì)匹配永磁同步電機(jī)的新能源汽車進(jìn)行循環(huán)工況仿真驗(yàn)證。CLTC-P工況測(cè)試時(shí)間為1800s,其中怠速時(shí)間長(zhǎng)、速度波動(dòng)大，運(yùn)行工況更加符合中國(guó)交通實(shí)際情況。圖6為電機(jī)在此工況下運(yùn)行時(shí)各項(xiàng)性能指標(biāo)?？梢钥闯?，此工況下電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩變化較為劇烈，從圖6(a)可以看出，所需最大轉(zhuǎn)矩為145Nm,小于所設(shè)計(jì)電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)從圖6(b)可以看出，在此工況下電機(jī)的最大效率為96.61%,整個(gè)過(guò)程的平均效率為94.20%。由此可以看出，所設(shè)計(jì)的電機(jī)在此工況下有著較好的性能。精雕殼體、快速鑄造、透明/剖切展機(jī)找無(wú)錫勝手機(jī)微信號(hào))(a)轉(zhuǎn)矩曲線驅(qū)動(dòng)視界5.結(jié)論參考某款新能源汽車整車參數(shù)，設(shè)計(jì)的電機(jī)通過(guò)MotorCad有限元仿真分析，其性能參數(shù)基本符合設(shè)計(jì)要求。采用參數(shù)化方法對(duì)設(shè)計(jì)的電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，在滿足基本性能的前提下，齒槽轉(zhuǎn)矩相比于優(yōu)化前下降了13.02%;通過(guò)電機(jī)效率MAP圖，可以看出設(shè)計(jì)的電機(jī)調(diào)速范圍較寬，且在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持96%的效率，可以提高該車型的續(xù)航能力。在CLTC-P工況下進(jìn)行電機(jī)性能的檢驗(yàn)，仿真結(jié)果表明本文所優(yōu)化設(shè)計(jì)的電機(jī)能滿足選定車型的行駛性能。參考文獻(xiàn)技術(shù)發(fā)展前沿[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016,36(8):2025-2035.[5]溫嘉斌，于嵐.田口方法在永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2019,24(5):64-69.精雕殼體、快速鑄造、透明/剖切展機(jī)找無(wú)錫勝手機(jī)微信號(hào))驅(qū)動(dòng)視界永磁