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关涛刘大猛文喆裴彬
随着车用电机高压化、高速化、高效化和高舒适性方向发展,对永磁电机的设计提出了更高的要求。
本文以一台峰值功率65KW,峰值转速9500r/min,峰值扭矩650Nm的车用高速轮毂永磁电机转子设计为例,对电机转子的电磁特性、传热特性与机械特性建立有限元和热路模型进行研究分析。
为了提高车辆运行的舒适性,本文以转子磁路结构参数为优化参数,采用田口法对轮毂电机转子进行优化设计,在保证输出转矩不降低的情况下降低电机转脉动,优选齿槽转矩和绕组反电势THD最低的参数组合.仿真结果表明,优化前后转矩脉动降低了1.3%。
针对轮毂电机大直径转子高速下转子强度问题,重点研究热态工况高速离心力作用下转子强度分析。
该研究对于重载无人车用高速永磁电机设计具有理论指导意义。
根据工信部于中国汽车工程学会联合编制的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》,未来重载无人车用电驱系统的发展趋势也将持续提高驱动电机的功率/转矩密度和转速,降低电机的振动噪声。
高速永磁同步电机以其体积小、结构简单、功率密度大、可靠性性高等优点,使其在重载无人车领域中具有广泛的应用前景。
永磁电机根据转子的位置可分为外转子永磁电机和内转子永磁电机。
内转子高速永磁电机以其转子半径小可靠性强的优势,成为高速永磁电机的首选结构[1]。
相较表贴式永磁电机,内置式永磁电机具有较大的凸极率,可有效地提升电机的过载能力和功率密度[2]。
内置式永磁电机,永磁体被安装在铁心内部,降低了去磁磁场直接作用在永磁体上的风险,提高了永磁电机的抗退磁能力,并且内置式永磁电机无需绑扎带等对转子的加固措施增加气隙长度,
提高了运行效率和功率密度[3]。
内置式永磁电机将引入较大的转矩脉动[4]。
转矩脉动不仅产生电磁噪声和扭转振动,而且影响车内乘客的舒适度,尤其是高速运行状态下的转矩脉动。
为了提高车辆运行的平稳性,一般从电机控制[5-7]和电机本体[8-10]两个方面展开转矩脉动抑制技术的研究。
轮毂电机由于受结构的限制和高集成度的需求,通常为扁平结构并且转子冲片较薄,相较于常规的车用高速电机同样具有高转速的需求,但是其将受到更大的离心力,整个转子冲片以及隔磁桥都将承受较大的应力。
为了提轮毂电机转子的机械强度,一般采取增加隔磁桥厚度和数量的措施降低转子形变,但会带来漏磁增加的问题。
因此,对高速轮毂电机转子优化设计是十分重要的。
本文以一台峰值功率65KW、转速9500r/min的重载无人车用永磁电机为例,采用田口法对轮毂电机转子结构参数进行优化,对转矩脉动进行抑制。
通过搭建电机的电磁和温度场计算模型,得出电机转子的温度分布。
最后采用二维应力仿真分析模型,完成对转子机械强度优化设计,具有广泛的市场应用价值。
1.转子拓扑结构的选择
电机设计的基本需求参数如表1所示。
表1设计电机及转子基本参数
参数
参数值
峰值功率/kW
65
峰值转速/(r/min)
9500
峰值转矩/Nm
650
转子铁心外径/mm
301.65
轴向长度/mm
80
极对数
6
本文所设计电机峰值转速为9500r/min,根据文献[11]得出五种永磁电机的拓扑结构的电机性能比较,如表2所示。
目前,轮毂电机面临着主要问题是成本、可靠性和高转速的问题。
根据表2可知,本文首选V形内置式永磁电机,该转子结构具有较高的永磁体利用率有利于降低永磁电机的成本,较高的弱磁率有利于提高永磁电机转速运行范围,较强的抗去磁能力有利于提高轮毂电机运行的可靠性。
最后,综合考虑到转子高速强度问题,本文选择带有连接筋的V字形永磁转子,结构如图1所示。
图1V型永磁同步电机转子结构表2五种永磁体拓扑结构转子
2.基于田口法的内置永磁同步电机转子结构设计
田口法是在1952年由日本田口玄一博士提出的,提高产品品质的的试验方法,该方法得到全球工业界的广泛应用[12]。
田口法的设计流程如图2所示。
为了抑制电机的转矩脉动,选择齿槽转矩Tcog,气隙磁密波形畸变率THD(Br)作为优化目标。
选取对磁路影响较大的参数作为优化因子,分别为极弧系数αp,永磁体之间的夹角αV,隔磁桥宽度b1,连接筋厚度b2。
每个因子各选取5个水平值,其名为1、2、3、4、5,
各因子的水平值如表
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