客摇车摇技摇术摇与摇研摇究
摇1摇2摇摇摇摇第6期摇摇摇摇摇摇摇摇摇BUS&COACHTECHNOLOGYANDRESEARCH摇摇摇摇摇摇摇No.6摇2019
纯电动客车驱动电机电磁设计
吴先坤,程摇义,柯宝平,潘岱松
(安徽安凯汽车股份有限公司新能源汽车研究所,合肥摇230051)
摘摇要:为改进驱动电机的动力性能,本文对某款纯电动客车用电机的磁路进行设计研究,从永磁材料选择、转子结构、极槽配合、气隙长度选择等方面提出相应方案。关键词:纯电动客车;驱动电机;电磁设计中图分类号:U469郾72;U463郾63+1摇
摇文献标志码:B摇摇
文章编号:1006-3331(2019)06-0012-03
DesignofDriveMotorElectromagnetismforaPureElectricBus
WUXiankun,CHENGYi,KEBaoping,PANDaisong
Abstract:Inordertoimprovethepowerperformanceofthedrivemotor,thispaperstudiesthemagneticcir鄄cuitdesignforaelectricbusmotorandputsforwardcorrespondingschemesfromtheaspectsofpermanentmagnetmaterialselection,rotorstructure,polegroovecopulationandairgaplengthselection.Keywords:pureelectricbus;drivemotor;electromagneticdesign摇摇近年来,新能源客车蓬勃发展,对驱动电机的性能提出了更高的要求。本文从磁路优化设计角度出发,设计一种能够在山区、爬坡等工况下稳定运行的驱动电机,并对其性能进行仿真分析。
(InstituteofNewEnergyVehicles,AnhuiAnkaiAutomobileCo.,Ltd.,Hefei230051,China)
r/min。分别从永磁材料选择、转子结构、极槽配合及气隙长度选择等方面进行设计研究。1郾2摇永磁材料选择
从材料的属性方面考虑,市面上现采用较多的永磁材料有:铝镍钴、铁氧体、稀土钴、钕铁硼等,其磁性能属性见表1。
表1摇常用永磁材料的磁性能
材料名称铝镍钴铁氧体稀土钴钕铁硼
剩磁/T矫顽力/(kA·m-1)最大磁能积/(kJ·m-3)1郾350郾391郾01郾33
60
60
2006001100
31郾8172350
1摇驱动电机电磁设计
1郾1摇总体要求
纯电动客车的驱动电机目前我国采用较多的是永磁同步电机,具有重量轻、体积小、效率高、结构简单的特点,与其他电机相比具有绝对优势。
设计之初需制定电机电磁设计的目标。本设计目标为实现最大转矩和最大功率指标输出,用最少的材料、最低的成本实现电机的最大输出;在最大转矩和最大功率指标实现的基础上,做到电机高效区更宽、高效区占比更大;控制电机齿槽转矩,使电机输出转矩更加平稳,转矩波动更小,同时电磁噪声更小
[1-2]
铝镍钴价格相对较低,但材料硬而脆,矫顽力较低;稀土钴虽然剩磁、矫顽力和最大磁能积都很高,但除电加工外,不能进行机械加工,且材料价格高,造成成本加剧;综合考量后本次设计选用价格较低、应用广泛的钕铁硼材料,虽然其含有较多的铁和钕易发生段可有效避免[3-4]。
1郾3摇转子结构
锈蚀现象,但通过对其表面进行涂层、电镀等处理手
根据某电动客车动力需求,并遵循电机的设计准则,拟设计永磁同步电机额定功率85kW、峰值功率185kW、额定转速1350r/min、峰值转速3000
基金项目:国家重点研发计划(2017YFB0103805)。
。
与传统异步电机不同,永磁同步电机转子内自身
作者简介:吴先坤(1991—),男,硕士;主要从事新能源汽车电驱动系统的设计开发及CAE分析工作。
摇第6期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇吴先坤,程摇义,柯宝平,等:纯电动客车驱动电机电磁设计13
产生励磁磁场,为进一步降低成本,需在保证充分发挥材料作用的前提下对所选钕铁硼材料的数量及结构进行合理化设计,设计原则如下:保证气隙磁场足够强,保证输出转矩高;在保证其力学属性的前提下,合理设计磁钢结构布置,尽量减小装配的强度;在保证电机输出及各项性能前提下,缩减磁钢用量[5-6]为满足纯电动客车的载客、爬坡等高转矩行驶需
。
求,在保证永磁体面积不变的前提下,利用有限元软件对两种常见类型(即“V冶型和“V一冶型)的气隙磁密进行仿真计算分析,结果如图1所示。
图1摇“V冶型和“V一冶型结构气隙磁密对比图
由图1可知,“V冶型和“V一冶型结构的气隙磁密峰值分别为0郾8T和0郾9T,“V一冶型气隙磁密增大12郾磁密5%,因此本次设计采用,采用此种结构可有效减少漏磁通“V一冶型结构。、增大气隙1郾4摇极槽配合
驱动电机在工作过程中保持低的齿槽转矩、噪声和振动,以保证具有较低的电枢反应磁动势谐波含量,最佳的极槽配合尤为重要。在选择极槽配合时,不仅需考虑噪声和齿槽转矩,更应从损耗角度重点考量。
通过查阅文献得知:电机铁耗随电机频率增大而增大,呈指数关系[7]数不宜选择过多,结合以往设计经验。考虑到转子安装空间,本文设计的转,极子极数为12,槽数在48、60和72之间选择。针对3种配合,分析其齿槽转矩、输出转矩和总损耗的结果,综合选定槽数[7-8]极槽配合属于通过改变永磁体气隙磁密。
,消弱对
齿槽转矩有影响的傅里叶分解系数,对以上3种极槽配合进行有限元分析,结果见表2。从中可以看出,其中12极60槽的峰-峰值齿槽转矩最小;12极48槽的峰-峰值齿槽转矩远大于其他两种配合;分别设置斜槽角度10毅后,3种配合的10毅峰-峰值齿槽转矩均大幅下降;而12极48槽依然远高于其他两种配
合,所以首先排除[9-10]。
表2摇3种配合齿槽转矩极脉动表
配合方式转矩脉动数
峰-峰值齿槽斜槽10毅峰-峰值转矩/Nm齿槽转矩/Nm
1212极2812极48槽极6072槽槽
507郾37
0郾10郾38
0郾1郾9
0郾0306选取合适的极槽配合不仅需考虑齿槽转矩,还需考虑到损耗的大小,这也决定了样机能否保证较高的功率密度和转矩,是否具有良好的NVH特性。12极60线分别如图槽和12极272和图槽的转矩3所示。-转速曲线和损耗从曲线来看,在540-转速曲V电压平台下,12极72槽外特性曲线明显优于12极60槽,且总损耗远小于12极60槽总损耗,所以综合以上因素,选择12极72槽较为合理。
图2摇转矩-转速曲线图
图3摇损耗-转速曲线图1郾5摇气隙长度
气隙长度直接影响电机的性能指标,也决定磁通量的大小。气隙较长,电机磁阻较大、永磁体利用率较小,间接增加电机成本;气隙较短,一方面不易装配且结构可靠性较差,另一方面也会使得电机振动、噪声加剧[11-12]的基础上多角度考虑。因此在电机气隙选择上要在控制成本,依据永磁同步电机设计准则,
永磁同步电机相较于异步电机而言气隙稍大,综合考量后本次设计选取气隙长度为2mm。
2摇实验验证
2郾1摇实验依据及条件
样机试制结束后,依据GB/T18488郾1—2015《电
14客摇车摇技摇术摇与摇研摇究摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇2019年12月
动汽车用驱动电机系统第1部分:技术条件》[13]和GB部分/T:试验方法18488郾2—2015《》[14]展开电机相关实验电动汽车用驱动电机系统。
第2为保证实验的可靠性,将驱动电机置于AVL室内台架上,于平均相对湿度为75%、平均气压1郾4伊554010Pa、V。
平均温度为25益环境下开展,设置电压平台
2郾2摇实验结果
实验结果如图4所示,可以看出该电机实际转速其峰值转矩和峰值功率均能够满足设计要求-转矩与转速-功率关系与其仿真结果基本一致。实验,且
后针对数据进行分析整理,得到540V平台电动系统效率map图,如图5所示,电动系统效率大于80%的区域占总区域的97郾8%,在200r/min至3000r/min间的平均效率为91郾2%,相较以往大于80%区域96%有所提升、200。
r/min至3000r/min间平均效率郾5%均图4摇实验与仿真结果对比图
图5摇电动540V系统效率map图
3摇结束语
本文从永磁材料选择、转子结构、极槽配合以及
气隙长度的选择等方面入手,设计了一种高功率密度、高转矩及低噪声的永磁同步电机,该电机相较以往同平台电机,功率密度从0郾71kW/kg提高至1郾03kW噪声从/kg,87峰值转矩从dB(A)下降至200082NmdB(A),提高至可以满足我国大2200Nm,工作部分山区、高原等地的客车载客、爬坡等需求。参考文献:
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收稿日期:2019-08-30
