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电动汽车用高功率密度感应电机的设计与研究
2020-06-30 00:16:21· 来源：EDC电驱未来 作者：谢颖， 黎志伟丨哈尔滨理工大学
摘 要:针对目前永磁材料价格大幅度上涨，永磁电机和电动汽车动力系统成本增加的问题，给出了一个高功率密度感应电机方案，并介绍了方案的设计过程和感应电机提高
摘 要:
针对目前永磁材料价格大幅度上涨，永磁电机和电动汽车动力系统成本增加的问题，给出了一个高功率密度感应电机方案，并介绍了方案的设计过程和感应电机提高功率密度的方法。运用有限元法计算了电机的输出能力、温升和转子强度等关键性能。通过参数化扫描电机的气隙长度和铁心长度，总结了它们对电机性能的影响。计算了电机额定运行时的损耗分布，并设计了机壳水冷回路，通过电磁场和温度场耦合计算，得出了电机的温度分布规律。最后，为了保证电机转子高速运行时的可靠性，计算了转子形变趋势和应力分布，得到了应力随转速的变化规律。结果表明，该电机具有良好的输出性能，并且散热能力好，可以长时间运行。
0 引 言
电动汽车对成本和里程特别敏感，电机的降本和减重工作也就尤为重要。目前国内各大车企的驱动系统供应商重心都在开发转速更高，更加集成化的电驱动产品。国内一汽集团、精进电动和上海电驱动等，国外普锐斯、采埃孚和特斯拉等都开发出峰值功率密度大于4.0 kW/kg的电机产品，并实现了电驱动一体化集成，技术指标达到国际先进水平。驱动电机应用最多的是永磁同步电机，其次就是感应电机，国外特斯拉和奥迪等，国内蔚来汽车都有成熟的感应电机驱动系统。感应电机相比永磁电机，物料和制造成本低，性能可靠，没有退磁风险。本文电机是针对Y2系列感应电机进行改进，没有采用铜条转子、超薄硅钢片和薄壁机壳等技术，峰值功率密度为3.3 kW/kg左右，与国际先进水平还存在差距。
本文给出了一个高功率密度感应电机方案，并介绍了电机方案的设计过程和感应电机提高功率密度的方法。通过多物理场耦合计算，得到了电机某些关键尺寸对性能的影响，并分析了电机斜槽对气隙磁密谐波的影响，通过温度场和力学计算，得到了电机的温度分布和转子应力分布规律，验证了电机方案设计的合理性。
1 高功率密度电机的设计与分析
1.1 设计思路
电机电枢体积、转速、功率和电机常数之间有以下关系
(1)式中：D为电枢直径；lef为有效长度；n为电枢旋转速度；P′为电机功率；
为极弧系数；KNm为波形系数；Kdp为电机绕组系数；A表示电机安匝数；Bδ为气隙中的磁密；CA为常数。从式(1)中可以看出，可以通过以下几种途径来提高电机功率密度：1)优化电磁方案；2)提高频率和转速；3)增加电磁负荷；4)改善冷却能力。
1.2 电机基本参数
通过感应电机电磁计算程序，初步确定电机主要尺寸、极数和所需要的安匝数，然后通过有限元法参数化扫描具体参数，得到最优的电磁方案。借用Y2系列112机座号2极方案的冲片，避免重新开模的费用，减少电机加工成本。电机额定功率、效率和额定转矩等基本参数如表1所示。
通过表1中的功率和有效材料重量数据计算可得本文电磁方案的额定功率密度为3.3 kW/kg，相比Y2系列电机提高了5～8倍。
表1 电机基本参数
Table 1 Basic parameters of motor
1.3 长径比的选择
在电机设计过程中，首先要确定的就是铁心长度和电枢直径的尺寸，两者的比值可以看出电机的设计是否合理，还有电机的应用场合。对于电动汽车驱动电机，在电流模块和电压模块的限制下，铁心长度对电机性能影响很大。先保证其他尺寸参数不变，对铁心长度进行参数化扫描，来研究和分析其对电机性能和效率的影响。如图1、图2和图3所示为计算结果。
图1 铁心长度对定子相电流的影响
Fig.1 Influence of core length on stator phase current
图2 铁心长度对功率因数cosφ和效率η的影响
Fig.2 Influence of core length on cosφ and η
图3 铁心长度对电机损耗的影响
Fig.3 Influence of core length on motor loss
图1为铁心长度对定子相电流的影响，在相同电压模块下，铁心加长，电机铁心磁密降低，用来产生旋转磁场的激磁电流减小，电流中无功分量随之减少，定子相电流也跟着减小，这样如果相同电流模块的话，出转矩能力会增加。电机的功率因数随着激磁电流含量的减小而增大。铁心加长，定子相电阻和转子导条电阻增加，铜损和铝损会有相应的改变，特别是转子铝损会随着铁心加长一直增加，而铁损随着磁密减小而降低，定子相电阻增加而相电流减小，所以定子铜损变化相对较小，这一点从图3中可以看出。
因为本文设计方案为车用驱动电机，对电机的外包络有一定的尺寸限制，所以电机的轴向尺寸不能太长，在满足温升限制的前提下，功率密度还要尽可能的高，出转矩能力则要求更大，两者相互制约，所以铁心长度选择275 mm，温升计算结果则在后续小节中给出。
1.4 气隙长度的选择
感应电机的气隙长度相比永磁同步电机要小一些，因为感应电机没有电枢反应，转矩波动相比永磁电机要小很多。气隙长度对电机出转矩和出功率能力影响很大，在相同电压模块下，气隙长度对电机定子相电流、功率因数和转矩波动的影响如图4、图5和图6所示。从图中可以看出，气隙长度跟定子相电流成正比，是因为磁阻增大，需要的激磁电流增加了，电机输出转矩会降低。但是气隙增大可以充分过滤气隙磁场中的谐波含量，使得转矩波动减小，改善电机NVH性能。
图4 气隙长度对定子相电流的影响
Fig.4 Influence of air gap length on stator phase current
在满足汽车轮端扭矩的前提下，要充分考虑电机的效率和NVH性能，所以气隙长度选0.7 mm。
1.5 冷却方式的选择
车用高密度电机的损耗密度很大，所以冷却能力是其重要指标之一，好的散热可以使电机的输出能力有很大的提升。目前市场上的车用驱动电机已经见不到采用风冷的，基本全是水冷，也有少部分采用冷却性能更好地油冷，但是油冷对电机定子组件中的绝缘片、套管、树脂漆等辅料以及漆包线的要求很高，工艺上也有很大的难度，会使电机成本大幅增加，所以主流还是水冷方式。
图5 气隙长度对功率因数和效率曲线的影响
Fig.5 Influence of air gap length on cosφ and η
图6 气隙长度对转矩波动的影响
Fig.6 Influence of air gap length on torque ripple
水冷也有很多不同的结构，比如机壳冷却、轴内水冷和端盖水冷等，机壳水冷又有轴向水路和周向水路等。本文设计的电机方案采用周向水路，机壳示意图如图7所示。
图7 水冷机壳示意图
Fig.7 Diagrammatic sketch of water-cooled shell
2 电机性能分析
2.1 电磁场计算模型
有限元模型中，根据电机各部分模型的重要程度，对铁心、绕组和导条等进行不同精度的网格剖分，可以在不影响计算结果的前提下，节省时间和资源。电机的定转子冲片模型以及各部分剖分模型如图8所示。
在电磁场仿真时，可以通过参数化扫描转子初始位置角来模拟转子斜槽，原理是轴向上将电机简化为多段直槽电机。电机磁场求解域和定转子边界条件简化公式为：
(2)式中：D为电机磁场求解域；Γ1为定子外边界和转子内边界；Az为z方向矢量磁位；Jz为源电流密度在z方向上的分量；
为涡流密度；μ、σ分别为相对磁导率和电导率。
图8 电机有限元模型
Fig.8 Finite element model of motor
2.2 电磁场计算结果分析
如图9所示为电机额定工况下定转子铁心中的磁力线和磁密分布，从图中可以看出，电机为2极电机。为了使磁密分布合理，2极电机定转子轭部比较厚。磁密最大处出现在齿顶，为1.985 T，其他部分磁密分布也比较合理。
额定工况下，气隙磁场中的三维磁密分布如图10所示，从图中可以看出，轴向上磁密最高处有偏移，这是因为转子斜槽的原因。图11是转子斜槽和不斜槽时，气隙磁密谐波波形和其谐波分解后的幅值对比。从图中可以看出，转子斜槽后，气隙磁密波形更加正弦，各次谐波幅值也大幅度降低，可以有效的改善电机的NVH性能。
图9 电机额定工况磁场分布
Fig.9 Distribution of magnetic field on rated load
图10 三维气隙磁密
Fig.10 3D magnetic flux density
图11 气隙磁密波形及谐波分析
Fig.11 Curve and harmonic of the air gap flux density
电机额定工况下铁心损耗密度分布如图12所示。从图中可以看出，转子轭部损耗可以忽略不计。
图12 铁心损耗密度分布
Fig.12 Distribution of the core loss density
2.3 电机输出性能
车用驱动电机比较关注电机的峰值输出能力，也就是峰值转矩和峰值功率，所以在电流模块和电压模块选定后，通过有限元法计算电机的输出外特性，如图13所示。从图中可以看出，电机峰值转矩为190 N·m，峰值功率为130 kW，可以满足大部分乘用车的动力需求。
感应电机与永磁同步电机相比，高速区会掉功率，这是因为感应电机特性比较软，没有永磁磁通来维持高速区的气隙磁通，只能通过电压源来调节气隙磁通，但随着转速的增加，电压达到模块最大输出能力时，磁通会大幅度下降。
图13 输出外特性
Fig.13 Output performance
汽车的运行区间非常广，车用驱动电机不只是关注电机的峰值效率，更加关注的是整个运行区间的效率分布，所以本文通过有限元法计算了电机整个运行区间的效率Map分布，如图14所示。从图中可以看出，本文设计的感应电机峰值效率为94.8%，效率大于90%的高效率区范围也很大，能够满足车用驱动电机的需求。感应电机相比永磁电机，高效区比较靠后，所以可以通过提高减速比来缩小与永磁同步电机的差距。
图14 效率Map
Fig.14 Efficiency Map
3 电机温度场计算与分析
车用驱动电机为了追求提高功率密度，峰值转矩和峰值转速非常大，高转矩区的铜耗、高转速区的铁耗和风磨损耗非常高，所以在电机方案设计过程中，必须要估算电机的温升，以温升作为一个的外边界条件。本文采用有限元法，将瞬态电磁场计算结果耦合到三维温度场中计算电机的温度。
3.1 温度场计算模型
区别于电磁场模型，电机各部分损耗密度都不相同，需要将模型进行更加细致的分割，将定转子铁心齿部和轭部分别建模。本文在电磁场模型的基础上建立了带有水冷机壳的温度场模型，模型及剖分图如图15(a)、(b)所示。定子绕组等效模型如图15(c)所示，为了简化计算和提高计算精度，将槽绝缘、漆包线简化成等效绕组和等效绝缘两部分，并将电机剖分成六面体。
3.2 电机损耗计算
铁心损耗包括磁滞损耗，涡流损耗和异常损耗，三项计算公式如下，铁耗与频率和磁密成正比，高速区铁耗占比会增加。
PFe=Ph+Pc+Pe=
(3)式中：Ph为磁滞损耗分量；Pc为涡流损耗分量；Pe为异常损耗分量；Bm为铁心磁密幅值；f为旋转磁场频率；Ke为异常损耗系数。
定子绕组采用圆漆包线，忽略集肤效应，只考虑定子绕组的直流电阻损耗，计算为
PCu=3I2R。 (4)
式中：PCu为电机定子绕组铜耗；I为定子绕组中的相电流；R为单相直流电阻。
图15 三维温度场模型
Fig.15 3D model of the thermal field
鼠笼式感应电机导条中存在不可忽略的集肤效应，损耗密度不均匀，需要对导条电密积分求解。导条每个剖分单元内的平均铝耗为
(5)式中：Jy导条感应电密；σ为导条电导率；V为导条剖分后的单元体积。
3.3 散热系数计算
本文给出的电机方案为机壳水冷，机壳表面散热系数为常数。机壳和端盖内各接触面散热系数参考传统计算公式，机壳水路与流体间对流换热跟流速有关，是强迫对流换热，计算方法如下所示，计算结果如表2所示。
(6)式中：Nuf为努赛尔特数；λf为导热系数；De当量直径；Ref雷诺数；Prf为普朗特数；μf为动力粘度；νf为运动粘度；cp为定压比热容。
表2 接触面散热系数
Table 2 Convection heat transfer coefficient of motor
3.4 温度场计算结果分析
将二维瞬态电磁场的损耗计算结果耦合到三维瞬态温度场中作为热源，设置环境温度为22 ℃。仿真时间设置为3 000 s，此时温升基本稳定。电机各部分温度云图如图16所示，瞬态温升曲线如图17所示。
图16 电机温度云图(℃)
Fig.16 Temperature distribution of motor(℃)
图17 瞬态温升曲线
Fig.17 Transient temperature change of motor
从图16中可以看出电机主要热源部位的温度分布情况，本文设计的电机铁心长度较长，又采用散热均匀的机壳水冷方式，且气隙的热阻很大，所以转子部分的热量不易传递出去，定子部分温度比转子部分温度低很多，定子部分最高温度67.7 ℃，转子部分最高温度则接近120 ℃。转子的高速旋转增加了铸铝端环风叶的散热能力，使得转子部分两端的散热要比中间散热快一些，形成了温差，所以转子导条和铁心温度从两端向中间逐渐升高。温度场计算结果表明，本文设计电机方案的温升在安全范围之内，可以长期可靠的工作。
4 转子静力学分析
高速化和集成化是驱动电机的发展趋势，但是当转速上升到一定程度时，对冲片应力和轴承强度都有很高的要求，为了保证设计方案的可靠性，在设计之初就应该对电机转子部分的结构强度进行仿真计算，转子的三维静力学计算模型如图18所示。
图18 转子有限元模型
Fig.18 Finite element method model of the rotor
仿真计算过程中，只添加转速载荷，不计惯性和阻尼作用。转速为15 000 r/min时的转位移如图19所示，从图中可以看出转子的位移趋势。
图19 转子位移趋势(m)
Fig.19 Deformational displacement trend of the rotor(m)
电机转速15 000 r/min，即对应车速100 km/h时，转子应力分布如图20所示。从图中可以看出，最大应力才只有39 MPa，远远小于冲片材料的屈服极限235 MPa。感应电机相比永磁同步电机，冲片应力要小得多，这是因为永磁电机转子冲片隔磁桥、减重孔的存在，大幅度增加了应力。同时计算了转子应力随转速变化的曲线如图21所示。从图中可以看出，在车速150 km/h时，最大应力为88 MPa，远小于材料的屈服极限，电机可以正常工作。
图20 转子应力分布(Pa)
Fig.20 Stress distribution of the rotor(Pa)
图21 应力随速度变化
Fig.21 Stress under different speed
5 结 论
本文分析了高功率密度电机的主要特点，并设计了一台基于Y2系列电机的高功率密度电机。利用有限元软件分别计算了电机的磁场分布、输出性能、温升和转子强度等，得到以下结论：
1)驱动用高速高密度电机输出外特性、转矩波动、效率Map、温升和转子强度等是电机设计阶段需要考虑的重点。
2)通过电磁场计算结果可以看出，本文设计电机峰值转矩190 N·m，峰值功率130 kW，功率密度达到3.3 kW/kg。电机调速范围和高效率区间也特别广，能满足电动汽车的各种工况。
3)电机选用周向圆形水路机壳水冷的冷却方式，电机温升大幅度降低，提高了驱动系统的安全性和可靠性。因为其细长型的结构，转子部分温度从中间向两端逐渐降低。温度场计算结果也验证了电机方案的合理性及可靠性。
4)本文所设计的电机也可以应用在其他具有空间限制或者需要高转速的场合中，电机转子强度足够。设计思路和分析方法也可以为今后高功率密度电机的研究提供一定的参考。
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