特種車(chē)載500 kW永磁同步電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

雷雄，于起濤，李承栩

特種車(chē)載500 kW永磁同步電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

雷雄1，于起濤2，李承栩2

（1. 湖南湘電動(dòng)力有限公司湖南湘潭 411101，2. 湖南大學(xué)，長(zhǎng)沙 410082）

特種車(chē)載永磁同步電機(jī)溫升過(guò)高會(huì)導(dǎo)致其絕緣壽命和工作性能顯著下降。本文以特種車(chē)載500 kW永磁同步電機(jī)優(yōu)化過(guò)程為例，通過(guò)調(diào)整電機(jī)磁鋼參數(shù)來(lái)改善電機(jī)磁路分布，減低電流波形畸變率，從而有效降低電機(jī)溫升。本文應(yīng)用Maxwell 2D軟件計(jì)算電機(jī)電磁場(chǎng)，檢驗(yàn)了電機(jī)空載工況的電磁性能。采用典型電機(jī)熱路模型法對(duì)電機(jī)建模，應(yīng)用Motor-CAD軟件對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析。計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明優(yōu)化方案溫升降低約42.17%，驗(yàn)證了該方法的有效性。

特種車(chē)輛永磁同步電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)溫度場(chǎng)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和工業(yè)水平的進(jìn)步，許多行業(yè)對(duì)應(yīng)用于該行業(yè)特定用途的特種工作車(chē)輛需求量也在迅速擴(kuò)大[1,2]。永磁同步電機(jī)(PMSM)憑借其高效率、調(diào)速性能好、控制精度高等優(yōu)勢(shì)在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域發(fā)展十分迅速[3～5]。盡管永磁同步電機(jī)在民用領(lǐng)域的研究相對(duì)成熟，但是對(duì)于性能要求相當(dāng)高的特種車(chē)輛電機(jī)來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)特種車(chē)輛使用的大功率永磁同步電機(jī)的文獻(xiàn)和研究就顯得相當(dāng)有限[6]。電機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重是特種車(chē)載永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)之一，因此研究特種車(chē)載大功率永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)，以及通過(guò)優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)來(lái)改善磁密分布和減少電機(jī)發(fā)熱，對(duì)特種車(chē)輛研究發(fā)展很有幫助，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)都具有十分重要的意義。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)特種車(chē)輛永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)有一定的研究，文獻(xiàn)[6]介紹了特種車(chē)輛永磁同步電機(jī)的基本設(shè)計(jì)流程，提出用電機(jī)電磁場(chǎng)有限元分析方法校驗(yàn)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)方案，但是僅限于電機(jī)初步設(shè)計(jì)，并沒(méi)有對(duì)電機(jī)進(jìn)行深入的優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[7]在流體力學(xué)的基礎(chǔ)上研究了特種車(chē)輛大功率永磁同步電機(jī)溫度場(chǎng)熱分析方法，雖然求解損耗精度很高，但是求解過(guò)程繁瑣，計(jì)算速度慢、難度大。

為了改善電機(jī)磁密分布，降低電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行溫升。本文以一款500 kW的特種車(chē)載永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程為例，首先介紹了基于大功率特種車(chē)載永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)要求和基本原理。然后分析了優(yōu)化后電機(jī)部分電磁參數(shù)計(jì)算結(jié)果。最后對(duì)樣機(jī)和優(yōu)化電機(jī)進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真，制造了優(yōu)化電機(jī)，并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并對(duì)其溫升指標(biāo)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

1 永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

電機(jī)設(shè)計(jì)要依據(jù)給定的設(shè)計(jì)指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求。本文所研究的特種車(chē)載500 kW永磁同步電機(jī)是一種采用雙Y聯(lián)結(jié)方式的三相永磁同步發(fā)電機(jī)，要求電機(jī)冷卻水入口溫度80℃、環(huán)境溫度20℃、水流量60 L/min條件下，最大穩(wěn)態(tài)溫升不超過(guò)125 K，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示：

表1 技術(shù)指標(biāo)參數(shù)

1.2 主要尺寸確定

電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩與永磁同步電機(jī)的主要尺寸之間有如下關(guān)系：

通過(guò)計(jì)算并綜合考慮電機(jī)技術(shù)指標(biāo)，初步確定定子內(nèi)徑為335 mm，定子外徑為450 mm，轉(zhuǎn)子外徑為330 mm，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)選為內(nèi)置V式結(jié)構(gòu)，槽極數(shù)為72槽12極，定子轉(zhuǎn)子材料選擇20SW1200，磁鋼材料選擇smco32，磁鋼厚度為14 mm。

相較于民用車(chē)輛，特種車(chē)輛運(yùn)行環(huán)境要惡劣許多，因此所使用的電機(jī)性能要求更加苛刻。本節(jié)針對(duì)特種車(chē)載電機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)，基于ANSYS軟件對(duì)電機(jī)磁鋼參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，使電機(jī)：1）磁密分布更加合理；2）電動(dòng)勢(shì)波形更加接近正弦波；3）在規(guī)定條件下，電機(jī)穩(wěn)態(tài)溫升下降。

電機(jī)材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠反映出電機(jī)性能的好壞，而磁鋼參數(shù)與電機(jī)各部分的磁密息息相關(guān)，本文通過(guò)改變磁鋼材料和優(yōu)化磁鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)達(dá)到降低電機(jī)諧波含量的效果。本文所優(yōu)化電機(jī)磁鋼結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。優(yōu)化前后電機(jī)參數(shù)變化由表2給出。

表2 優(yōu)化前后磁鋼參數(shù)對(duì)比

1.3 仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化方案是樣機(jī)經(jīng)過(guò)優(yōu)化后選出的最佳方案，優(yōu)化方案空載數(shù)據(jù)如表3所示。

圖1 磁鋼結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)過(guò)Maxwell 2D仿真后，優(yōu)化方案空載磁密分布云圖如圖2所示?？蛰d氣隙磁密波形如圖3所示。

表3 優(yōu)化前后電機(jī)空載仿真數(shù)據(jù)

圖2 優(yōu)化電機(jī)磁密分布云圖

圖3 優(yōu)化電機(jī)氣隙磁密

圖4 空載線電動(dòng)勢(shì)波形

圖5 空載線電動(dòng)勢(shì)傅里葉分解

空載線電動(dòng)勢(shì)波形如圖4所示，空載線電動(dòng)勢(shì)波形傅里葉分解如圖5所示。

2 溫度場(chǎng)分析

2.1 樣機(jī)方案熱模型驗(yàn)證

本熱模型驗(yàn)證采用典型電機(jī)熱路模型法。熱路分析假設(shè)所有熱源和熱阻采用集中熱源和等效熱阻代替，把溫度場(chǎng)簡(jiǎn)化為帶有集中參數(shù)的等效熱路圖進(jìn)行計(jì)算。等效熱路圖中的熱源為繞組的銅耗、鐵芯鐵耗等，損耗所產(chǎn)生的熱量通過(guò)各種相應(yīng)的熱阻，由熱源向冷卻介質(zhì)傳遞，形成一個(gè)如圖6所示的復(fù)雜的熱路。

圖6 樣機(jī)等效熱路圖

根據(jù)負(fù)載試驗(yàn)電流計(jì)算得到銅耗為5 793 W，空載試驗(yàn)鐵耗與機(jī)械耗為5 620 W，其中電機(jī)模型空載仿真鐵耗為2 357 W，剩余機(jī)械損耗按1:1:8分別施加給前/后軸承、風(fēng)磨耗。根據(jù)輸入功率的5‰，500000×0.005=2 500 W，按6:4分別附加給銅/鐵耗。電機(jī)熱路模型損耗設(shè)定如表4所示：

表4 電機(jī)熱路模型損耗設(shè)定

同時(shí)設(shè)定轉(zhuǎn)速：4 200 rpm、冷卻水入口溫度: 20℃、環(huán)境溫度20℃、水流量：60 L/min。最終計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 冷卻水入口溫度20℃樣機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算

樣機(jī)方案溫度場(chǎng)仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如表5所示。

表5 樣機(jī)溫度場(chǎng)仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

由表5可知，仿真結(jié)果與試驗(yàn)值吻合較好，仿真模型能有效反映實(shí)際電機(jī)。

修改冷卻水入口溫度：80℃、環(huán)境溫度20℃、水流量：60 L/min，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

由溫度場(chǎng)仿真結(jié)果可知，繞組溫度最大值為245.3℃，平均溫度為219.2℃，平均溫升為139.2 K。

2.2 優(yōu)化方案溫度預(yù)測(cè)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正得到銅耗為3 564 W，空載試驗(yàn)鐵耗與機(jī)械耗為6 300 W，其中電機(jī)模型負(fù)載仿真鐵耗為3 344 W，剩余機(jī)械耗按1:1:8分別施加給前/后軸承、風(fēng)磨耗。根據(jù)輸入功率的5‰，500000×0.005=2 500 W，按6:4分別附加給銅/鐵耗，優(yōu)化方案電機(jī)熱路模型損耗設(shè)定如表6所示。

同時(shí)設(shè)定轉(zhuǎn)速：3 800 rpm、冷卻水入口溫度：80℃、環(huán)境溫度20℃、水流量：60 L/min。最終計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖8 冷卻水入口溫度80℃樣機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算

表6 優(yōu)化方案電機(jī)熱路模型損耗設(shè)定

圖9 冷卻水入口溫度80℃優(yōu)化電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算

冷卻水入口溫度：80℃，環(huán)境溫度20℃，水流量：60 L/min時(shí)優(yōu)化方案與樣機(jī)方案的溫度場(chǎng)仿真數(shù)據(jù)對(duì)比如表7所示：

表7 優(yōu)化前后溫度場(chǎng)仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

因此，與樣機(jī)方案相比，優(yōu)化方案平均溫升降低了58.7 K，約42.17%，有效降低了繞組溫度。借助樣機(jī)溫度場(chǎng)仿真結(jié)果（冷卻水入口溫度：20℃，環(huán)境溫度20℃，水流量：60 L/min）對(duì)優(yōu)化方案溫度場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，可得樣機(jī)方案與優(yōu)化方案繞組最大溫度和繞組平均溫度對(duì)比數(shù)據(jù)，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 優(yōu)化前后繞組溫度對(duì)比

注：1. 誤差 =（計(jì)算值 /試驗(yàn)值）- 100%

2. 修正值 = 計(jì)算值/（誤差+ 100%）

優(yōu)化方案平均溫升為62.7 K（142.7℃ - 80℃），最大溫升100.2 K（180.2℃ - 80℃），滿足電機(jī)在冷卻水入口溫度：80℃、環(huán)境溫度20℃、水流量：60 L/min條件下，最大穩(wěn)態(tài)溫升不超過(guò)125 K的要求。

2.3 優(yōu)化電機(jī)制造與測(cè)試結(jié)果

按照優(yōu)化方案的尺寸數(shù)據(jù)制造實(shí)體電機(jī)，實(shí)體電機(jī)如圖10所示。

圖10 優(yōu)化電機(jī)實(shí)拍圖

對(duì)電機(jī)相關(guān)性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下：

1）技術(shù)要求空載額定線電壓波形畸變率不大于5%，實(shí)測(cè)為1.07 %，滿足技術(shù)要求。

2）技術(shù)要求電機(jī)在冷卻水入口溫度：80℃、環(huán)境溫度20℃、水流量：60 L/min條件下，最大穩(wěn)態(tài)溫升不超過(guò)125 K，實(shí)測(cè)為100.2 K，滿足技術(shù)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款特種車(chē)載500 kW永磁同步電機(jī)，以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)為目的，通過(guò)改變磁鋼材料和優(yōu)化磁鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終使電機(jī)獲得了理想的磁路分布，減少了電流諧波含量，降低了電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行溫升。

磁鋼材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)對(duì)電機(jī)性能產(chǎn)生重要影響，通過(guò)磁鋼設(shè)計(jì)可以有效改善電機(jī)磁密分布和溫升情況，為電機(jī)工程設(shè)計(jì)提供了參考。

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Optimization design of special automotive 500 kW permanent magnet synchronous motors

Lei Xiong1; Yu Qitao2; Li Chengxu2

（1.Hunan Xiangdian Power Co., Ltd., Xiangtan 411101, Hunan, China; 2.Hunan University., Changsha 410082, China）

TM343

A

1003-4862（2022）09-0061-05

2022-05-26

雷雄(1968-)，男，總經(jīng)理。研究方向：電機(jī)設(shè)計(jì)與制造。E-mail: 2864473250@qq.com