純電動(dòng)重卡用永磁同步電機(jī)性能仿真分析

楊 寧，路星星，雷俊鵬，張 超，燕 婷，李峻輝

純電動(dòng)重卡用永磁同步電機(jī)性能仿真分析

楊 寧，路星星，雷俊鵬，張 超，燕 婷，李峻輝

（陜西重型汽車(chē)有限公司 汽車(chē)工程研究院，陜西 西安 710200）

為進(jìn)一步提高純電動(dòng)重卡用永磁同步電機(jī)的輸出性能，針對(duì)所設(shè)計(jì)的初步電磁方案，建立Motor-CAD電機(jī)電磁仿真模型，通過(guò)E-mag模塊與Terminal模塊進(jìn)行磁熱耦合仿真，并通過(guò)Lab模塊仿真全工況區(qū)域進(jìn)行磁熱耦合仿真，在理論分析的基礎(chǔ)上對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)、定子齒槽結(jié)構(gòu)以及裂比對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩性能的影響進(jìn)行了仿真研究，計(jì)算了不同電流和不同散熱條件下電機(jī)的損耗，最終得出了電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩優(yōu)化措施以及電機(jī)損耗規(guī)律。

純電動(dòng)重卡；永磁同步電機(jī)；定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；輸出轉(zhuǎn)矩；優(yōu)化措施；電機(jī)損耗

永磁同步電機(jī)由于其高功率密度高效率特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于純電動(dòng)重卡領(lǐng)域。純電動(dòng)重卡用永磁同步電機(jī)典型特點(diǎn)是大功率、大扭矩，為提高輕量化和經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)，純電動(dòng)重卡電機(jī)越來(lái)越追求高扭矩密度和高效率[1]。

目前國(guó)內(nèi)人員對(duì)永磁電機(jī)優(yōu)化做了很多研究。文獻(xiàn)[2]主要研究了電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)各次諧波幅值及含量隨永磁體極弧系數(shù)、寬度以及厚度三者的變化規(guī)律，計(jì)算得到磁鋼尺寸最優(yōu)方案，此時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值高且諧波含量少。文獻(xiàn)[3]研究了不同轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)下電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、最大工作電流、效率等性能對(duì)比，結(jié)果表明，當(dāng)追求電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度時(shí)，純電動(dòng)車(chē)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)可以選擇U型，當(dāng)同時(shí)追求轉(zhuǎn)矩密度以及弱磁擴(kuò)速能力時(shí)，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)可以選擇V型以及弧型。文獻(xiàn)[4]提出一種新型表面-內(nèi)置式永磁同步電機(jī)，研究了內(nèi)置永磁體體積和表面永磁體體積的比值、永磁體的形狀對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和力能指標(biāo)的影響，以及內(nèi)外永磁體體積比值和永磁體形狀的關(guān)系。

本文將利用Motor-CAD軟件建立電機(jī)仿真模型，通過(guò)參數(shù)化仿真分析，研究電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)矩性能的影響，以及電機(jī)效率分布。

1 電機(jī)仿真建模

1.1 電機(jī)主要尺寸關(guān)系式

永磁同步電機(jī)電磁負(fù)荷和主要尺寸的關(guān)系為

式中，為電磁功率，kW；α為計(jì)算極弧系數(shù)；B為氣隙磁場(chǎng)波形系數(shù)；dp為繞組系數(shù)；D1為定子內(nèi)徑，m；1為鐵芯軸向長(zhǎng)度，m；為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；1為定子電負(fù)荷，A/m；B為氣隙磁密，T。

可知，當(dāng)電磁負(fù)荷一定時(shí)，轉(zhuǎn)速越大，電機(jī)尺寸越小；當(dāng)功率、轉(zhuǎn)速一定時(shí)，電磁負(fù)荷越大，電機(jī)尺寸越小。因此，為提高功率密度，條件允許情況下，需使電磁負(fù)荷盡量大。

1.2 電機(jī)初步電磁方案

根據(jù)整車(chē)性能需求、逆變器技術(shù)條件、環(huán)境條件等確定電機(jī)性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)得到的初步電磁方案如表1所示，以及Motor-CAD電機(jī)仿真模型如圖1所示。

表1 電機(jī)初始電磁方案

圖1 410 kW、2 800 Nm電機(jī)電磁仿真模型

2 輸出轉(zhuǎn)矩

2.1 原理

由內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的磁鏈方程可得出電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為

e=(dq-qd)=[fq+(d-q)dq] （2）

式中，e為電磁轉(zhuǎn)矩；為極對(duì)數(shù)；f為空載永磁磁鏈；d為直軸磁鏈；d、q分別為直、交軸電流；d、q分別為直、交軸電感。

對(duì)于內(nèi)置式永磁同步電機(jī)，其電磁轉(zhuǎn)矩由永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩兩部分組成。因此，優(yōu)化電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩必須通過(guò)優(yōu)化永磁轉(zhuǎn)矩或磁阻轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)。

由式（2）可知，永磁轉(zhuǎn)矩隨空載永磁磁鏈f、軸電流q的增大而增大；磁阻轉(zhuǎn)矩分量受、軸電感差值和、軸電流乘積的影響，由于、軸電流受到逆變器功率模塊的限制，因此，、軸電感差值越大，磁阻轉(zhuǎn)矩分量將越大[5]。

電流一定的情況下，永磁磁鏈和、軸電感與定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系，因此，本節(jié)將主要分析電機(jī)定轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的影響。

2.2 電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響

2.2.1轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響

圖2為本電機(jī)采用的V型磁鋼轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，Motor-CAD仿真模型中轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)主要由相鄰兩V型磁鋼之間的距離、磁鋼V型夾角以及永磁體厚度和永磁體寬度決定。

圖2 V型磁鋼轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1.相鄰兩V型磁鋼之間的距離

永磁體尺寸及V型夾角不變，改變。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 輸出扭矩和齒槽轉(zhuǎn)矩隨相鄰兩極永磁體間距的關(guān)系

可知，在永磁體尺寸（10×23）mm、V型夾角130o的條件下，隨著相鄰兩極永磁體之間距離的增大，電機(jī)輸出扭矩先增大而后略有減小，齒槽轉(zhuǎn)矩也會(huì)有較大波動(dòng)，設(shè)計(jì)過(guò)程中需要綜合考慮。這是由于永磁體磁力線越來(lái)越集中于軸，導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩增大，但過(guò)大后永磁體用量也會(huì)變少，輸出轉(zhuǎn)矩將會(huì)下降。

2.磁鋼V型夾角

保持和永磁體尺寸不變，改變磁鋼夾角。仿真結(jié)果如圖4所示，隨著永磁體V角的增大，電機(jī)輸出扭矩大致呈增大的趨勢(shì)，齒槽轉(zhuǎn)矩大致呈減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著的增大，永磁體越來(lái)越接近氣隙，使得氣隙磁場(chǎng)增大，輸出扭矩增大，齒槽轉(zhuǎn)矩減小。

3.永磁體尺寸

永磁電機(jī)勵(lì)磁磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大小會(huì)受到永磁體尺寸的影響，由于永磁體材料成本較高，因此，設(shè)計(jì)中也需要綜合考慮永磁體的利用率，本節(jié)將主要研究電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和永磁體利用率隨永磁體厚度及永磁體寬度的變化趨勢(shì)。

圖4 輸出扭矩和齒槽轉(zhuǎn)矩隨磁鋼夾角的關(guān)系

分別改變永磁體厚度和永磁體寬度，仿真結(jié)果如圖5所示，增加永磁體厚度和寬度均能提高輸出轉(zhuǎn)矩，但永磁體利用率卻逐漸降低，且從永磁體利用率方面考慮，增加永磁體厚度使永磁體利用率降低更明顯。

圖5 輸出扭矩和永磁體利用率隨永磁體尺寸的變化關(guān)系

2.2.2定子齒槽結(jié)構(gòu)對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響

圖6為定子齒槽結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D，電機(jī)定子內(nèi)外徑不變的情況下，定子齒槽結(jié)構(gòu)主要由齒寬和槽深決定。

圖6 定子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

改變齒寬，掃描仿真不同電流下電機(jī)最大輸出扭矩及電機(jī)磁密分布圖，結(jié)果如圖7和圖8所示。

可知，在給定電流幅值下，電機(jī)所能輸出的最大電磁轉(zhuǎn)矩隨定子齒寬的增大而增大。這是由于隨著定子齒寬的增大，通過(guò)鐵芯齒部的磁力線飽和程度逐漸減弱，磁力線通過(guò)齒部的磁阻逐漸減小，從而導(dǎo)致氣隙磁密增強(qiáng)，使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩越來(lái)越大。但是，齒部寬度也不能太大，否則電機(jī)槽內(nèi)空間太小，電流密度較高，銅耗較大，發(fā)熱嚴(yán)重，效率降低，且繞組裝配難度升高；如圖7所示，當(dāng)電機(jī)齒寬增加到一定值后，相同電流下對(duì)應(yīng)的電機(jī)所能輸出的最大電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o法繼續(xù)增大，因此，設(shè)計(jì)中需要綜合考慮電密以及輸出轉(zhuǎn)矩，選擇合適的齒寬。

圖7 不同齒寬下輸出扭矩隨電流的關(guān)系

改變槽深，掃描仿真不同電流下電機(jī)最大輸出扭矩，結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同槽深下輸出扭矩隨電流的關(guān)系

可發(fā)現(xiàn)當(dāng)定子槽深增加軛部厚度減小時(shí)，在給定一電流下電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩逐漸增大，但相比齒寬增加時(shí)變化較為平緩，由圖8電機(jī)磁密分布隨齒寬的變化和圖10電機(jī)磁密分布隨槽深的變化也可得出，定子齒寬變小時(shí)更容易發(fā)生磁場(chǎng)飽和，使定子鐵芯磁密降低；同理，隨著定子槽深的減小，通過(guò)鐵芯軛部的磁力線飽和程度逐漸減弱，磁力線通過(guò)軛部的磁阻逐漸減小，從而導(dǎo)致氣隙磁密增強(qiáng)，使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩越來(lái)越大，電機(jī)動(dòng)力性能提高。

如圖11所示，在一定電流下，改變定子槽深時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨槽深的減小近似呈線性增大。同理，定子槽深也不能太小，否則電機(jī)槽內(nèi)空間太小，電流密度較高，發(fā)熱嚴(yán)重，效率降低，且繞組裝配難度升高，因此，設(shè)計(jì)過(guò)程中需要綜合考慮電密以及輸出轉(zhuǎn)矩，選擇合適的定子槽深。

圖11 一定電流下電機(jī)最大輸出扭矩隨槽深的變化關(guān)系

2.2.3電機(jī)裂比對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響

電機(jī)裂比即定子內(nèi)徑與定子外徑的比值，可知電機(jī)定子外徑不變時(shí)，裂比越大，定子內(nèi)徑越大。

改變定子裂比，仿真結(jié)果如圖12所示，在一定電流下電機(jī)輸出扭矩隨裂比逐漸增大，這是由于隨著裂比的增大，定子內(nèi)徑逐漸增大，氣隙磁場(chǎng)交換面積增大，使得電機(jī)輸出能力增強(qiáng)。

但裂比也不宜過(guò)大，否則定子槽面積越來(lái)越小，使得電密增大，溫升增大，且對(duì)定子加工工藝也造成了一定挑戰(zhàn)。

圖12 一定電流下電機(jī)輸出扭矩隨裂比的變化關(guān)系

2.3 小結(jié)

綜上所述，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)受到轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)、定子齒槽結(jié)構(gòu)和裂比的影響。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)的仿真研究可知，隨著相鄰兩V型磁鋼之間的距離的增大，電機(jī)輸出扭矩前期逐漸增大，增大到一定值后開(kāi)始減??；磁極V角增大時(shí)，永磁體越來(lái)越接近氣隙，也會(huì)使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩增大；增加永磁體的寬度和厚度均會(huì)使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩能力增強(qiáng)，且從永磁體利用率考慮，增加永磁體厚度使永磁體利用率降低更明顯。另外也對(duì)定子齒寬和槽深做了仿真研究，結(jié)果表明，在保證加工工藝散熱的條件下，定子齒寬越大，槽深越小，電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能力越強(qiáng)。此外，通過(guò)增大電機(jī)裂比，可以增大氣隙磁場(chǎng)交換面積，從而增大電機(jī)輸出扭矩。

3 效率

3.1 理論分析

效率和損耗息息相關(guān)，針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)用電機(jī)，效率計(jì)算公式為

由式（3）可知，提高效率共有兩種途徑：減小電機(jī)各項(xiàng)損耗和提高電機(jī)輸出功率[7]。

對(duì)于永磁同步電機(jī)，損耗主要由鐵損、銅損、磁鋼渦流損耗和機(jī)械損耗組成，其中鐵損和銅損占比最大，本文主要對(duì)鐵損和銅損進(jìn)行分析。

3.1.1鐵損分析

鐵心損耗是由于鐵心內(nèi)存在交變磁場(chǎng)或脈動(dòng)磁場(chǎng)而產(chǎn)生的功率損耗，且鐵心損耗由三部分組成，分別是渦流損耗、磁滯損耗以及附加損耗。單位時(shí)間體積下的鐵芯損耗可以按照式（4）計(jì)算

式中，為材料電導(dǎo)率，S/m；為疊片厚度，m；()為磁場(chǎng)密度峰值，T；e為附加損耗系數(shù)；h為磁滯損耗系數(shù)。

式中三項(xiàng)分別為單位時(shí)間體積內(nèi)的渦流損耗、磁滯損耗以及附加損耗。根據(jù)式（4）可計(jì)算出瞬時(shí)的鐵芯損耗密度，將其與體積相乘，并對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，就得到了總鐵耗[7]。

3.1.2銅損分析

對(duì)于常規(guī)圓線電機(jī)，電機(jī)運(yùn)行時(shí)交流銅耗很小，電機(jī)總銅耗可用直流銅耗來(lái)表示，即電機(jī)內(nèi)銅耗隨定子電流的平方和電阻成正比變化，可按式（5）計(jì)算。

P=32（5）

式中，P為繞組銅耗，W；為相電流有效值，A；為繞組相電阻，W。

3.2 影響因素分析

根據(jù)上述理論分析，電機(jī)損耗對(duì)效率有很大的影響，而電機(jī)鐵損和銅損在總損耗中占比最大，因此，本節(jié)將在不同電流和不同散熱條件下對(duì)電機(jī)損耗和效率進(jìn)行仿真研究。

3.2.1電流對(duì)損耗的影響

在額定轉(zhuǎn)速下，改變電機(jī)繞組電流，仿真得到電機(jī)損耗如圖13所示，隨著電流的增大，鐵損略微增大，而銅損則呈指數(shù)增大，且在某一工作電流下電機(jī)鐵損和銅損相等，而該工作電流在額定電流（359 Arms）附近，即在額定工況附近電機(jī)鐵損和銅損相等。

圖13 電機(jī)損耗隨電流的變化關(guān)系

圖14為不同電流下仿真得到的電機(jī)效率，可知在額定電流即額定工況附近電機(jī)效率最大，其余工況效率逐漸降低。

圖14 電機(jī)效率隨電流的變化關(guān)系

3.2.2散熱條件對(duì)損耗的影響

對(duì)于一設(shè)計(jì)好的電機(jī)來(lái)說(shuō)，電機(jī)散熱主要受冷卻液入口流速和入口溫度的影響。保持冷卻液入口流速在25 L/min，改變電機(jī)冷卻水入口溫度，對(duì)電機(jī)損耗和效率進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖15和圖16所示?？芍S冷卻條件的變差，電機(jī)損耗逐漸增大，效率也略有減小。

圖15 電機(jī)損耗隨冷卻水入口溫度的變化

圖16 電機(jī)效率隨冷卻水入口溫度的變化

3.3 小結(jié)

綜上所述，電機(jī)總損耗中鐵損和銅損占絕大部分，電流對(duì)銅損影響最大，在電機(jī)額定工況附近，存在銅損和鐵損相等，且電機(jī)最高效率也處于額定工況點(diǎn)附近。同樣，電機(jī)散熱條件主要對(duì)銅損有影響，對(duì)鐵損的影響則幾乎可忽略不計(jì)，電機(jī)散熱變差時(shí)，銅損的增大會(huì)使效率略微下降。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款大功率大扭矩永磁同步電機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了有限元仿真分析，研究了轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)、定子齒槽結(jié)構(gòu)和裂比對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的影響，分析了不同電流和不同散熱條件下電機(jī)的損耗散熱規(guī)律。結(jié)果表明：

（1）增大兩V型磁極間距離和增大磁極V角均可有效增強(qiáng)電機(jī)扭矩輸出能力，且通過(guò)增大磁鋼尺寸來(lái)增加永磁體用量也可增大電機(jī)輸出扭矩；此外，通過(guò)仿真可知，增加定子齒寬和減小定子槽深也可使電機(jī)輸出扭矩增大；另外，通過(guò)增大電機(jī)裂比來(lái)增大氣隙磁場(chǎng)交換面積也可有效優(yōu)化電機(jī)扭矩輸出能力。

（2）電流大小和散熱條件好壞均對(duì)電機(jī)損耗有影響，電機(jī)銅耗隨電流增大而增大，電流一定時(shí)，存在一電流角使電機(jī)損耗最??；總損耗隨散熱條件變差而增大。

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Analysis on Performance Simulation of Permanent Magnet Synchronous Motor for Pure Electric Heavy Truck

YANG Ning, LU Xingxing, LEI Junpeng, ZHANG Chao, YAN Ting, LI Junhui

( Automotive Engineering Research Institute, Shaanxi Heavy Duty Automobile Company Limited,Xi'an 710200, China )

In order to further improve the output performance of permanent magnet synchronous motor for pure electric heavy truck, the electromagnetic simulation model of Motor-CAD motor was established according to the designed preliminary electromagnetic scheme. The magneto-thermal coupling simulation was carried out through E-mag module and Terminal module, and the whole working condition area was simulated by Lab module. On the basis of theoretical analysis, the influence of the motor rotor pole structure, the stator groove structure and the split ratio on the output torque performance was simulated. The loss of the motor under different currents and different heat dissipation conditions was calculated. Finally, the optimization measures of the motor electro- magnetic torque and the motor loss rule were obtained.

Pure electric heavy truck; Permanent magnet synchronous motor; Stator and rotor structure; Output torque; Optimization measures; Motor loss

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.023.002

U469.72

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楊寧（1996—），女，碩士，研究方向?yàn)榧冸妱?dòng)商用車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用，E-mail: yangn 1006@163.com。