新能源汽車(chē)電子水泵電機(jī)電磁場(chǎng)仿真分析

劉佩森,謝志萍,2,全裕民

(1.成都工業(yè)學(xué)院 智能制造學(xué)院,成都 611730;2.四川省機(jī)械研究設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限公司,成都 610021;3.成都高新區(qū)華匯實(shí)業(yè)有限公司,成都 610095)

汽車(chē)產(chǎn)業(yè)快速變化,新能源汽車(chē)的普及正在加速發(fā)展,相關(guān)技術(shù)的更新也與日俱進(jìn)。在汽車(chē)系統(tǒng)上,為發(fā)動(dòng)機(jī)提供熱平衡以及車(chē)體供水系統(tǒng)的裝置稱(chēng)之為水泵。不同于傳統(tǒng)汽車(chē)使用機(jī)械式水泵,新能源汽車(chē)常使用電子水泵,實(shí)現(xiàn)從驅(qū)動(dòng)到控制的電子化,達(dá)到液體傳輸?shù)目烧{(diào)性和精確性。目前電子水泵的效率通常達(dá)不到35%,其中專(zhuān)用電機(jī)的效率也不足70%[1]。因此,提高水泵電機(jī)效率,進(jìn)而提高電子水泵的工作效率具有現(xiàn)實(shí)意義以及廣闊的市場(chǎng)前景。

合理的電機(jī)設(shè)計(jì),尤其是電磁場(chǎng)的分析與優(yōu)化,對(duì)提升電機(jī)效率有著重要的影響。本文以新能源汽車(chē)電子水泵電機(jī)為研究對(duì)象,聚焦水泵電機(jī)電磁場(chǎng)仿真分析研究,旨在通過(guò)電磁場(chǎng)仿真分析進(jìn)一步優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu),提升電子水泵的工作效率。通過(guò)RMxprt電機(jī)設(shè)計(jì)模塊建立電磁模型,使用ANSYS Maxwell電磁場(chǎng)有限元分析軟件,利用參數(shù)化設(shè)計(jì)與掃描優(yōu)化等方式,進(jìn)行電機(jī)的電磁場(chǎng)仿真,優(yōu)化電子水泵電機(jī)。

1 需求分析

受車(chē)體空間限制,電子水泵使用的電機(jī)一般選用微型特種電機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)微特電機(jī)),一般指直徑小于160 mm且具有特殊性能和用途的電機(jī)[2]。通常微特電機(jī)受制于電機(jī)的體積,造成定子槽規(guī)格小、繞組匝數(shù)少、漆包線(xiàn)線(xiàn)徑較小以及氣隙較細(xì),使得繞組阻值較大、轉(zhuǎn)子切割磁感線(xiàn)有效長(zhǎng)度小、線(xiàn)圈繞組反電勢(shì)較小,從而導(dǎo)致電機(jī)銅損較大,降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換效率。目前電子水泵主要使用永磁直流無(wú)刷電機(jī),具有無(wú)電刷、壽命高和效率高等優(yōu)點(diǎn)[3]。電子水泵主要功能是通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生離心力,將水吸入進(jìn)水口,再?gòu)呐潘谂懦?形成穩(wěn)定流量。其工作原理如圖1所示。

圖1 電子水泵工作原理示意圖

電子水泵并非持續(xù)工作,而是根據(jù)電動(dòng)機(jī)工作熱量,在車(chē)體控制單元規(guī)劃下進(jìn)行啟動(dòng)、停止以及加、減速運(yùn)行。根據(jù)目標(biāo)車(chē)型的需求進(jìn)行電子水泵電機(jī)的設(shè)計(jì),要求電子水泵結(jié)構(gòu)緊湊,具有一定的通用性,最大流量為39 L/min,最大揚(yáng)程不低于9 m。

根據(jù)離心泵軸功率與流量和量程的關(guān)系[4],可初步計(jì)算出需要的泵軸功率:

(1)

式中:ρ=1.1×103kg/m3為冷卻液水基乙二醇的密度;g為重力加速度,m/s2;Q為離心泵流量,m3/s;H為揚(yáng)程,m。

汽車(chē)開(kāi)啟過(guò)程中,電子水泵始終參與冷卻和循環(huán)工作,計(jì)算得到的負(fù)載泵軸功率P應(yīng)該略小于電動(dòng)機(jī)的額定功率PN,確定PN=70 W。在電機(jī)功率一定下,適當(dāng)選擇高轉(zhuǎn)速電機(jī),可減少電機(jī)尺寸,經(jīng)過(guò)水泵流量的測(cè)算,確定電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN=5 500 r/min。

傳統(tǒng)汽車(chē)的電氣系統(tǒng)一般由汽車(chē)12 V電瓶供電,啟動(dòng)后的電瓶電壓在13～14.8 V之間。新能源汽車(chē)易使用調(diào)壓設(shè)備實(shí)現(xiàn)電壓改變。考慮到通用性,確定水泵電機(jī)的額定電壓UN=13 V。綜上所述,初步給出電機(jī)設(shè)計(jì)的基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電機(jī)設(shè)計(jì)基本參數(shù)

2 建立電磁模型

定子和轉(zhuǎn)子是水泵電機(jī)重要的電磁結(jié)構(gòu),由于定子產(chǎn)生的內(nèi)部磁場(chǎng)和漏磁場(chǎng)分布復(fù)雜,轉(zhuǎn)子永磁體性能與理論值的差異較大以及衰變等,致使永磁電機(jī)的計(jì)算誤差一般較大。因此,永磁電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中常采用試探法,初定一些尺寸參數(shù),再利用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及仿真等,確定和優(yōu)化電機(jī)參數(shù)。

結(jié)合水泵電機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),定子采用6槽4級(jí)結(jié)構(gòu),為分?jǐn)?shù)槽電機(jī),可有效提升材料利用率[5]。轉(zhuǎn)子永磁體也稱(chēng)為“磁鋼”,由強(qiáng)磁材料釹鐵硼制成,選磁極數(shù)為4。定子槽型選用梨形槽結(jié)構(gòu),如圖2(左)所示,可以有效減少鐵芯表面損耗和齒內(nèi)脈沖損耗,同時(shí)可布置更多的繞組。初步給出電子水泵電機(jī)電磁參數(shù),見(jiàn)表2。

表2 電機(jī)設(shè)計(jì)電磁部件參數(shù) mm

圖2 定子梨形槽結(jié)構(gòu)和電機(jī)徑向電磁模型

通過(guò)ANSYS Electronics Desktop軟件集成的RMxprt電機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊,建立永磁無(wú)刷直流電機(jī)的電磁模型。根據(jù)實(shí)際情況,作如下選擇,轉(zhuǎn)子位置(Rotor Position)選擇內(nèi)轉(zhuǎn)子(Inner Rotor),定子硅鋼片類(lèi)型選擇“DW310_35”,定子繞組槽(Slot)選擇3號(hào)槽進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì),尺寸參數(shù)如表3所示。電路類(lèi)型(Circuit Type)選為3相Y型連接,繞組層數(shù)(Winding layers)選為2,線(xiàn)圈節(jié)距(Coil Pitch)選為1,線(xiàn)圈材質(zhì)為銅(copper),磁鋼材質(zhì)選為NdFe30。完成后的電機(jī)徑向電磁模型如圖2(右)所示。

表3 電機(jī)定子槽尺寸參數(shù) mm

3 繞組匝數(shù)確定

考慮電機(jī)電磁模型的對(duì)稱(chēng)性以及仿真運(yùn)算的快速有效性,利用建立的電磁模型,創(chuàng)建Maxwell 2D設(shè)計(jì)工程。在研制該型號(hào)水泵時(shí),須確定繞組線(xiàn)圈的匝數(shù),這也是電機(jī)核心參數(shù),直接影響電機(jī)效率。確定“電機(jī)效率最大化”的原則來(lái)確定繞組匝數(shù),借助Maxwell電磁仿真進(jìn)行分析與優(yōu)化。

直流無(wú)刷電機(jī)效能預(yù)估基于“黏性阻尼理論”,將1個(gè)運(yùn)動(dòng)周期分為若干個(gè)狀態(tài),每1個(gè)狀態(tài)角下電路模型等效為“1個(gè)反電勢(shì)串聯(lián)1個(gè)電阻”,電機(jī)電磁效率參考表達(dá)式[6-7]為:

(2)

式中:ηem為電機(jī)電磁效率;Pem為電機(jī)電磁功率;Pin為電機(jī)輸入電功率;ηest為電磁效率估計(jì)值;c2是分母系數(shù);c3是與電感有關(guān)的量。

由式(2)可見(jiàn),電機(jī)效率是一個(gè)多變量復(fù)雜的公式,與鐵芯長(zhǎng)度、磁鋼厚度、氣隙、匝數(shù)和槽、極數(shù)等變量均有關(guān)系[8]。為簡(jiǎn)化仿真分析,使其更有效地反映電機(jī)效率,仿真結(jié)果優(yōu)化采用如下原則:

1)最優(yōu)匝數(shù)電機(jī)產(chǎn)生的線(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)應(yīng)略高于電源電壓。

2)最優(yōu)匝數(shù)電機(jī)產(chǎn)生的電磁力矩接近理論計(jì)算值。

圖3 不同匝數(shù)電機(jī)線(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)變化

再次縮小匝數(shù)取值范圍,將匝數(shù)取48～51匝之間,再次進(jìn)行仿真分析,圖4為電機(jī)線(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)變化。由圖4可知,此時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)差別微小,基本能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,故可初步確定匝數(shù)為49匝。

圖4 繞組匝數(shù)48～51匝電機(jī)線(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)變化

進(jìn)一步分析不同匝數(shù)產(chǎn)生的電磁力矩。

(3)

式中:T為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩;P為電機(jī)輸出功率;n為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速。

由式(3)[9]易得70 W電機(jī)對(duì)應(yīng)電磁轉(zhuǎn)矩應(yīng)該為121.50 mN·m。圖5給出不同匝數(shù)下,電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果?？芍褦?shù)為49匝時(shí),轉(zhuǎn)矩能達(dá)到121.21 mN·m,與理論計(jì)算值很接近。同時(shí)得出,繞組匝數(shù)的提升有助于電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的增高。綜上所述,研制的水泵所用的永磁直流無(wú)刷電機(jī)繞組匝數(shù)確定為49匝。

圖5 不同匝數(shù)電機(jī)產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)矩變化

4 電磁系統(tǒng)仿真

將匝數(shù)49匝代入設(shè)計(jì)參數(shù)中,進(jìn)行電機(jī)電磁系統(tǒng)仿真。首先分析在額定轉(zhuǎn)速5 500 r/min下,水泵電機(jī)的瞬態(tài)磁通密度如圖6所示,圖中給出半個(gè)周期(0,60,120,180°)內(nèi)的磁通密度變化圖。由圖6可知,磁通密度最大值均位于定子齒槽部,槽內(nèi)磁通密度基本均勻分布,最大磁通密度約1.6 T。對(duì)比定子硅鋼片“DW310_35”的磁化曲線(xiàn)(B-H曲線(xiàn)),該電機(jī)的磁通密度均接近于膝點(diǎn)位置。同時(shí)分析水泵電機(jī)的磁力線(xiàn)分布,如圖7所示,磁路的總磁通分為有效磁通和漏磁通[10-11]。有效磁通基本沿鐵芯傳導(dǎo),每對(duì)極的磁通回路均閉合,只有少量磁通通過(guò)鐵芯和氣隙漏磁,磁力線(xiàn)分布較為合理,也說(shuō)明該水泵電機(jī)設(shè)計(jì)合理。

圖6 水泵電機(jī)瞬態(tài)磁通密度仿真

圖7 水泵電機(jī)磁力線(xiàn)仿真

對(duì)于永磁直流無(wú)刷電機(jī),永磁體和定子鐵芯之間相互作用產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)影響電機(jī)速度和控制性能,尤其在低速時(shí)更明顯,因此水泵電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需有效抑制齒槽轉(zhuǎn)矩[12]。合理的電機(jī)結(jié)構(gòu),例如定子槽寬、氣隙距離、極狐寬度、極槽數(shù)等,都能有效降低齒槽轉(zhuǎn)矩[13-14]。通過(guò)Maxwell軟件可以進(jìn)行齒槽轉(zhuǎn)矩仿真,建立0電流激勵(lì)的仿真模型,適當(dāng)調(diào)低電機(jī)轉(zhuǎn)速,進(jìn)一步細(xì)分氣隙域網(wǎng)格尺寸,提高表面剖分密度。圖8給出水泵電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩仿真圖,齒槽轉(zhuǎn)矩均值為-0.006 6 mN·m,接近于0值,進(jìn)一步說(shuō)明該永磁電機(jī)設(shè)計(jì)合理。

圖8 水泵電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩仿真

5 結(jié)果分析

根據(jù)以上電子水泵電機(jī)的電磁場(chǎng)仿真結(jié)果,研制出繞組匝數(shù)為49匝的電機(jī)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù),生產(chǎn)出電子水泵樣機(jī)。該實(shí)例電子水泵電機(jī)的定子部分、轉(zhuǎn)子部分,如圖9所示。

圖9 研制的電子水泵用電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子實(shí)物

對(duì)研制的水泵電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,通過(guò)外觀(guān)檢查、尺寸測(cè)試、噪聲、密封性以及流量測(cè)試,表明研制的水泵電機(jī)均達(dá)到要求。表4給出實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中水泵電機(jī)流量測(cè)試結(jié)果,結(jié)果表明水泵流量均超過(guò)需求的39 L/min。圖10給出水泵電機(jī)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試設(shè)備。隨著新技術(shù)和新材料的持續(xù)改進(jìn),在進(jìn)一步的研究中,可對(duì)水泵電機(jī)進(jìn)行全面的噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度分析,不斷優(yōu)化水泵電機(jī),推進(jìn)輕量化設(shè)計(jì),提升工作效率。

表4 實(shí)驗(yàn)室流量測(cè)試數(shù)據(jù) L/min

圖10 水泵電機(jī)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試設(shè)備