新能源汽車(chē)用高功率密度驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)方法

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上新能源汽車(chē)用高功率密度驅(qū)動(dòng)電機(jī)研究大量研究表明，汽車(chē)能量損耗與汽車(chē)質(zhì)量成正比關(guān)系，汽車(chē)輕量化是降低新能源汽車(chē)能量損耗，提高行駛里程的重要手段。新能源純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常占汽車(chē)總質(zhì)量的30%-40%，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輕量化是整車(chē)輕量化的重點(diǎn)之一。汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)是新能源汽車(chē)的核心驅(qū)動(dòng)部件，需要在有限的布置空間內(nèi)，滿足汽車(chē)各個(gè)工況的動(dòng)力性要求，因此在更小的空間內(nèi)，設(shè)計(jì)高效、安全、可靠的高功率密度電機(jī)，是實(shí)現(xiàn)電機(jī)輕量化，降低汽車(chē)能量損耗，需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題。電機(jī)功率密度的提高一般采用兩用途徑：1）提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度；2）電機(jī)高速化，從這兩種途徑出發(fā)，本文針對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)

2、計(jì)、電機(jī)材料選擇、電機(jī)損耗與溫升以及電機(jī)振動(dòng)噪聲，四個(gè)方面對(duì)實(shí)現(xiàn)電機(jī)輕量化，提高電機(jī)功率密度和體積密度，進(jìn)行分析。1 電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.1 車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)流程電動(dòng)汽車(chē)性能的優(yōu)劣，取決于核心部件驅(qū)動(dòng)電機(jī)是電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)。電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究是電動(dòng)汽車(chē)研究領(lǐng)域最重要的方向之一。電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電機(jī)的性能要求是：基速以下具有恒轉(zhuǎn)矩特性和較高的轉(zhuǎn)矩過(guò)載倍數(shù)，以適應(yīng)快速起動(dòng)、加速、負(fù)荷爬坡、頻繁起停等要求；基速以上具有寬范圍的恒功率特性和較大的弱磁擴(kuò)速比，以適應(yīng)最高車(chē)速和超車(chē)等要求；在大部分運(yùn)行范圍內(nèi)效率最優(yōu)化，以節(jié)約能源。車(chē)用新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)具有整車(chē)預(yù)留布置空間小，工作環(huán)境極其惡劣的特點(diǎn)，在新能源電動(dòng)轎

3、車(chē)設(shè)計(jì)中該特點(diǎn)表現(xiàn)尤為明顯。傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電機(jī)設(shè)計(jì)方法難以滿足電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的復(fù)雜要求，不能很好地顯示出電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特點(diǎn)。因此，在車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)該充分考慮過(guò)載倍數(shù)、弱磁擴(kuò)速比、高效區(qū)等電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特征設(shè)計(jì)參數(shù)，針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的不同運(yùn)行工況對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)所帶來(lái)的影響進(jìn)行分析和優(yōu)化。另外，在新能源轎車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)中，還應(yīng)該按照?qǐng)D1所示的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)。根據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）的性能要求，首先借助于設(shè)計(jì)軟件對(duì)電機(jī)的幾何形狀、尺寸及材料選擇進(jìn)行初始設(shè)計(jì)得到設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)有限元方法進(jìn)行性能預(yù)測(cè)計(jì)算。性能預(yù)測(cè)計(jì)算、性能評(píng)估和參數(shù)設(shè)計(jì)之間需要反復(fù)重新計(jì)算直到找到最優(yōu)設(shè)計(jì)，最后通過(guò)

4、樣機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析和驗(yàn)證。圖1. 永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)流程1.2 電機(jī)定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1）長(zhǎng)徑比選擇在電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，隨著電機(jī)長(zhǎng)徑比的增加，體積增大，轉(zhuǎn)子體積不變，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低，電機(jī)用銅量增加。由于整車(chē)設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置空間有限，在滿足整車(chē)空間布局的條件下，綜合電機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間的要求，合理選擇電機(jī)長(zhǎng)徑比，提高電機(jī)功率密度。在電機(jī)設(shè)計(jì)輸入條件下，定子鐵芯外徑與電機(jī)鐵芯長(zhǎng)度之間的關(guān)系曲線如圖2所示；電機(jī)轉(zhuǎn)子外徑與電機(jī)鐵芯長(zhǎng)度之間的關(guān)系曲線如圖3所示；電機(jī)體積與電機(jī)鐵芯長(zhǎng)度之間的關(guān)系曲線如圖4所示；電機(jī)每槽有效體積與電機(jī)鐵芯長(zhǎng)度關(guān)系曲線如圖5所示。圖2. 電機(jī)外徑與電機(jī)鐵芯

5、長(zhǎng)度關(guān)系曲線圖3. 電機(jī)定子內(nèi)徑與電機(jī)鐵芯長(zhǎng)度關(guān)系曲線圖4. 電機(jī)體積與電機(jī)鐵芯長(zhǎng)度關(guān)系曲線圖5. 電機(jī)每槽有效體積與電機(jī)鐵芯長(zhǎng)度關(guān)系曲線在整車(chē)設(shè)計(jì)過(guò)程中，永磁同步電機(jī)預(yù)留布置空間尺寸為： ，為減小電機(jī)用銅量，降低電機(jī)成本，降低電機(jī)體積，同時(shí)考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果，電機(jī)定子外徑設(shè)計(jì)為：235 mm，鐵芯長(zhǎng)度為160 mm，定子內(nèi)徑為160 mm。2）極對(duì)數(shù)選擇在電機(jī)槽極比不變的情況下，隨著電機(jī)極對(duì)數(shù)的增加，電機(jī)定子鐵芯軛部用鐵量減小，電機(jī)體積減小，并由于定子絕緣材料的增加，電機(jī)體積減小速度逐漸下降，永磁同步電機(jī)定子外徑與電機(jī)極對(duì)數(shù)之間的關(guān)系曲線，如圖6所示。圖6. 電機(jī)定子外徑與電機(jī)極對(duì)數(shù)關(guān)

6、系曲線另外，隨著電機(jī)極對(duì)數(shù)的增加，電機(jī)輸入電流頻率增加，電機(jī)鐵耗增加，效率降低，同時(shí)提高了對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)和電機(jī)散熱系統(tǒng)的要求，在高速電機(jī)設(shè)計(jì)中，電機(jī)極對(duì)數(shù)一般選擇較小。根據(jù)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和電機(jī)溫升系統(tǒng)仿真以及樣機(jī)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在控制器輸出頻率、電機(jī)溫升限值、效率允許范圍內(nèi)，合理選擇電機(jī)極對(duì)數(shù)，能夠適當(dāng)提高電機(jī)功率密度。從圖6中，可以看到在電機(jī)極對(duì)數(shù)小于5時(shí)，電機(jī)定子外徑隨電機(jī)極對(duì)數(shù)變化劇烈，而在極對(duì)數(shù)大于5之后，定子外徑變化緩慢，由于電機(jī)采用高速低轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)，為滿足控制系統(tǒng)有效電流輸出頻率，同時(shí)減低電機(jī)中的鐵耗，選擇電機(jī)極對(duì)數(shù)為4。3）槽極比選擇 在電機(jī)設(shè)計(jì)中，隨著槽極比的增加，電機(jī)定子內(nèi)徑不

7、變，由于槽內(nèi)絕緣體積增加，電機(jī)外徑增加，電機(jī)體積變大，端部用銅增加，電機(jī)質(zhì)量增加，但是電機(jī)繞組磁動(dòng)勢(shì)正弦度增加，電機(jī)紋波轉(zhuǎn)矩降低，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減小，鐵耗降低，同時(shí)繞組反電勢(shì)正弦度提高，諧波含量降低，但是基波繞組因數(shù)降低，電機(jī)輸出扭矩降低。電機(jī)每極每相槽數(shù)與電機(jī)定子外徑之間的關(guān)系曲線如圖7所示。合理選擇電機(jī)槽極比，調(diào)整電機(jī)效率和外特性。圖7. 電機(jī)每極每相槽數(shù)與電機(jī)外徑關(guān)系曲線隨著電機(jī)槽極比的增加，電機(jī)定子齒部寬度減小，定子齒部寬度與電機(jī)每極每相槽數(shù)之間的關(guān)系曲線如圖8所示，由于在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、電磁徑向力會(huì)導(dǎo)致電機(jī)振動(dòng)，定子齒部過(guò)窄會(huì)導(dǎo)致定子齒部機(jī)械強(qiáng)度過(guò)差，從而導(dǎo)致定子齒部斷折。另外，每

8、極每相槽數(shù)的增加，會(huì)造成定子制造成本大幅增加，影響電機(jī)經(jīng)濟(jì)性，定子繞組繞線困難，同時(shí)為定子槽口寬度優(yōu)化，減小電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增加限制，從圖8也可以看到，隨著每極每相每相槽數(shù)增加，電機(jī)定子齒部變化劇烈，因此選擇電機(jī)每極每相槽數(shù)為2。圖8. 電機(jī)定子齒部寬度與電機(jī)每極每相槽數(shù)關(guān)系曲線4）電負(fù)荷選擇在電機(jī)熱負(fù)荷一定的情況下，電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中隨著電負(fù)荷的增加，電機(jī)轉(zhuǎn)子體積減小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低，定子外徑先減小后增加，同時(shí)電機(jī)用銅量不斷增加。因此，應(yīng)該合理選擇電機(jī)電負(fù)荷，綜合電機(jī)鐵芯質(zhì)量和用銅量，實(shí)現(xiàn)電機(jī)質(zhì)量最優(yōu)化，提高電機(jī)功率密度。電機(jī)定子外徑與電負(fù)荷關(guān)系曲線如圖9所示，定子內(nèi)徑與電負(fù)荷關(guān)系曲線如圖10所示，電

9、機(jī)每槽有效面積電負(fù)荷關(guān)系曲線如圖11所示。圖9. 繞組電密與電機(jī)定子外徑關(guān)系曲線圖10. 繞組電密與電機(jī)定子內(nèi)徑關(guān)系曲線圖11. 繞組電密與電機(jī)每槽有效面積關(guān)系曲線5）繞線纏繞方式選擇合理選擇繞線纏繞方式，減小電機(jī)端部繞線長(zhǎng)度，減小電機(jī)長(zhǎng)度和用銅量，降低電機(jī)銅損，提高電機(jī)效率，從而減小電機(jī)長(zhǎng)度，減小電機(jī)體積，降低電機(jī)質(zhì)量，進(jìn)而較大幅度提高電機(jī)功率密度。合理選擇電機(jī)繞組纏繞方式，能夠提高定子繞組磁勢(shì)正弦度，減小定子磁勢(shì)諧波含量，降低由定子繞組引起的電機(jī)鐵耗和電機(jī)紋波轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)效率，減小電機(jī)振動(dòng)與噪聲。另外，合理選擇電機(jī)繞組纏繞方式能夠提高電機(jī)凸極慮，提高磁阻轉(zhuǎn)矩，減小繞組電流，降低電機(jī)銅耗，

10、提高電機(jī)效率。集中式繞組每相線圈只跨過(guò)一個(gè)齒距，不與其它相繞組，與傳統(tǒng)繞組相比，能夠大幅度減小電機(jī)端部長(zhǎng)度，但是繞組散熱性能差，磁動(dòng)勢(shì)諧波含量高，并且與分布式繞組相比，集中式繞組電機(jī)凸極率小，磁阻轉(zhuǎn)矩小，繞組電流大。在高速低轉(zhuǎn)矩電機(jī)設(shè)計(jì)中，電機(jī)轉(zhuǎn)速高，繞組電流頻率也高，集中繞組設(shè)計(jì)會(huì)減小電機(jī)效率云圖高效區(qū)比例，因此選擇分布式繞組。集中式繞組和分布式繞組定子截面圖，如圖11所示。圖11. 集中繞組和分布式繞組定子截面圖正弦繞組通過(guò)不等距不等匝同心式分布繞組，能夠提高電機(jī)定子磁勢(shì)正弦度，減小定子諧波含量，降低電機(jī)紋波轉(zhuǎn)矩，同時(shí)能夠減小電機(jī)端部用銅，減小電機(jī)銅損和端部漏抗，提高電機(jī)性能并降低電機(jī)制造

11、成本。但是在本設(shè)計(jì)中電機(jī)每極每相槽數(shù)為2，且正弦繞組在實(shí)際纏繞過(guò)程中每槽線圈元件數(shù)必須取整數(shù)，因此對(duì)本電機(jī)來(lái)說(shuō)在正弦繞組和傳統(tǒng)短距分布繞組相比對(duì)電機(jī)性能的影響效果很小，并且正弦繞組繞線和短距分布繞組相比纏繞方式復(fù)雜，因此本設(shè)計(jì)中電機(jī)繞組纏繞方式仍選擇傳統(tǒng)正弦分布繞組，同時(shí)為減少電機(jī)磁勢(shì)諧波分量，采用星形連接方式。本電機(jī)繞組分布展開(kāi)圖，如圖12所示。圖12. 繞組展開(kāi)圖6）定子槽開(kāi)口寬度選擇在電機(jī)設(shè)計(jì)中，槽口寬度的存在使得定子與永磁體磁場(chǎng)之間的有效氣隙發(fā)生極大變化，進(jìn)而使氣隙磁導(dǎo)發(fā)生劇烈變化，影響永磁同步電機(jī)的漏電感，使氣隙磁密表現(xiàn)出鋸齒狀波形，從而產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，使得電機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩

12、脈動(dòng)及噪音，影響了新能源汽車(chē)的乘坐舒適性。利用電磁仿真軟件對(duì)電機(jī)槽口寬度進(jìn)行參數(shù)化掃描。隨著定子槽開(kāi)口寬度增加，電機(jī)等效氣隙長(zhǎng)度增加，繞組漏電感減小，電機(jī)氣隙磁密減小，電機(jī)凸極率減小，磁阻轉(zhuǎn)矩利用率降低，弱磁效果降低，電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度降低。但是定子槽開(kāi)口寬度過(guò)小，電機(jī)繞組嵌線困難，在不影響電機(jī)嵌線的基礎(chǔ)上適當(dāng)減小定子槽開(kāi)口寬度，有利于電機(jī)功率密度的提高。另外，合理選擇電機(jī)定子槽開(kāi)口寬度，能夠在一定程度上，減小電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩，降低電機(jī)震動(dòng)與噪聲。電機(jī)漏電感與定子槽口寬度關(guān)系曲線如圖13所示，槽口寬度與氣隙磁密及峰值額定功率之比關(guān)系曲線如圖14所示，槽口寬度與交直軸電感值及其比值關(guān)系曲線如圖15所示。電

13、機(jī)的氣隙磁密和峰值功率額定功率之比在槽口寬度大于2時(shí)都比較大；漏電感隨著槽口寬度的增加而降低，并且在槽口寬度為 2.5 mm 之后基本上降到較低水平并且隨著槽口寬度的增加基本趨于穩(wěn)定；另外槽口寬度對(duì)交軸電感和凸極率的影響也是比較大，但對(duì)直軸電感的影響比較小，但這三個(gè)量都是隨槽口寬度的增加呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。再?gòu)挠来磐诫姍C(jī)裝配工藝的角度來(lái)考慮，槽口寬度應(yīng)該是選擇大一點(diǎn)。綜合以上各方面因素分析之后，永磁同步電機(jī)的定子槽口寬度選擇為 2.4 mm。圖13. 定子槽口寬度與漏電感關(guān)系曲線圖14. 槽口寬度與氣隙磁密及峰值額定功率之比關(guān)系曲線圖15. 槽口寬度與交直軸電感值及其比值關(guān)系曲線7）定子槽型選

14、擇在電機(jī)定子槽型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)使得電機(jī)定子磁路磁阻最優(yōu)化，定子磁路不存在磁密奇點(diǎn)，永磁體工作點(diǎn)在電機(jī)運(yùn)行工況范圍內(nèi)位于最優(yōu)工作點(diǎn)附近。同時(shí)，定子槽型選擇，應(yīng)利于電機(jī)嵌線，方便電機(jī)批量化生產(chǎn)。為均衡定子軛部各位置磁密，形成均勻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，改善軛部和齒部與軛部交接處磁路，并方便嵌放成型繞組，旋轉(zhuǎn)半開(kāi)口梯形槽設(shè)計(jì)，定子槽型如圖16所示，電機(jī)磁密分布圖如圖17所示。圖16. 定子槽型結(jié)構(gòu)圖圖17. 電機(jī)磁密分布圖1.2 電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1）電機(jī)氣隙長(zhǎng)度選擇電機(jī)氣隙長(zhǎng)度在極大程度上影響電機(jī)的性能、可靠性、裝配難度和制造成本。從永磁同步電機(jī)電磁性能上來(lái)說(shuō)，氣隙長(zhǎng)度越小，電機(jī)功率因數(shù)變大，電機(jī)效率增加，轉(zhuǎn)矩密

15、度增加，電機(jī)弱磁調(diào)速范圍變寬。但是氣隙磁場(chǎng)諧波分量增加，電機(jī)容易產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，同時(shí)電機(jī)雜散損耗增大，如果氣隙長(zhǎng)度過(guò)小，就很難保證電機(jī)運(yùn)行時(shí)的同軸度，在電機(jī)運(yùn)行時(shí)就容易導(dǎo)致電機(jī)掃膛現(xiàn)象，降低電機(jī)運(yùn)行的可靠性，同時(shí)電機(jī)裝配難度提高。因此在氣隙長(zhǎng)度選擇上，應(yīng)綜合考慮電機(jī)振動(dòng)、噪聲、氣隙磁密、雜散損耗以及裝配工業(yè)和生產(chǎn)成本。為了選擇最合適的氣隙長(zhǎng)度大小，有對(duì)永磁同步電機(jī)的氣隙長(zhǎng)度進(jìn)行參數(shù)化掃描分析，其仿真結(jié)果如下圖18、19和20所示。圖18. 氣隙長(zhǎng)度與交直軸電感大小關(guān)系曲線圖19. 氣隙長(zhǎng)度與凸極率大小關(guān)系曲線圖20. 氣隙長(zhǎng)度與峰值額定功率之比關(guān)系曲線從圖中可以看到，電機(jī)交直軸電感和電機(jī)過(guò)載能

16、力和電機(jī)氣隙長(zhǎng)度關(guān)系密切，隨著氣隙長(zhǎng)度的增加電機(jī)直軸電感下降，但變化大大，交軸電感迅速下降，電機(jī)凸極率下降。電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩與交直軸電感差值密切相關(guān)，交直軸電感差值越大，電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩越大，電機(jī)效率越高；同時(shí)在直軸電感足夠大的情況下，電機(jī)弱磁擴(kuò)速能力越好。但是過(guò)高比例的磁阻轉(zhuǎn)矩容易導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高，因此在本電機(jī)設(shè)計(jì)中選擇電機(jī)氣隙長(zhǎng)度為0.7 mm。2）永磁體布局方式選擇電機(jī)具有相同的輸出扭矩時(shí)，轉(zhuǎn)子永磁體布局方式的選擇和調(diào)整，能夠在很大程度上改變電機(jī)永磁體用量，提高永磁體功率密度；改變電機(jī)交直軸電感，提高電機(jī)凸極慮；減小電機(jī)氣隙諧波含量，改善電機(jī)空載反電勢(shì)諧波含量，降低電

17、機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，減小雜散損耗，進(jìn)而影響電機(jī)功率密度、效率、溫升、振動(dòng)與噪聲、弱磁調(diào)速范圍以及電機(jī)生產(chǎn)成本。在永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體布局方式選擇過(guò)程中，分別對(duì)表貼式、一字內(nèi)置式、內(nèi)置分段式、切向內(nèi)置式、V型內(nèi)置式等永磁體布局方式，利用電機(jī)有限元仿真軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，針對(duì)永磁體用量、空載反電動(dòng)勢(shì)、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、電感參數(shù)、轉(zhuǎn)矩-速度特性、功率-速度特性、效率-速度特性和弱磁運(yùn)行特性幾個(gè)方面選擇永磁體布局方式，降低電機(jī)生產(chǎn)成本，提高電機(jī)和永磁體功率密度，改善繞組反電勢(shì)，提高電機(jī)效率。由于本電機(jī)采用高速低轉(zhuǎn)矩電機(jī)設(shè)計(jì)，電機(jī)極對(duì)數(shù)少，每對(duì)極的空間很大，切向內(nèi)置式永磁體布局方式不能發(fā)揮其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，因此在本設(shè)計(jì)中不予考

18、慮。不同永磁體布局方式結(jié)構(gòu)及磁密分布，如圖21所示。 表貼式 一字內(nèi)置式 V字內(nèi)置式圖21. 永磁體布局方式結(jié)構(gòu)圖永磁體用量是決定永磁電機(jī)成本的關(guān)鍵，因此永磁電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一就是降低電機(jī)永磁體用量。不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)永磁體用量參數(shù)如表1所示，不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)永磁電機(jī)永磁體轉(zhuǎn)矩密度如表2所示。可以看出 V 型內(nèi)置式結(jié)構(gòu)永磁體利用率最高，即同樣轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)要求的情況下永磁體使用量最少。表1. 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)每極永磁體參數(shù) 永磁體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)厚度（mm）寬度（mm）長(zhǎng)度（mm）永磁體重量（g）表貼式7.547.3160431.4一字內(nèi)置式7.545160410.4V字內(nèi)置式546160279.7注：永磁體材料:N

19、38UH,剩磁密度Br:1.24T，矯頑力Hc: 907kA/m，密度：7.6g/cm3表2. 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單位轉(zhuǎn)矩永磁體用量 永磁體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)永磁體用量/每極（g）峰值轉(zhuǎn)矩（N*m）單位轉(zhuǎn)矩永磁體用量（g/Nm）表貼式431.43201.35一字內(nèi)置式410.43021.36V字內(nèi)置式279.73010.93空載反電動(dòng)勢(shì)即電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，理想的情況下其波形應(yīng)為正弦波。但是由于永磁體勵(lì)磁分布和繞組設(shè)計(jì)等原因，使得實(shí)際的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中含有諧波成分，這也是造成電機(jī)紋波轉(zhuǎn)矩的主要原因之一。在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量使永磁體產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)在空間中的分布按照正弦規(guī)律分布。不同永磁體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下電動(dòng)勢(shì)如圖22

20、所示。圖22. 不同永磁體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)空載反電勢(shì)波形表3. 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)永磁體反電勢(shì)諧波畸變率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表貼式一字內(nèi)置式V字內(nèi)置式諧波總畸變率2.1 %6.7 %12.5 %從表3和圖22可知，表貼式空載反電勢(shì)波形最好，V字內(nèi)置式空載反電勢(shì)波形最差，諧波總畸變率最高。該表格為永磁電機(jī)均勻氣隙情況下結(jié)果，但是內(nèi)置式永磁體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以通過(guò)多種方法對(duì)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)波形進(jìn)行優(yōu)化，其中最簡(jiǎn)單實(shí)用的就是不均勻氣隙方法。實(shí)踐表明，V字內(nèi)置式永磁體布局方式，可使永磁體勵(lì)磁集中，漏磁減少，同時(shí)由于高速低轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)，電機(jī)轉(zhuǎn)子每極空間大，有利于V字結(jié)構(gòu)大凸極率的體現(xiàn)。另外，和表貼式永磁體布局方式向?qū)Ρ?，交直軸電感均大幅度提高

21、，電機(jī)弱磁范圍寬，并且在很高轉(zhuǎn)速時(shí)，仍然能夠輸出較大功率。綜上所述，在本電機(jī)設(shè)計(jì)中，永磁體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇V字型布局方式，永磁體布局結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖24所示。5）轉(zhuǎn)子表面氣隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由永磁同步電機(jī)學(xué)的理論可以得知，永磁同步電機(jī)定子繞組中的交流電在氣隙中產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)分布近似為正弦分布，那么為達(dá)到永磁同步電機(jī)產(chǎn)生理想平穩(wěn)運(yùn)行轉(zhuǎn)矩的目的，需要轉(zhuǎn)子永磁體在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生呈正弦分布特性的氣隙磁密波形。然而內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)自身的磁路特性,電機(jī)永磁體在氣隙中產(chǎn)生的磁密波形并不是程理想的正弦性分布，而實(shí)際上其波形分布近似程梯形分布，氣隙磁密波形中諧波含量非常多。當(dāng)永磁同步電機(jī)采用傳統(tǒng)均勻氣隙時(shí)3 次、5 次和 7

22、 次諧波含量非常多，如圖23所示，高的諧波含量對(duì)永磁同步電機(jī)的影響是非常大的：（1）導(dǎo)致永磁同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)加大；（2）使得永磁同步電機(jī)附加的振動(dòng)噪聲加大；（3）增加電機(jī)運(yùn)行時(shí)的鐵耗，影響電機(jī)效率圖23 均勻氣隙時(shí)氣隙磁密FFT分析為提高氣隙磁密基波含量，降低磁密諧波畸變率，減小電機(jī)振動(dòng)和噪聲，減小電機(jī)損耗，提高效率，滿足新能源電動(dòng)汽車(chē)要求，需要進(jìn)一步對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，提高氣隙磁密和反電勢(shì)正弦性。到目前為止，在電機(jī)本體設(shè)計(jì)方面，永磁同步電機(jī)（PMSM）氣隙永磁磁密波形的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要有：（1）對(duì)永磁體的形狀進(jìn)行優(yōu)化，缺點(diǎn)是此結(jié)構(gòu)永磁體加工難度加大，制造成本提高；（2）控制永磁體

23、充磁能量，使其按照正弦規(guī)律變化，缺點(diǎn)是永磁體充磁工藝很難控制，加工極為復(fù)雜；（3）利用新型的 Halbach 永磁體陣列結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)氣隙永磁磁密波形接近于正弦性分布，但是此結(jié)構(gòu)制造裝配工藝非常復(fù)雜，成本也很高；（4）優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，采用不均勻氣隙，此方法簡(jiǎn)單易行，成本較低。在本電機(jī)設(shè)計(jì)中，采用不均勻氣隙方法，在磁極偏心理論基礎(chǔ)上，對(duì)永磁體轉(zhuǎn)子磁極表面進(jìn)行優(yōu)化，如圖24所示。優(yōu)化后永磁體氣隙磁密諧波分布，如圖25所示，永磁體3次、5次、7次諧波均得到改善。圖24. 轉(zhuǎn)子表面不均勻氣隙結(jié)構(gòu)圖圖25. 不均勻氣隙時(shí)氣隙磁密FFT分析4）減重槽設(shè)計(jì)在永磁同步電機(jī)永磁體槽底部和電機(jī)軸表面之

24、間存在很大的半徑差距，存在較大的優(yōu)化空間。在不降低電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度和電機(jī)輸出功率的前提下，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度和磁路仿真和電機(jī)實(shí)驗(yàn)，改善轉(zhuǎn)子中減重槽的結(jié)構(gòu)和尺寸，能夠在較大程度上提高電機(jī)功率密度。另外，由于該部分不列于電機(jī)磁路之內(nèi)，可以選擇輕量高強(qiáng)度的其它合金材料，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電機(jī)輕量化。在該永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯與轉(zhuǎn)軸直接通過(guò)鍵聯(lián)接，可通過(guò)鐵芯減重孔的形式對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行減重，但減重孔的大小需要通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算的形式進(jìn)行確定。經(jīng)過(guò)ANSYS有限元軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定了目前的減重孔大小和尺寸，如圖26轉(zhuǎn)子沖片圖所示。圖26. 轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)圖1.3電機(jī)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)該電動(dòng)永磁同步電機(jī)采用20CrMnTi材料，毛

25、坯鍛造。20CrMnTi是，滲碳鋼通常為含量為0.17%-0.24%的低碳鋼。汽車(chē)上多用其制造傳動(dòng)，是中淬透性滲碳鋼CrMnTi 鋼，其淬透性較高，在保證淬透情況下，特別具有較高的低溫沖擊韌性。20CrMnTi具有良好的加工性，加工變形微小，抗疲勞性能相當(dāng)好。電機(jī)軸應(yīng)力云圖和主軸總變形云圖，分別如圖27、28所示。圖27. 電機(jī)主軸應(yīng)力云圖圖28. 電機(jī)主軸總變形云圖80kw純電動(dòng)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯通過(guò)圓螺母及止動(dòng)墊圈并緊在軸上，減小了結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)軸尺寸要求；轉(zhuǎn)軸作滲碳淬火處理，滲碳層厚度0.6-0.8，花鍵表面硬度664HV最小，其余58-62HRC,芯部硬度32-38HRC，保證了轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度

26、及花鍵表面的接觸疲勞強(qiáng)度；采用非標(biāo)油封設(shè)計(jì)，使安裝方便。1.4 電機(jī)外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)殼設(shè)計(jì)主要為水道設(shè)計(jì)，其余結(jié)構(gòu)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值。以往水道經(jīng)驗(yàn)是首先設(shè)計(jì)好水槽的結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)定入水口溫度、水槽溫度、水流速度等參數(shù)，計(jì)算出水口溫度，進(jìn)而校核冷卻系統(tǒng)的散熱情況。這種方法，把設(shè)計(jì)的散熱方案的散熱功率作為計(jì)算結(jié)果，與實(shí)際需求的散熱功率對(duì)比。設(shè)計(jì)方案的散熱能力高于實(shí)際需要的散熱能力，則視為方案可行；反之，方案失敗。修改預(yù)先設(shè)計(jì)的水槽尺寸并重新計(jì)算直到滿足散熱條件。這種設(shè)計(jì)方法只有在計(jì)算之后才能直到其散熱能力。我公司則是從散熱能力出發(fā)，選擇進(jìn)出水口溫度，水槽截面尺寸，利用傳熱學(xué)對(duì)流換熱原理，設(shè)計(jì)了中小型電機(jī)表面冷

27、卻系統(tǒng)。目前我司采用螺旋型水道，其散熱均勻，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高2 電機(jī)材料輕量化1）鐵芯材料選擇電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵芯材料構(gòu)成了電機(jī)磁路，其材料的選擇能夠在極大程度上影響電機(jī)定轉(zhuǎn)子尺寸、電機(jī)功率密度、電機(jī)鐵耗和電機(jī)效率。因此超薄高飽和材料硅鋼片的選擇和使用是提高電機(jī)功率體積比和功率密度，提高電機(jī)效率的重要途徑之一。表3. 冷軋無(wú)取向硅鋼片磁性能對(duì)照表厚度（mm）國(guó)標(biāo) GB 2521-85牌號(hào)磁性能P15/50(W/kg)B50(T)0.35DW550-355.501.66DW360-353.601.61DW310-353.101.60DW270-352.701.580.50DW800-508.001.69DW

28、620-506.201.66DW540-505.401.65DW465-504.651.65DW400-504.001.61DW360-503.601.60DW315-503.151.69注：B50為磁場(chǎng)強(qiáng)度在50A/cm下的磁感應(yīng)強(qiáng)度，P15/50為頻率在50Hz，磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.5T下的損耗值W/kg。表3為目前市場(chǎng)常見(jiàn)不同型號(hào)和不同厚度冷軋無(wú)取向硅鋼片磁性能對(duì)比表，從表中可以看到0.35mm厚度硅鋼片和0.5mm硅鋼片相比P15/50低，電機(jī)鐵耗小。另外在相同厚度不同型號(hào)硅鋼片中，P15/50下降，硅鋼片B50下降加快，為均衡硅鋼片不同性能參數(shù)，選擇DW310_35型號(hào)硅鋼片。DW310

29、_35硅鋼片B-H曲線，如圖29所示。圖29. DW310_35硅鋼片B-H曲線2）永磁體材料選擇在永磁同步電機(jī)中，永磁體建立電機(jī)控制磁場(chǎng)并與定子磁動(dòng)勢(shì)交鏈產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，高表面剩磁、高矯頑力、高磁能積以及良好的溫度穩(wěn)定性是永磁材料的重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，也是提高電機(jī)功率密度，減小電機(jī)體積的關(guān)鍵手段之一。釹鐵硼永磁體是1983年問(wèn)世的高性能永磁材料，具有體積小、重量輕、高剩磁、高矯頑力及高磁能積等優(yōu)點(diǎn)。該種永磁材料最大磁能積可達(dá)398kJ/m3,為鐵氧體永磁材料的512倍、鋁鎳鈷永磁材料的310倍，理論值最高可達(dá) 527J/m3；剩磁最高可達(dá) 1.47T；矯頑力最高可超過(guò) 1000kA/m；到目前為止大

30、部分廠家都已經(jīng)推出耐高溫釹鐵硼永磁體材料，如圖30所示。圖30. 不同永磁材料參數(shù)表在永磁體材料選擇過(guò)程中，利用電機(jī)仿真軟件，針對(duì)不同永磁體材料，分別進(jìn)行仿真，綜合電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、電機(jī)損耗、電機(jī)效率以及電機(jī)運(yùn)行溫度穩(wěn)定性，選擇永磁體材料。在本電機(jī)設(shè)計(jì)中，永磁體材料選擇為ZHN38UH，最大持續(xù)工作溫度為180，表面剩磁為1.24T，矯頑力為907kA/m。具體參數(shù)如圖31所示。圖31. N38UH永磁體參數(shù)3）電機(jī)軸材料選擇80kw純電動(dòng)永磁同步電機(jī)采用20CrMnTi材料，毛坯鍛造。20CrMnTi是，滲碳鋼通常為含量為0.17%-0.24%的低碳鋼。汽車(chē)上多用其制造傳動(dòng)，是中淬透性

31、滲碳鋼CrMnTi 鋼，其淬透性較高，在保證淬透情況下，特別具有較高的低溫沖擊韌性。20CrMnTi具有良好的加工性，加工變形微小，抗疲勞性能相當(dāng)好。4）機(jī)殼、端蓋材料選擇A356.2性能與特點(diǎn)：具有流動(dòng)性好，無(wú)熱裂傾向，線收縮小，氣密性好等良好的鑄造性能，比重小，耐蝕性良好，易氣焊，隨鑄件壁厚增加強(qiáng)度降低的程度小，鑄態(tài)下使用，變質(zhì)后機(jī)械性能提高。 鑄錠斷口致密，無(wú)熔渣和非金屬夾雜物。A356.2材料具有良好散熱性能及機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)工藝性好。3 電機(jī)溫升與振動(dòng)為了提高車(chē)用永磁同步電機(jī)的功率密度，在設(shè)計(jì)時(shí)常采用較高的電磁負(fù)荷，以提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度，這就導(dǎo)致電機(jī)單位質(zhì)量的損耗增大，使得電機(jī)各部件的溫

32、度較高。另外電機(jī)的高速化也是實(shí)現(xiàn)車(chē)用永磁同步電機(jī)的高功率密度的一個(gè)重要方向。隨著轉(zhuǎn)速的提高，各類(lèi)諧波磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子中的交變頻率也逐漸增大，引起轉(zhuǎn)子和永磁體損耗增大而發(fā)熱嚴(yán)重，影響電機(jī)運(yùn)行的可靠性，同時(shí)電機(jī)振動(dòng)和噪聲增大，影響汽車(chē)乘坐舒適性。因此，在電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，有必要對(duì)電機(jī)的溫升以及振動(dòng)和噪聲問(wèn)題進(jìn)行分析。3.1電機(jī)溫升電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是在保證電機(jī)技術(shù)性能的基礎(chǔ)上，從溫升限值出發(fā)，確定電機(jī)各部分的幾何尺寸。電機(jī)溫升也是除磁路飽和外限值電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的重要限值因素。電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)內(nèi)空氣的流動(dòng)性能也非常復(fù)雜。如何通過(guò)合理設(shè)計(jì)電機(jī)各部分材料、結(jié)構(gòu)以及尺寸，降低電機(jī)損耗，提高電機(jī)效率，優(yōu)化設(shè)計(jì)電機(jī)機(jī)殼

33、表面結(jié)構(gòu)并選擇高性能電機(jī)冷卻方式，是降低電機(jī)溫升的兩個(gè)主要途徑，也是降低電機(jī)溫升的兩大難點(diǎn)。同時(shí)，如何在電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中準(zhǔn)確計(jì)算和仿真電機(jī)溫升，找出電機(jī)中的溫度奇點(diǎn)，并以此優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)，也是電機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中的重要問(wèn)題。1）電機(jī)損耗大量車(chē)用永磁同步定子鐵耗的分析表明，在最大轉(zhuǎn)矩/電流控制下，PWM 載波頻率損耗是低速下電機(jī)損耗的主要部分，在高速弱磁情況下，電機(jī)基波磁場(chǎng)所產(chǎn)生的損耗逐漸減小，由定子開(kāi)槽、永磁體空間磁動(dòng)勢(shì)諧波和載波頻率所產(chǎn)生的損耗逐漸增大，成為電機(jī)損耗的主要部分。電機(jī)空載和負(fù)載電流波形及諧波分析和損耗諧波分析，分別如圖32、圖33和圖34所示。 a) 空載電流波形 b) 空載電流諧波

34、分析圖32. 電機(jī)空載電流波形及其諧波分析 a) 負(fù)載電流波形 b) 負(fù)載電流諧波分析圖33. 電機(jī)空載電流波形及其諧波分析 a) 空載損耗諧波分析 b) 負(fù)載損耗諧波分析圖34. 電機(jī)損耗諧波分析車(chē)用永磁同步電機(jī)的負(fù)載雜散損耗主要有轉(zhuǎn)子損耗和永磁體損耗。轉(zhuǎn)子損耗主要由定子時(shí)間諧波電流產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)、基波電流產(chǎn)生的空間諧波磁場(chǎng)以及定子開(kāi)槽引起的氣隙磁導(dǎo)變化所引起，在普通永磁同步電機(jī)中，轉(zhuǎn)子損耗和永磁體渦流損耗常常予以忽略。但在 PWM 供電下的定子諧波電流等因素使得轉(zhuǎn)子損耗和永磁體渦流損耗成為威脅電機(jī)安全可靠運(yùn)行的最大隱患。電機(jī)永磁體渦流損耗分布，如圖35所示。圖35. 永磁體渦流分布定子磁動(dòng)

35、勢(shì)低次空間諧波是產(chǎn)生轉(zhuǎn)子損耗的主要原因，其中定子電流 5、7、11和13次諧波是轉(zhuǎn)子表面和永磁體渦流損耗的主要部分，因此應(yīng)當(dāng)從定子角度出發(fā)減小轉(zhuǎn)子渦流損耗。在本電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，從綜合考慮諧波幅值、頻率、轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)和定子槽數(shù)等影響的車(chē)用永磁同步電機(jī)損耗最小化優(yōu)化判據(jù)出發(fā)，從電機(jī)設(shè)計(jì)上減小了電機(jī)空載損耗。2）電機(jī)冷卻方式新能源電機(jī)常用冷卻方式一般為液體冷卻。液體冷卻摩擦損耗小，散熱效率高，應(yīng)用于電機(jī)散熱具有良好的冷卻效果。電機(jī)水冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心任務(wù)是電機(jī)散熱計(jì)算，使得電機(jī)損耗生熱和冷卻介質(zhì)帶走的熱量達(dá)到平衡，從而控制電機(jī)溫升在允許范圍內(nèi)。此外，冷卻介質(zhì)流速是散熱能力重要影響因素之一。冷卻介質(zhì)的流

36、速與壓頭及流經(jīng)管道阻力有關(guān)。壓頭由水循環(huán)系統(tǒng)的泵產(chǎn)生。流經(jīng)管道阻力取決于冷卻結(jié)構(gòu)的具體形式。以往的設(shè)計(jì)過(guò)程是首先設(shè)計(jì)好水槽的結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)定入水口溫度、水槽溫度、水流速度等參數(shù)，計(jì)算出水口溫度，進(jìn)而校核冷卻系統(tǒng)的散熱情況。這種方法，把設(shè)計(jì)的散熱方案的散熱功率作為計(jì)算結(jié)果，與實(shí)際需求的散熱功率對(duì)比。設(shè)計(jì)方案的散熱能力高于實(shí)際需要的散熱能力，則視為方案可行；反之，方案失敗。修改預(yù)先設(shè)計(jì)的水槽尺寸并重新計(jì)算直到滿足散熱條件。這種設(shè)計(jì)方法只有在計(jì)算之后才能直到其散熱能力。在本電機(jī)散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)中從散熱能力出發(fā)，選擇進(jìn)出水口溫度，水槽截面尺寸，利用傳熱學(xué)對(duì)流換熱原理，設(shè)計(jì)了中小型電機(jī)表面冷卻系統(tǒng)，同時(shí)采用螺

37、旋型水道結(jié)構(gòu)，具有散熱均勻，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。3）電機(jī)溫升分析與仿真ANSYS是如今主流的有限元分析軟件，融合結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析等與一體，特別是這幾年大力打造的ANSYS Workbench平臺(tái)，整合現(xiàn)有的應(yīng)用，將數(shù)值模擬過(guò)程結(jié)合在一起，并在工程頁(yè)引入了工程流程圖的概念，一個(gè)復(fù)雜的包含多物理場(chǎng)的問(wèn)題，可以通過(guò)系統(tǒng)間的連接實(shí)現(xiàn)相關(guān)性,實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)間的稱(chēng)合，大大簡(jiǎn)化了前處理過(guò)程。在本電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，在對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化的基礎(chǔ)上，利用ANSYS軟件，對(duì)電機(jī)溫升進(jìn)行了仿真，其中電機(jī)額定轉(zhuǎn)速空載定子鐵芯、繞組和電機(jī)額定負(fù)載時(shí)電機(jī)定子溫度分布圖，分別如圖36、37、38所示。圖36. 額

38、定轉(zhuǎn)速空載定子鐵芯溫度分布圖圖37. 額定轉(zhuǎn)速空載定子繞組溫度分布圖圖38. 額定轉(zhuǎn)速空載定子鐵芯溫度分布圖另外為避免在電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，同時(shí)防止在設(shè)計(jì)過(guò)程中過(guò)于保守，而浪費(fèi)車(chē)輛非常緊張的空間，有必要從汽車(chē)循環(huán)工況入手，對(duì)電機(jī)的溫升進(jìn)行計(jì)算。由于隨著工況的變化，電機(jī)的損耗是隨時(shí)間變化的，溫升曲線也隨著時(shí)間不停變化。如果采用有限元計(jì)算，其計(jì)算量是非常巨大的，運(yùn)算時(shí)間也會(huì)非常長(zhǎng)。為實(shí)現(xiàn)新能源用電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)快速準(zhǔn)確設(shè)計(jì)，在本電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，在對(duì)集總熱容解析計(jì)算方法改進(jìn)和驗(yàn)算的基礎(chǔ)上，對(duì)電機(jī)循環(huán)工況溫升進(jìn)行計(jì)算。在本電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用CYC_ARB02 循環(huán)工況，如圖39所示，該工況在

39、前階段(0-600s)車(chē)輛運(yùn)行在市郊，車(chē)輛需要經(jīng)常啟停，但車(chē)速要高于城市內(nèi)。后階段(600-1600s)車(chē)輛運(yùn)行于高速公路，車(chē)輛速度很高，而且很少減速。該循環(huán)工況包含了車(chē)輛頻繁啟停和高速行駛兩種狀態(tài)。車(chē)輛頻繁啟停時(shí)，電機(jī)主要工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。在前階段電機(jī)經(jīng)常啟停，且轉(zhuǎn)速不高。并且輸出轉(zhuǎn)矩為峰值轉(zhuǎn)矩的情況很多。車(chē)輛高速行駛時(shí)，電機(jī)主要工作在恒功率區(qū)。在此階段電機(jī)經(jīng)常持續(xù)工作，且輸出轉(zhuǎn)矩不大。因此，該工況包含了電機(jī)整個(gè)工作區(qū)域，比較有代表意義。圖39. CYC_ARB02 循環(huán)工況圖40. CYC_ARB02工況循環(huán)3次繞組溫度的變化在電機(jī)設(shè)計(jì)中對(duì)三個(gè)循環(huán)工況時(shí)間的電機(jī)繞組溫升進(jìn)行了計(jì)算，如圖40所示。可以看到每個(gè)循環(huán)內(nèi)都反映了單個(gè)循環(huán)溫度的變化趨勢(shì)。不過(guò)隨著循環(huán)次數(shù)的增多，電機(jī)溫度升高的速度放緩，這是因?yàn)?CYC_ARB02 工況循環(huán)大部分工作點(diǎn)落在額定工作區(qū)范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)工作，由于電機(jī)效率高、損耗小，溫升就小。可以預(yù)見(jiàn)，樣機(jī)如果在此循環(huán)下持續(xù)工作相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間，電機(jī)繞組溫度也不會(huì)很高。這就說(shuō)明，如果樣機(jī)就在此循環(huán)下反復(fù)工作，仍然可以放寬溫度限制，優(yōu)化前面的設(shè)計(jì)，從而使電機(jī)的其他性能參數(shù)如效率、功率密度等得到提升。3.3 振動(dòng)和噪聲為提高整車(chē)舒適性，減小整車(chē)噪聲污染，提高城市交