48V轻度混合动力汽车电机设计-车品展示-聚鸿汽车用品

这个文章主要给大家分享一些关于48V轻度混合动力汽车电机设计和一些汽车安装力矩的相关话题，希望大家都能喜欢。

背景

永磁同步电机是汽车交通电气化领域最具吸引力的电机解决方案，为各种电动动力系统提供动力，包括通用汽车的Bolt-EV，这是首款量产且续航里程超过200英里的经济型电动汽车。

与此同时，近年来对替代电机技术的研究一直在进行。研究的一个热门领域集中于可以减少或消除对用于制造高能永磁发电机的稀土材料的依赖的技术。在这些技术中，同步磁阻电机和铁氧体永磁电机已被一些研究人员提出作为可行的解决方案。随着电动汽车产量持续增长和供应链压力持续增加，如果不开发替代电机解决方案，可再生能源永磁发电机的价格可能会再次飙升。

最近的一些例子包括对具有分布式绕组的内部和表面PMSM与分数槽集中式PMSM的比较研究。本文介绍了上述三种机械技术，即REPMSM、铁氧体PMSM和SynRM，并研究了它们在轻度混合动力汽车中的应用。由于安装电动机的空间有限，因此实现高扭矩和功率密度至关重要。因此，第一步是通过高保真仿真进行系统分析来量化这些电机的扭矩性能。

一旦选择了电机技术，就会进行大规模的驱动循环设计优化，以研究的极槽组合，以实现最小的驱动循环损耗和活性材料成本，同时满足扭矩脉动和转子永磁体退磁水平的预定要求。完成了。选择一台机器进行优化的多物理场分析，包括用于冷却套设计的计算流体动力学和转子结构应力分析。搭建了优化的机械样机并提供了初步实验结果。

替代电机技术

表I列出了该混合应用的电机性能和封装要求。对于该应用，考虑了三种同步电机技术，定子槽数为96，转子极数为8，叠片长度为60mm，定子叠片外径为144mm，即单层浅V形RE转子永磁体。用于发电机的PMSM、用于具有深V铁氧体转子的永磁发电机的PMSM以及具有四个转子磁通屏障的SynRM。

首先，必须研究这三种机械技术的低速扭矩能力，以确定它们是否能够满足应用要求。以往的研究主要使用埃森扭矩方程。

据报道，显着性比为3的铁氧体PMSM和显着性比为7的SynRM的扭矩性能分别比内置磁体和显着性比为3的REPMSM的扭矩性能高81倍和665倍。

然而，这种封闭式解决方案无法捕获某些设计细节，例如波形的非正弦特性、定子和转子部件的复杂形状、漏磁通、不均匀的气隙功率因数和效率。在牵引电机满负荷运行的严重饱和情况下，这些解决方案的实用性可能会进一步受到损害。

因此，本文采用基于数值有限元模型的方法来比较案例研究机器的低速扭矩性能。这些机器的定子也进行了类似的参数化，以调整槽深度、槽口开口、定子内径和齿宽。永磁电机转子的参数化模型允许改变永磁体磁极范围、永磁体嵌入深度、q轴桥宽度以及永磁体高度和长度。铁氧体PMSM转子还允许修改PM布局以形成辐条配置。

对于REPMSM，还引入了第二个目标，即同时最小化PM的质量。因此，机器几何形状如图所示。

表II比较了机器的各种性能指标，包括2,000rpm时的最大扭矩和每安培的最大扭矩。正如预期的那样，带有RE的PMSM具有最高的效率和扭矩密度。值得注意的是，假设的电流密度在所有情况下都是相同的，并且可以通过增加槽面积来实现更大的K。

正如闭式解析方程所预测的那样，铁氧体永磁同步电机仍然可以实现单位表面电流密度更高的扭矩。上图可以用作驱动环路优化的未来部分的基线。它还提供了对每种机器技术产生的扭矩和损失的性质的宝贵见解。

因此，与REPMSM相比，铁氧体PMSM的高速效率有所提高，但扭矩能力却有所下降。对于SynRM，峰值扭矩随着速度增加而急剧下降。为了进一步研究这个题，使用了相应机器的归一化扭矩图、磁链图和显着图。

同时，SynRM较高的突出量并不能保证理想的高速扭矩。因为，从上图可以看出，由于机芯严重饱和，低速扭矩峰值时的电流角远远超过了45的理论极限。这减少了SynRM的有用磁场弱化范围。

之前的分析表明SynRM无法满足应用扭矩要求。铁氧体永磁同步电机的ICH低于预期，即使针对低速峰值扭矩进行优化的设计也无法满足要求。因此，选择REPMSM来进一步优化驱动环路。首次使用大规模、高保真驱动循环设计优化算法来优化PMSM的驱动循环。

然后，我们在这些ECOP上求解高保真参数有限元模型，以获得1.功率损耗的近似值，包括磁芯和铜损以及由于每个极槽组合的端匝而产生的额外铜损。2.活性材料成本，3扭矩脉动，4PM退磁程度。考虑到有限的电机电流负载和驱动器的有限输出电压，对恒定扭矩和扩展速度操作进行了建模。

除了ECOP之外，每种设计还检查低速和高速时所需的扭矩。然后将机器的驾驶循环性能纳入CMODE型随机搜索算法中，以确定总共400轮运行后的帕累托最优设计。确定的目标是最大限度地减少行驶周期损失B.最小化活性材料成本，同时满足以下约束转矩脉动B永磁消磁器C电机性能。

上图显示了用于比较的优化设计的设计参数分布。因此，虽然可以观察到一些一般的设计趋势，例如轭高度随着杆数的增加而单调减小，但许多其他趋势无法从设计参数的分布中推断出来。这再次凸显了设计优化的重要性。在某些情况下，性。

多物理场分析

我们选择了最好的60槽10极机器之一进行进一步分析。

上面所示的最终机器的横截面经过进一步优化，通过在转子叠片中引入内部空腔来减少质量和扭矩脉动。下图显示了该设计的预期效率图，峰值线电压为48V，采用MTPA控制。

对优化设计进行了一系列多物理场分析，以确保稳定运行。在优化过程中，我们识别了永磁体退磁，但对动态退磁进行了建模。为此，使用两倍于额定电流的d轴负电流作为FE模型的激励。从上图可以看出，缺陷去除后，永磁发电机的耦合磁通损耗小于2。

此外，在25,000rpm的转速下进行转子结构分析，以优化转子中心柱和桥。分析结果如上图所示。电机冷却系统的优化设计对机电能量转换过程的整体性能起着重要作用。本节提供电机冷却系统的全面分析和优化。

该应用（如上图中粉红色所示）通过封闭在内部壳体之间的定子水套提供强制液体冷却。使用CFD分析研究了两种常见的解决方案。第一个概念如图所示，其特点是易于制造。围绕定子并允许冷却剂在机器周围循环的中空护套。

在第二个概念中，冷却剂流经轴向通道和肋，如图所示。电机的CFD分析是通过STARCCM+代码中的ConjugateHeatTransferCHT方法执行的。研究了稳态和瞬态热性能。恒定密度和不可压缩分配描述了浇口流动。

雷诺平均纳维-斯托克斯允许使用k-湍流模型和完整的y+两层壁处理来描述护套中的冷却剂和电机内的气流状态。地表对流项采用二阶迎风对流法计算。固体域使用能量隔离求解器来适应对流和传导热传递。所有域都使用单元尺寸在08毫米到2毫米之间的多面体网格。贴身棱柱层网格用于预测流态中的对流换热。

上图显示了瞬态全电机热仿真的体积网格，由大约1800万个单元组成，包括内部壳体、冷却套、定子、槽衬、绕组、转子、磁体网络、轴和电机内部的空气体积。由于大部分热量通过冷却套被冷却剂吸收，因此环境空气影响的建模简化为暴露于空气的电机表面上的对流边界条件。采用50-50水乙二醇WEG作为冷却剂，冷却夹套进口流量3LPM，温度75，夹套出口大气压和温度80。

如上所述，将暴露在空气中的电机表面视为对流边界条件，因此环境温度为65，导热效率HTC固定为5m2K/W。对流边界条件设置在电机内部的气团表面，出口处的压力和温度为80C。

表III列出了完整电机仿真中使用的热导率。数据来自NREL技术报告，基于NissanLEAF电机的热性能基准。执行瞬态热分析时，假设简化的循环负载曲线由35秒85kW的连续功率和5秒19kW的峰值功率组成。

定子齿和轭板、绕组有效区域和端部区域、转子层数和永磁体损耗均显示在各自的体积中。损耗值用作热模型中的能量来源。从制造角度来看，对冷却套性能产生重大影响的一个参数是冷却套肋和电机壳体之间现有间隙的尺寸。稳态解适当收敛后，对概念1和2的冷却套在间隙尺寸0、025和1下的热性能进行了仿真。

仿真结果如表V所示。因此，概念1具有较低的压降和传热系数以及对间隙尺寸的较低敏感性。然而，概念2的压降和传热系数对间隙尺寸非常敏感。这对于确定整个系统的效率非常重要，因为压降与通过冷却套的寄生功率成正比。

上图显示了概念1和概念2的稳态冷却套模拟中冷却套表面的预测传热系数分布以及冷却套内部的色压力流线分布。选择0.25毫米的间隙尺寸是为了进一步评估整个电机，因为它提供了平衡的热性能，特别是对于Concept2。

对概念1和2进行了125个周期的瞬态全电机仿真，总计5,000秒，以预测冷却液流量为3LPM、间隙尺寸为025时电机部件的温度分布。

实验结果

使用的60槽、10极机器原型来验证性能。

上图显示了发电机的结构及其主要部件，包括测功机、定子叠片和绕组、转子叠片和磁体、冷却套、转子组件和轴。

将机器在转速2000rpm、温度40下的反电动势波形测量结果与上图二维有限元分析结果进行对比。

研究总结

本文介绍了一种用于牵引应用的电动机设计的综合方法。首先，利用有限元分析优化结果研究了REPMSM、铁氧体PMSM和SynRM三种替代机械技术的低速扭矩产生能力，并与之前通过闭式方程得出的结论进行了比较。