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车用表贴式永磁同步电机全域损耗高效计算方法研究

吴晓鹏  
【摘要】:作为新能源汽车驱动电机的首选,永磁同步电机具备高功率密度以及宽高效工作范围的特点,因此能够使车辆在整个行驶过程中消耗最少的车载能源。然而由于电机内部电磁场和温度场的高度耦合以及车辆运行过程中工作点的实时变化,车辆行驶阶段的损耗及温度场的预测是车用永磁同步电机面临的一大挑战。目前车用永磁同步电机迫切需要解决的问题就是如何在设计阶段准确高效得获取电机在转矩-转速特性曲线包络区域内各损耗成分的分布图(MAP图)以及高效完成电机内部电磁场温度场解耦,从而使电机更适用于车辆工况。本文以新能源汽车永磁同步电机为对象,通过对电机绕组损耗、铁心损耗、永磁体涡流损耗计算方法和电机瞬态温度场的研究工作,提出永磁同步电机各损耗全工作域高效计算方法以及行驶工况下温度场预测方法,从而完善车用永磁同步电机设计方法。首先,推导计及温度因素的交流绕组损耗计算公式;建立不同拓扑结构的绕组以及相应的2D有限元模型作为研究对象;运用有限元方法以及实验方法计算和测量不同温度、频率以及电流下研究绕组的交流损耗与计算公式结果进行比较分析,验证所提出方法的准确性;运用有限元方法分离交流绕组损耗中趋肤效应以及邻近效应引起的损耗成分,分析温度两种损耗成分的影响;运用插值法拟合单一温度下不同频率时绕组交流等效电阻与直流电阻比值(Rac/Rdc),最后建立计及温度因素的全工作交流绕组损耗高效计算方法。其次,结合现有永磁体涡流损耗数值及解析计算方法,分析不同交(q)轴电流、直(d)轴电流以及频率条件下永磁体涡流损耗变化规律;运用3D有限元方法分析永磁体轴向分段以及电机端部效应对永磁体涡流损耗的影响;分析不同永磁体轴向分段情况下的永磁体涡流损耗变化规律;研究永磁体工作温度对永磁体材料电阻率以及永磁体剩磁的影响;量化永磁体轴向分段以及温度对永磁体涡流损耗的影响,最终建立计及温度影响以及永磁体分段结构的全工作域永磁体涡流损耗高效计算方法,利用3D有限元方法验证所提出计算方法的准确性。再次,结合现有铁损数值及解析计算方法,推导以dq轴电流、频率为输入变量的全工作域铁心损耗高效计算方程;分析温度对铁心损耗中磁滞损耗、涡流损耗以及杂散损耗的影响,引入铁心温度修正系数;分析永磁体工作温度对铁心损耗的影响,引入永磁体温度修正系数;最后建立以转矩、频率、温度为变量的全工作域铁心损耗高效计算方法;建立实验台架,设计实验方法验证所提出的高效计算方法的准确性。最后,建立强迫式水冷内转子表贴式永磁同步电机等效参数热网络模型,研究各部件热阻计算方法,给出具体热阻计算公式;合理选取车辆参数,运用车辆动力学原理计算UDDs循环工况中350kW强迫水冷式永磁同步电机各工作点的转速以及转矩,运用本文建立损耗高效计算方法以及等效参数热网络模型,迭代计算各工作点的实时损耗情况以及瞬态温度变化。


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