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电动汽车用高效高功率密度电机的设计与研究

杜静娟  
【摘要】:随着能源危机和环境污染问题日益严重,在全世界范围引起研发新能源电动汽车的热潮,而电动汽车高功率密度电机对良好散热的需求越来越大。国内外对冷却结构的流体深入分析较少,本文着重针对冷却结构、流体散热特性等进行深入研究,以实现高功率密度电机良好的散热要求。文中对电磁设计、冷却结构、温度计算,机械应力等关键技术问题进行深入研究,以保证高功率密度电机可靠运行。拟设计30kW永磁同步电机,其峰值转速为9000r/min,功率密度为2.5kW/kg,为满足电动汽车电机的低噪声、高转矩、高效等需求,从极槽配合、定子槽型、转子结构、斜槽设计、铁耗降低等方面进行研究,以达到合理的电磁设计目的。电机运行的高效区是重要指标,本文基于高效Map图对“V一”型永磁体的宽度、厚度、夹角等参数进行优化设计,得出最优永磁体设计方案。在保证高效区的前提下,优化设计的永磁用量减少19%,铁耗降低9%,永磁体损耗降低18%,提升电机功率密度,总结永磁体的优化设计策略作为电动汽车内置永磁电机设计的参考依据。对85kW三相四极Tesla异步电机进行校验和研究,该电机峰值转速为14000r/min,功率密度为3.5kW/kg,通过磁路法和有限元法进行校验计算,分析Tesla电机的设计独特性。为实现车用电机的高功率密度,合理的电磁设计优化有一定的辅助作用,但良好的散热是设计的重点。本文应用计算流体力学(CFD)对电机的冷却系统进行深入研究,以达到良好的散热效果。根据车用环境、尺寸特点和工艺要求,在冷却方式、液冷结构、优化尺寸、液冷介质、机壳材料等几方面进行CFD分析。对轴向型、周向型、螺旋型结构作流速、压差、温度的CFD计算,总结适用于电动汽车电机的冷却结构。通过优化截面的长宽比和圆角形状,提出最优散热方案,阐述流体的散热特性。风路结构的巧妙设计满足高功率密度电机的散热需求,通过分析比较,水冷方式适用于商务车,而风冷方式设计适用于乘用车。上述研究的结论为电动汽车用电机冷却结构的选择和优化提供重要参考。温度场的精确计算是电机冷却系统设计的重要依据,保证电机寿命和可靠运行。本文采用双向耦合有限元法和等效热网络法对电机进行温度计算,并分析其计算精度,用两种方法指导电机设计的适用范围给出评价,并搭建电机温升实验平台对分析结果加以验证。文中阐述了影响等效热网络法计算精度的参数关系、有限元法下流体流速与绕组温度的特性规律,为电动汽车电机温度的精确计算提供参考。本文对高速化电机9000r/min转速下的“V一”型和“V”型转子作机械应力和位移量的对比分析,满足高功率密度电机多物理场的综合设计,为试制样机做全面设计准备。最后,制作样机并试验分析,试制一台30kW水冷方式永磁样机,另对验证机85kW风冷三相Tesla异步电机进行试验,经电机的性能和温升实验的测试,其结果与计算值的误差小于5%,较好验证分析方法的正确性和仿真计算的精确性。


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