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纯电动汽车水冷永磁同步电机多工况热特性及冷却系统研究

刘蕾  
【摘要】:近年来,在节能减排需求及国家政策的牵引及支持下,研究机构及车企围绕纯电动汽车及其关键零部件开展大量了的研究及产业化工作。作为纯电动汽车三大部件之一的驱动电机是其中的研究和开发的重点内容之一。由于纯电动汽车的运行工况复杂,驱动电机在车用工况下的温升问题显得尤为突出。若驱动电机的温升问题处理不好,则会影响电机的性能及寿命,从而影响整车的性能甚至安全性。因此研究工作在高扭矩、大功率等复杂工况条件下的高功率密度车用电机的热特性及冷却问题具有重要的现实意义。本文从整车工况及整车对电机的需求分析着手,以纯电动汽车水冷永磁同步驱动电机在车用工况下“热的来源-热的分析-热的处理”为主线,分别对电机损耗、电机稳态温度场、电机变工况温度场及电机冷却系统优化等问题进行了较为系统地研究。首先,论文对新能源汽车类型及各自动力系统中所使用的电机特点进行了详细分析;通过对车用工况的分析,抽象出两种冲击工况进行仿真及台架试验,并且最终选择NEDC (New European Driving Cycle,新欧洲行驶工况)整车工况对研究成果进行实车测试;基于整车对象,根据整车性能需求,对该车用电机的选型及参数匹配进行了详细分析,获得了车用电机的具体参数。其次,基于所选定的车用电机研究对象,重点研究了作为电机主要损耗之一的定子铁芯损耗。通过定子铁芯磁密分析,建立了一种更准确的定子铁芯损耗计算模型。该模型综合考虑了旋转磁化、局部磁滞和谐波涡流带来的铁芯损耗,并引入了由大量实验数据得到的修正系数来弥补其他因素对铁芯损耗造成的影响。利用此模型对额定工况和峰值工况下的电机定子铁芯损耗进行了计算,并通过电机实验验证了该模型的准确性。再次,建立了轴向螺旋型永磁同步电机的三维温度场求解模型,提出了一种定子与壳体的装配间隙等效计算方法,完善了求解模型内相应边界条件的计算和分析方法;据此仿真计算电机工作在额定工况条件下的稳态温度场和冲击工况条件下的动态温度场,且搭建了温升实验平台,通过仿真分析和实验结果验证了装配间隙等效计算方法的准确性。对比结果显示,此结构电机的温升较高,有待优化。最后,为了使电机的散热效果更好,提高电机性能,对电机的轴向螺旋形水道进行优化。本文设计了轴向Z字形、径向Z字形和轴向工字形三种新水道结构,并通过对比,分析了三种新水道结构与轴向螺旋型水道结构的温度场、速度场与压力场的仿真结果,确定了轴向Z字形水道结构类型更优,进而对轴向Z字型电机从水道数量、冷却水流量及壳体材料三方面进行了优化,确定了最优的水冷散热系统。针对优化后的水冷散热系统,对其相应电机进行额定工况和冲击工况条件下的温度场仿真,同时进行温升实验对仿真结果加以验证。通过电机优化前后仿真值和实验值的对比分析,表明了优化后的水冷散热系统大大降低了电机的温升。对冷却系统优化后的电机进行NEDC工况温升实验,说明该电机水冷散热系统温升可以满足复杂多变的运行工况。本文通过对纯电动汽车水冷永磁同步电机热特性和冷却系统研究,其结果可为该类电机的热设计和冷却系统设计提供一定的指导。


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