電動汽車牽引用永磁同步電機的多物理場分析49

電動汽車牽引用永磁同步電機的多物理場分析 代穎;喬金秋;鄭江;崔淑梅基于ANSYSWorkbench對一臺20kW電動汽車牽引用永磁同步電機的進行多物理分析。通過有限元仿真分析電磁振動的主體結構———定子鐵心與繞組的振動結電磁的分析電機的電磁振動/仿真電機行結構的電機結構動的薄分析對電機電磁的動機的限%MultiphysicsAnalysisofa20kWpermanentmagnetsynchronousmotorforelectricvehicledriveswasanalyzedbasedonAnsysWorkbench.Normalvibrationmodalsofthemainvibratingstructure-statorcoreandwindingwereanalyzedbyFEM.Combinedwiththeelectromagneticforcewaveanalysis,electromagneticvibration/noisecharacteristicwasestimatedofthemotor.Rotorcentrifugalstressanddeformationathighspeedoperationweresimulatedtopositionthedynamicsweaknessesoftherotorstructure.Influenceonelectromagneticfieldisanalyzedofthatdeformationofrotorexteriormargin.Dynamiccharacteristicoftechnicallyrequiredmaximumspeedwasverified,andthemaximumlimitedspeedofthemotorwaspredictedfromthecentrifugalstressview.【期刊名稱】電機用》【年(卷),期】2016(043)005【總頁數(shù)】6頁(P73-78)【關鍵詞】永磁同步電機;電動汽車;離心力;電磁噪聲【作者】代穎;喬金秋;鄭江;崔淑梅【作者單位】上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072;上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072;上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072;哈爾濱工業(yè)大學 電氣工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001【正文語種】中 文【中圖分類】TM351電動汽車已成為國內(nèi)外汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。永磁同步電機是電動汽車的主要牽引電機類型，有良好的應用前景。與普通工業(yè)用電機相比，電動汽車牽引用電機對轉矩密度、功率密度和調(diào)速范圍要求很高，電機設計在致力于提高電機牽引特性的設計過程中，往往忽視了電機動力學特性的分[1-2]。汽車駕駛的可靠性、安全性和舒適性越來越受到消費者的重視，電動汽車牽引用電機的電磁噪聲和高速運行時的離心應力是影響電動汽車的駕駛可靠性、安全性和舒適性主要因素之一。本文基于ANSYS多物理場有限元仿真軟件，分析如圖 1所示的一臺額定功率20kW、恒功率最高轉速6000r/min的電動汽車牽引用永磁同步電機的動力學特性。汽車的 NVH特性是汽車的五大重要性能之一。隨著人們對駕乘舒適性的追求越來越高，NVH性能指標 在汽車行業(yè)競爭 中的作 用也 越來越重要。電動汽車的動力總成結構 與傳統(tǒng)燃油 汽車不 同，電機牽引系統(tǒng) 成為汽車振 動噪聲的主要來源 ，而 牽引電機的電磁振 動/噪聲由 于頻帶寬且頻 率往往處 于人耳敏感 的頻 率范圍而 成為汽車NVH性能的主要影響因素[3-4]。振 動模態(tài) 的有限元分析電動汽車牽引用電機對轉矩密度和功率密度的嚴苛 要求限制 了電機結構剛 度的提高，電機結構模態(tài)頻率的準確預測對于電機電磁振動/噪聲的抑制和電動汽車的 NVH性能分析具有重要的意義。電機結構有限元模態(tài)仿真結果的準確性已經(jīng)被許多研究所證實[5-8]。本文通過合理的等效與假設，建立電機電磁振動的主體結構——定子鐵心與繞組結構的有限元仿真模型，分析結構的徑向模態(tài)。電機定子繞組的實際形狀復雜，為簡化分析，對槽內(nèi)和端部繞組形狀進行簡化，所做簡化如下：槽內(nèi)繞組等效為與實際繞組體積相同的銅條。繞組振動模態(tài)分析所需材料參數(shù)按繞組中銅線、絕緣材料和空氣隙所占體積等效。相對銅的彈性模量而言，銅線圈下線和絕緣處理后形成的電機繞組其彈性模量明顯下降，且受槽滿率和浸漆工藝影響[9-10]。本文根據(jù)繞組下線的松緊程度和槽滿率，確定槽內(nèi)繞組和端部繞組的銅線、絕緣材料和空氣隙所占體積比例如下：槽內(nèi)繞組：銅線 %，材料 15，隙15。端部繞組：銅線 %，隙30。定子鐵心與繞組結構振動模態(tài)有限元仿真模型及其網(wǎng)格剖分如圖 2所示。仿真所需材料常數(shù)如表 1所示。通過有限元仿真得出定子鐵心與繞組結構的主要徑向模態(tài)的振型及其固有頻率，如圖 2所示。徑向電磁力波作用于電機定子鐵心的徑向電磁力波如果與對應階次徑向模態(tài)的固有頻率接近，很可能產(chǎn)生較大的電磁振動/噪聲問題。為保證電動汽車牽引系統(tǒng)的 NVH性能，牽引電機應在技術指標要求的調(diào)速范圍內(nèi)不存在電磁共振問題。永磁同步電機可能存在的徑向電磁力波次數(shù)與電磁力波頻率如表 2所示[11]。表 2中，μ為轉子磁場產(chǎn)生的氣隙磁密諧波，γ為定子磁場產(chǎn)生的氣隙磁密諧波，s1為定子槽數(shù)，p極對數(shù)，fr電磁力波頻率，f電源頻率，k=0,1,2,3…。徑向電磁力波本文樣機為定子 24槽/4極磁電，速6000r/min表2公的電磁力波數(shù)電磁力波的頻率0電磁力波定子 5諧波子 5諧波，frmax為 ；4電磁力波定子 7諧波子 5諧波，frmax為 ；4電磁力波定子 5諧波子 7諧波，frmax為 z；0電磁力波定子 7諧波子 7諧波，frmax為 z；定子 7次諧波與轉子 9次諧波可能產(chǎn)生 4次電磁力波，frmax為 1600Hz；4次電磁力波(11諧波，frmax為 4400H；4次電磁力波(13諧波，frmax為 5200H。由定子鐵心與繞組結構有限元模態(tài)仿真結果可知，電機鐵心與繞組結構的04固有頻率遠高于可能作用于機結構04電磁力波的最高頻率，因此不會在調(diào)速范圍內(nèi)產(chǎn)生較大的電磁/863動汽車動車輛工程技術中心外特性驗收測試過程中未發(fā)現(xiàn)振動噪聲問題。電機高速運行時轉子結構承受較大的離心應力，容易造成轉子結構應力較大部位的損壞。本文樣機采用燒結釹鐵硼永磁材料，材料的抗拉強度比抗壓強度低很多，高速運行時離心應力產(chǎn)生的拉應力可能超出永磁體的承受范圍，造成永磁材料的損壞[12]；為減小漏 磁，轉子隔 磁橋 部位較薄 ，也是 電機結構動力學特性中的薄弱環(huán)節(jié) [13]。本文基 于ANSYSWorkbench對電機高速運行時轉子結構承受的離心應力和轉子結構形變量進 行有限元仿真，分析 樣機高速運行時轉子結構中承受最大離心應力的位置和永磁體承受的最大拉應力；分析轉子結構最大形變對電機的電磁場和機械可靠性的影響，預測樣機理論上可以達到的最高極限轉速。轉子結構離心力有限元仿真的材料參數(shù)特性如表3所示。轉子結構 3D限力分圖3樣機的最高轉速 10000r/min。在此轉速運行時，轉子結構所受離心力的有限元仿真結果如圖4所示。分析仿真結果可知，最大離心應力位的轉子磁位，應力最大334MPa，的420MPa；轉子電機轉性變形[145的最大拉應力18MP，結的最大拉]。因此，從轉子結構承受的離心應力角度分析，電機在10000r/min的轉速下能夠可靠地運行。離心應力導致的轉子結構形變6轉子結構最大形變0.03mm，電機氣隙0.5mm，轉子力導致的形變量相對氣隙而言比較，可靠性分析，電機旋轉過程中轉子不會與定子發(fā)生碰撞。轉子離心力導致轉子發(fā)生形變，可能會對電機的電磁場產(chǎn)生影響。本文建立電機轉子發(fā)生形變前后的 2D電磁場仿真模型，分析轉子形變對電機電磁場的影響，轉子外緣沿圓周 360°的形變量大小如圖7所示。由圖7可知，電機旋轉過程中的轉子離心力導致轉子外緣產(chǎn)生的形變具有周期性特點，在轉子磁極 d軸中心線 位置形變達到最大。圖8為電機電磁場的 2D有限元仿真模型。通 過對 10000r/min電機空載運行的電磁場仿真得出 轉子形變前后氣隙磁密 的分布波 形及諧波 大小對比如圖9所示。由圖9可知，轉子形變對電機的磁場影響很小，且 由于形變導致電機轉子外緣的凸 極效 應在一 定程度上削弱了低次 磁密諧波 使 氣隙磁密波 形的正弦 度更好 。綜上分析得出，樣機可以可靠地運行于 10000r/min，轉子結構在旋轉過程中承受的最大離心應力集中在轉子鐵心隔磁橋部位，是樣機動力學特性中的薄弱環(huán)節(jié)[16]。樣機在國家 863電動汽車電機測試組的驗收測試中通過了 10000r/min的超速測試。通過 ANSYSWorkbench仿真樣機轉子結構在不同轉速運行時所受的離心應力和離心力導致的形變，得出轉子結構承受的最大離心應力、永磁體承受的拉應力及離心應力導致轉子結構產(chǎn)生的最大形變量隨轉速的變化曲線如圖10所示。分析仿真結果得出：隨著轉速的升高，永磁體承受的拉應力增大較為緩和，但轉子結構隔磁橋部位承受的最大離心應力增加較快，在轉速為11100r/min時達到了硅鋼片材料的屈服強度，因此，為避免電機轉子結構的隔磁橋部位損壞，樣機的極限轉速應限定在 11100r/min以下。本文基于 ANSYSWorkbench對一臺額定功率 20kW的電動汽車牽引用永磁同步電機的動力學特性進行了有限元分析。通過對電機結構振動主體——定子鐵心與繞組結構的有限元模態(tài)仿真預測了電機結構徑向模態(tài)的固有頻率，并結合電磁力波的分析評估了樣機不存在較大電磁振動/噪聲的可能 性； 通過有限元仿真分析電機高速運行時轉子承受最大離心應力的結構部位和抗 拉強度較差 的永磁體承受的最大拉應力； 定位了轉子動力學特性的薄弱環(huán)節(jié)為轉子隔磁橋部位； 分析了