汽车用永磁电机的电磁-热一体化设计

抽象的

为了更有效地设计高性能车辆永磁电机，提出了一种电磁 - 热整合设计方法，其考虑了在确定电动机的主要尺寸参数时电磁特性和电机绕组的温度升高。然后使用该方法设计了48槽和8极车辆永磁电机。在有限元分析上基于多职域模拟和验证了热磁耦合设计。然后在新建的电机实验平台上分析并测试原型。结果表明，仿真结果和实验结果是一致的，这验证了新设计方法的准确性和有效性。此外，该方法还证明了提高永磁电机设计的效率。

1.介绍

车辆永磁电动机具有高扭矩/电流，高功率密度，高效率和Minitype轻量值的优异。电机设计的紧急问题是如何降低电机量，节省空间，并在满足特定性能指标时提高材料利用率。车辆永磁电机的设计目标应高密度，低重量，高可靠性，低功率，低速度，恒定功率宽范围速度控制，并通过放大电磁体来在有限空间内提高电动机功率密度。加载。因此，车辆电机的尺寸限制，电磁载荷和热负荷远远大于普通电动机，并且电动机的温度升高成为车辆永磁电机设计期间极其重要的指示器[1- - - - - -3.］．传统的车辆永磁电动机设计方法首先设计了电磁方案，从而模拟了温度升高;如果温度升高太高，则重新设计该方案。重复这种方式，直到电磁方案和电机温度升高都是合格的。不可否认，这种设计方法在很大程度上扩大了工程师的工作量并且效率较低。因此，车辆永磁电动机的电磁设计应与热设计集成，形成用于车辆永磁电动机的电磁 - 热集成设计（ETID）理论方法。

目前，在文献中研究了几种热分析方法。如图所示，利用流体 - 结构相互作用有限元方法（FEM），模拟并分析了额定操作条件下的42kW水冷车辆永磁同步电动机的稳态温度场[4］．构建了一种特殊的冷却系统和新的转子结构原型FEM模型，并根据电动机和材料特性内的热量生产速度分开[5］．提出了一种用于轴向磁通永磁电动机的热磁耦合方法，并通过使用对流传导分析方程来分割定子和转子[6］．通过整合热网络和FEM来分析双凸极和双转子永磁电动机的热磁耦合[7］．结合了一块参数热网络方法和3D流体分析，当考虑了具有悬垂结构的表面安装的永磁电动机的热效应[8］．为永磁同步电动机提出了一种电磁 - 热流体一体化分析方法[9］．用于用于航空致动应用的表面安装的永磁同步电动机的不同负载条件和环境温度下，有限元件用于瞬态热分析。10.］．建立了太阳能汽车用轮毂电机的热仿真模型，通过建立质量流动与传热耦合仿真模型，分析了轮毂电机的热特性[11.］．基于所研究的FSPM电机，提出了一种考虑不同温度下PM材料特性变化的新型电-热双向耦合设计方法[12.］．提出了一种新的轴向径向磁通式永磁同步电动机。轴向径向磁通型永磁同步电动机（ARFTPMSM）的性能可以通过改变轴向磁动力（AMMF）来调节。通过使用逐步踩飞对研究不同AMMF下的ARFTPMSM的三维稳态温度场分布[13.］．

同时，在文献中也已经研究了几种电机设计方法。提出了配备有磁轴承的高速固体圆柱PM电动机的电磁方面的设计过程[14.］．介绍了一种用于电辅助涡轮增压器的4kw - 150-krpm超高速SPMSM的设计[15.］．提出了一种具有简单结构和良好性能的新型表面上安装的外转子横向磁通永磁电机，通过将泄漏通量的部分转换为主磁通来改善电动机性能[16.］．分析了电动车辆IPM电机的转子形状，分析了用于汽车的五种多种电动机转子，包括两个混合动力车辆[17.］．

上述研究表明，电动机热性能计算和电磁设计存在许多实用可行的方法。然而，各方法的热性能仿真都是在电机电磁方案确定后进行的，关于ETID的研究还很少。本文在传统电机电磁设计和热设计的基础理论基础上，提出了电机的ETID设计方法。以新建的48槽8极车载水冷永磁电机为例，验证了该方法的有效性和优越性。

2. EtiD的广义方程

2．1．电机主要尺寸计算

当电磁负载时，有效铁芯长度或长径比、电枢相位电压和相电流波形系数、磁场波形系数和绕组因数均为常数时，电磁转矩T_新兴市场电动机由电动机电枢内径决定，可以如下计算[18.]：

在哪里K_我是电机相电流波形系数，K_纳米是磁场波形系数，K_dp是卷绕因素，D_是为电机定子内径，l_英孚是有效的定子芯长度，一个线路负载，以及是气隙磁通密度的峰值。

用于车辆的永磁电动机的定子结构如图所示1， 在哪里D_OS.是电机定子的外径，D_ts为定子齿根直径，D_或者是转子直径，b_ts是定子齿宽，b_夺取为等效平均槽宽，h_JS.定子轭高，h_ts牙齿高度等于等效的平均槽高度h_夺取， 和为气隙厚度。如图所示1，

的比例对定子齿直径计算得到的磁通密度以及轭磁通密度分别是，

用于车辆的永磁电机的总空气隙通量如下计算，其中为计算弧系数;为平均气隙磁通密度:

车用永磁电机定子齿计算直径处的总齿面积和槽面积计算如下k_LS.是核心长度系数，通常近似为1，J_年代定子绕组的电流密度是多少年代_f线圈空间因子是：

由于定子齿根与定子内径之间的面积等于定子总齿面积和定子槽面积之和，得到如下公式:

得到车用永磁电机定子内径对定子外径的二次方程:

解决方案：

在哪里 在哪里k_JS.是定子轭的空气间隙中的峰值通量密度与磁通密度的比率;k_ts是气隙中的通量密度与定子齿中的磁通密度的比率;K_FES.是核心堆叠系数;p为极对数;J_年代定子绕组电流密度;和年代_f是线圈空间因子。

定子齿宽b_ts可以计算如下：

在哪里Z_年代是定子槽号。

2.2。计算温度

定子槽上升。电机设计时，一般绕组的热量是最不耗散的，只要绕组温升合格，一般其他各部分温升都可以满足要求。

定子槽分为绕组区、槽楔区、绝缘纸区和槽壁间隙区4个区域。在由裸铜线和清漆膜组成的漆包线的外层依次均匀地分配了浸渍清漆和槽内的细气隙。换句话说，一根裸铜线、一层清漆膜圆柱壁、一层浸渍清漆圆柱壁、一层细气隙圆柱壁一起构成了一个等效导体，并将其组合在一起N每个槽中的等效导体构成绕组。关于作为热源的绕组，其等同的导热系数计算如下[19.]： 在哪里λ._SE.为定子槽内的等效导热系数;R₀和λ.₀是裸铜线的半径和导热系数;R_n是最外面的圆形的半径;R_我和λ._我内壁的半径和导热系数在我- 中间的 - 分别;这里n= 3;R₁，R₂， 和R_3.分别为清漆膜层、浸渍清漆层和细气隙层的半径。R₁，R₂， 和R_3.可以计算如下[19.]： 在哪里是槽壁隙的厚度;d_在是绝缘纸的厚度;K_l是清漆填充系数;一个_区域和C_投币口分别为除槽楔外的槽面积和槽周长;两者都是由平均槽长决定的h_夺取和平均槽宽度b_夺取．代入(11.），可以计算定子槽内的等效导热率。

定子槽热阻由径向，圆周和轴向部分的热阻组成。由于铜损失主要从内部到外部进行，这里仅考虑径向热阻的温度升高。热阻R_{th_all}槽内可以按如下方式计算[20.]： 在哪里λ._在是绝缘纸的导热系数;λ._一个是热导电系数的空气。因此，每个槽内的温度升高可以计算如下： 在哪里P_铜是铜损，可以根据电机效率要求和工程设计经验计算。显然，在相同的铜损下，当线圈空间因子，槽绝缘厚度，槽绝缘的导热系数，浸渍清漆和清漆薄膜，以及清漆填充系数都是恒定的，定子槽的温度升高直接成比例到插槽等效高度h_夺取，但与插槽等效宽度成反比b_夺取以及定子铁心长度l_英孚．根据经验，在环境温度下T_一个> 40°C，电机绕组允许温升应满足以下条件[21.]：

在哪里T_h是最高温度，并且可以根据绝缘等级（例如，A，B，F，H）分配不同的经验值。

总之，电机的主要尺寸参数不仅涉及其电磁性能，而且还影响电机绕组的温度升高。

3. EtiD的关键技术流程图

ETID的关键技术流程如图所示2．首先，根据设计要求，选择合适的极槽匹配;确定电机定子外径和电机铁芯长度;根据所述预设转速估算所述磁通密度;定子内径和齿宽由(8)和(10.）;在精制调节之后，确定定子槽的形状。其次，按照（以（）计算电机绕组温度升高（14.)和(15.）;如果温升要求不满足，电机内径D_是、齿宽b_ts，和槽高度h_年代应调整，直到条件满意。最后，选择合适的转子磁性钢结构，并建立了一个完整的电机模型，用于有限元计算;电动机的电磁扭矩，效率和其他性能指标进行评估;如果设计要求不满足，应调整或精制包括转子结构的电机尺寸，直到满足设计要求。

4.基于有限元的ETID模拟

根据截面上的尺寸关系2.1，以外径230mm为基准，极槽匹配= 48槽8极，波形系数K_纳米= 1.11，相电流波形系数K_我= 1.414，轴长l_英孚= 160mm，额定旋转速度n= 4000rpm，从而大致估计电磁密度。定子内径D_是可由(8）。在核心堆叠系数K_FES.= 0.97,= 0.6t，我们计算了来自（10.）。

根据公式（13.)和(14.），定子槽中温度升高的曲线与定子槽的等效高度和宽度获得，如图所示3.．可以看出，定子槽中的温度升高与定子槽的等效高度成比例h_夺取并与槽的等效宽度成反比b_夺取．考虑到原型绕组的绝缘水平为H，环境温度为48°C，根据式（15.）。

根据上述初步估算，我们设计了v型转子结构，适当细化了尺寸参数，设计了样机，性能和主要尺寸如表所示1．4000r /min空载线路反电动势仿真波形如图所示4，峰值为318伏。4000r/min@88kW工况下电磁转矩仿真波形如图所示5，平均电磁扭矩210.7 n•m。

给定电路，电磁，流体和温度的多职域，并基于控制电路的耦合模拟，电磁计算和热分析，我们确定了在工作条件下的车载永磁电机的关键电机部件的温度分布4000r /MIN @ 42kW并考虑逆变器谐波损失（图6［3.]）。水套，定子绕组，定子芯，转子芯和永磁体的最高温度分别为49.5°C，113.8°C，114.8°C，122.2°C和122.4°C。

5.实验验证

样机测试平台搭建完成，如图所示7，由两台额定功率42kW相同的电动机相互驱动。被测电机采用转矩控制，另一台电机采用速度控制。此外，本实验还采用了冷却系统。为了监测各部件的温度变化，分别在电机绕组端部、机架外壁、转子永磁体下侧、机架进水口和出水口设置了热电阻。进水温度设置为48℃，流量12L/min。

4000r/min空载线路反电动势测量波形如图所示8，峰值为322 V。可见，实验数据在波形幅度和形状方面与仿真结果非常一致。

在4000r / min实验测量的电流波形显示在图中9．由于在实验中使用了电流放大器，因此示波器显示的示波器是电压信号。电压峰值为1.064V，电流电压变化比为1A / mV。转换后，输入电动机的峰值电流为1064A，或者即，电流幅度为532a，电流提前角度37°和电动机输出扭矩210.6nm。实验结果非常接近模拟结果。

在4000r / min测量的定子绕组温度和永磁体温分别为112℃和123°C，非常接近模拟结果（113.8°C，122.4℃）。

综上所述，电磁仿真结果和热仿真结果与实验测量结果非常接近，说明本文提出的车载永磁电机ETID方法是准确有效的。

6。结论

提出了一种有效的车辆永磁电机ETID方法，该方法集成了电磁设计和温度上升设计，从而大大缩短了电机示意图设计时期，提高了效率。

在电机设计期间，影响电动机电磁性能的关键尺寸参数包括定子内径和齿宽，其方程在此提出。

电机定子绕组温升是衡量电机热工性能的重要指标。这里等效计算了槽内绕组导热系数，从而估算了绕组温升。结合绕组温升的经验值范围，对电机绕组进行了热设计，具有较高的实用性。

为ETID设计了一台48槽8极永磁电机，额定功率42kw。实验数据与模拟数据吻合较好。该方法有效、准确、优良，为实际工程应用提供了有效手段。

数据可用性

数据的性质是电机尺寸参数;可以从上海大学电气机械实验室访问数据。完整的数据属于上海大学电气机械实验室的联合所有权。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

致谢

这项工作得到了中国国家自然科学基金的支持，授予否定。61572238和上海工业大学 - 研究所合作年度计划项目授予否。胡cxy-2015-014。

参考

1. T. D. Kefalas和A.G.Kladas，“用于航空航天应用的永磁同步电动机的热敏”，“IEEE工业电子产品交易，卷。61，没有。8，pp。4404-4411,2014。查看在：出版商的网站|谷歌学者
2. 徐珍，李立义，“高过载管状永磁直线电机温升的计算与实验研究”，等离子体科学的IEEE交易，卷。41，没有。5，pp。1182-1187，2013。查看在：出版商的网站|谷歌学者
3. 陈世杰，张庆林，何波，黄顺荣，陈世杰。“基于多物理域耦合仿真的高密度永磁同步电机热分析”，电子工程与技术学报，卷。12，不。1，pp。91-99,2017。查看在：出版商的网站|谷歌学者
4. Z. Qi，W.Weixu，H. Suong和G. Jianwen，基于流体固耦合法的车辆高密度永磁电动机的热旋转趋势模拟，“电机及控制应用，卷。8，pp。86-90,2012。查看在：谷歌学者
5. A. M. El-Refaie, J. P. Alexander, S. Galioto等人，“用于牵引应用的高级高功率密度内部永磁电机”2013年IEEE能源转换大会和博览会的诉讼程序， pp. 581-590, IEEE, USA, 2013年9月。查看在：谷歌学者
6. H. Vansompel, A. Rasekh, A. Hemeida, J. Vierendeels, P. Sergeant，“轴向磁通永磁电机的电磁和热耦合分析”，IEEE磁学汇刊第51卷，没有。11、Article ID 8108104, 2015。查看在：谷歌学者
7. “双凸极永磁双转子电机的热-电磁耦合性能分析”，IEEE应用超导学报第26卷，第2期。4、Article ID 5205305, 2016。查看在：谷歌学者
8. H. K. Yeo，H. J. Park，J.M.So，S. Y.Jung，J.S. Ro和H.K.Jung，“涌出的电磁和热分析，具有悬垂结构的表面安装永久性电机”，“IEEE磁学汇刊，卷。53，没有。6，第2017号物品ID 8203304,2017。查看在：谷歌学者
9. Y.江，D.王，J.陈，Q. Zhang和T. Xuan，“永磁同步机通过双向方法的电磁 - 热流体分析”IEEE磁学汇刊，卷。54，没有。3，第2018号文章ID 8102705,2018。查看在：谷歌学者
10. T. D. Kefalas和A.G.Kladas，“用于航空航天应用的PMSM有限元瞬态热分析”2012年第20届电机国际电机会议2012年议事诉讼程序2012年9月，法国，2566-2572页。查看在：谷歌学者
11. F.-X。姚明,Z.-K。张,Y.-T。“汽车轮毂电机热特性仿真研究”，中国电机工业出版社2017年第三届可持续发展国际会议论文集，pp.329-335，中国天津，2017年7月。查看在：出版商的网站|谷歌学者
12. “基于电-热双向耦合方法的外转子磁通开关永磁电机的电磁性能评价”，能量，第10卷，不。5、第677条，2017。查看在：谷歌学者
13. D. Li，Y. Wen，W.Li，B. Feng和J.Cao，“三维温度场计算和轴向助焊剂型永磁同步电动机的分析”，能量，第11卷，第2期。5，第1208,208,208,208,2018。查看在：谷歌学者
14. S. Xu，Zhu和Y.Le，“高速固体圆柱形永磁电机的电磁设计，配备有源磁轴承”IEEE磁学汇刊，卷。53，没有。8，2017年第8203715,2017。查看在：谷歌学者
15. 小姐。LIM，J.-M。金，Y.。Hwang和J.-P.HONG，考虑速度响应特性的电动涡轮增压器的超高速永磁电动机设计，“IEEE / Mechatronics的Asme事务，卷。22，没有。2，pp.774-784,2017。查看在：出版商的网站|谷歌学者
16. D.仙明，“新型横向磁通永磁电机的设计与性能分析”国际应用电磁学与力学杂志，卷。56，pp。623-635,2018。查看在：谷歌学者
17. M.-h.Hwang，J.-H.汉，D。 -Kim，H.-r.EV电力牵引平台IPM电机转子形状的设计与分析，“能量，第11卷，第2期。10、2018年第2601条。查看在：出版商的网站|谷歌学者
18. Z. Xiang，电气励磁/ PM BSG车辆设计理论的同步电动机和仿真比较，上海大学，上海，中国，2016。
19. Z.Qi，L. Xirui，H. Suon，以及Z.Mun，“基于多域共模的高密度永磁电机的温度升温计算”中国电机工程学报第34卷，没有。12页，1874-1881,2014。查看在：谷歌学者
20. 黄国和傅芳芳，中小型旋转电机设计手册，中国电力出版社，2014年。
21. E. Levi，多相电机1986年，Wiley出版社出版了第10章。

版权

陈世军等人版权所有©2019这是一篇开放获取的文章知识共享署名许可如果正确引用了原始工作，则允许在任何媒体中的不受限制使用，分发和再现。