电动汽车牵引用永磁同步电机的多物理场分析49

电动汽车牵引用永磁同步电机的多物理场分析 代颖;乔金秋;郑江;崔淑梅基于ANSYSWorkbench对一台20kW电动汽车牵引用永磁同步电机的进行多物理分析。通过有限元仿真分析电磁振动的主体结构———定子铁心与绕组的振动结电磁的分析电机的电磁振动/仿真电机行结构的电机结构动的薄分析对电机电磁的动机的限%MultiphysicsAnalysisofa20kWpermanentmagnetsynchronousmotorforelectricvehicledriveswasanalyzedbasedonAnsysWorkbench.Normalvibrationmodalsofthemainvibratingstructure-statorcoreandwindingwereanalyzedbyFEM.Combinedwiththeelectromagneticforcewaveanalysis,electromagneticvibration/noisecharacteristicwasestimatedofthemotor.Rotorcentrifugalstressanddeformationathighspeedoperationweresimulatedtopositionthedynamicsweaknessesoftherotorstructure.Influenceonelectromagneticfieldisanalyzedofthatdeformationofrotorexteriormargin.Dynamiccharacteristicoftechnicallyrequiredmaximumspeedwasverified,andthemaximumlimitedspeedofthemotorwaspredictedfromthecentrifugalstressview.【期刊名称】电机用》【年(卷),期】2016(043)005【总页数】6页(P73-78)【关键词】永磁同步电机;电动汽车;离心力;电磁噪声【作者】代颖;乔金秋;郑江;崔淑梅【作者单位】上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200072;上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200072;上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200072;哈尔滨工业大学 电气工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001【正文语种】中 文【中图分类】TM351电动汽车已成为国内外汽车产业的发展方向。永磁同步电机是电动汽车的主要牵引电机类型，有良好的应用前景。与普通工业用电机相比，电动汽车牵引用电机对转矩密度、功率密度和调速范围要求很高，电机设计在致力于提高电机牵引特性的设计过程中，往往忽视了电机动力学特性的分[1-2]。汽车驾驶的可靠性、安全性和舒适性越来越受到消费者的重视，电动汽车牵引用电机的电磁噪声和高速运行时的离心应力是影响电动汽车的驾驶可靠性、安全性和舒适性主要因素之一。本文基于ANSYS多物理场有限元仿真软件，分析如图 1所示的一台额定功率20kW、恒功率最高转速6000r/min的电动汽车牵引用永磁同步电机的动力学特性。汽车的 NVH特性是汽车的五大重要性能之一。随着人们对驾乘舒适性的追求越来越高，NVH性能指标 在汽车行业竞争 中的作 用也 越来越重要。电动汽车的动力总成结构 与传统燃油 汽车不 同，电机牵引系统 成为汽车振 动噪声的主要来源 ，而 牵引电机的电磁振 动/噪声由 于频带宽且频 率往往处 于人耳敏感 的频 率范围而 成为汽车NVH性能的主要影响因素[3-4]。振 动模态 的有限元分析电动汽车牵引用电机对转矩密度和功率密度的严苛 要求限制 了电机结构刚 度的提高，电机结构模态频率的准确预测对于电机电磁振动/噪声的抑制和电动汽车的 NVH性能分析具有重要的意义。电机结构有限元模态仿真结果的准确性已经被许多研究所证实[5-8]。本文通过合理的等效与假设，建立电机电磁振动的主体结构——定子铁心与绕组结构的有限元仿真模型，分析结构的径向模态。电机定子绕组的实际形状复杂，为简化分析，对槽内和端部绕组形状进行简化，所做简化如下：槽内绕组等效为与实际绕组体积相同的铜条。绕组振动模态分析所需材料参数按绕组中铜线、绝缘材料和空气隙所占体积等效。相对铜的弹性模量而言，铜线圈下线和绝缘处理后形成的电机绕组其弹性模量明显下降，且受槽满率和浸漆工艺影响[9-10]。本文根据绕组下线的松紧程度和槽满率，确定槽内绕组和端部绕组的铜线、绝缘材料和空气隙所占体积比例如下：槽内绕组：铜线 %，材料 15，隙15。端部绕组：铜线 %，隙30。定子铁心与绕组结构振动模态有限元仿真模型及其网格剖分如图 2所示。仿真所需材料常数如表 1所示。通过有限元仿真得出定子铁心与绕组结构的主要径向模态的振型及其固有频率，如图 2所示。径向电磁力波作用于电机定子铁心的径向电磁力波如果与对应阶次径向模态的固有频率接近，很可能产生较大的电磁振动/噪声问题。为保证电动汽车牵引系统的 NVH性能，牵引电机应在技术指标要求的调速范围内不存在电磁共振问题。永磁同步电机可能存在的径向电磁力波次数与电磁力波频率如表 2所示[11]。表 2中，μ为转子磁场产生的气隙磁密谐波，γ为定子磁场产生的气隙磁密谐波，s1为定子槽数，p极对数，fr电磁力波频率，f电源频率，k=0,1,2,3…。径向电磁力波本文样机为定子 24槽/4极磁电，速6000r/min表2公的电磁力波数电磁力波的频率0电磁力波定子 5谐波子 5谐波，frmax为 ；4电磁力波定子 7谐波子 5谐波，frmax为 ；4电磁力波定子 5谐波子 7谐波，frmax为 z；0电磁力波定子 7谐波子 7谐波，frmax为 z；定子 7次谐波与转子 9次谐波可能产生 4次电磁力波，frmax为 1600Hz；4次电磁力波(11谐波，frmax为 4400H；4次电磁力波(13谐波，frmax为 5200H。由定子铁心与绕组结构有限元模态仿真结果可知，电机铁心与绕组结构的04固有频率远高于可能作用于机结构04电磁力波的最高频率，因此不会在调速范围内产生较大的电磁/863动汽车动车辆工程技术中心外特性验收测试过程中未发现振动噪声问题。电机高速运行时转子结构承受较大的离心应力，容易造成转子结构应力较大部位的损坏。本文样机采用烧结钕铁硼永磁材料，材料的抗拉强度比抗压强度低很多，高速运行时离心应力产生的拉应力可能超出永磁体的承受范围，造成永磁材料的损坏[12]；为减小漏 磁，转子隔 磁桥 部位较薄 ，也是 电机结构动力学特性中的薄弱环节 [13]。本文基 于ANSYSWorkbench对电机高速运行时转子结构承受的离心应力和转子结构形变量进 行有限元仿真，分析 样机高速运行时转子结构中承受最大离心应力的位置和永磁体承受的最大拉应力；分析转子结构最大形变对电机的电磁场和机械可靠性的影响，预测样机理论上可以达到的最高极限转速。转子结构离心力有限元仿真的材料参数特性如表3所示。转子结构 3D限力分图3样机的最高转速 10000r/min。在此转速运行时，转子结构所受离心力的有限元仿真结果如图4所示。分析仿真结果可知，最大离心应力位的转子磁位，应力最大334MPa，的420MPa；转子电机转性变形[145的最大拉应力18MP，结的最大拉]。因此，从转子结构承受的离心应力角度分析，电机在10000r/min的转速下能够可靠地运行。离心应力导致的转子结构形变6转子结构最大形变0.03mm，电机气隙0.5mm，转子力导致的形变量相对气隙而言比较，可靠性分析，电机旋转过程中转子不会与定子发生碰撞。转子离心力导致转子发生形变，可能会对电机的电磁场产生影响。本文建立电机转子发生形变前后的 2D电磁场仿真模型，分析转子形变对电机电磁场的影响，转子外缘沿圆周 360°的形变量大小如图7所示。由图7可知，电机旋转过程中的转子离心力导致转子外缘产生的形变具有周期性特点，在转子磁极 d轴中心线 位置形变达到最大。图8为电机电磁场的 2D有限元仿真模型。通 过对 10000r/min电机空载运行的电磁场仿真得出 转子形变前后气隙磁密 的分布波 形及谐波 大小对比如图9所示。由图9可知，转子形变对电机的磁场影响很小，且 由于形变导致电机转子外缘的凸 极效 应在一 定程度上削弱了低次 磁密谐波 使 气隙磁密波 形的正弦 度更好 。综上分析得出，样机可以可靠地运行于 10000r/min，转子结构在旋转过程中承受的最大离心应力集中在转子铁心隔磁桥部位，是样机动力学特性中的薄弱环节[16]。样机在国家 863电动汽车电机测试组的验收测试中通过了 10000r/min的超速测试。通过 ANSYSWorkbench仿真样机转子结构在不同转速运行时所受的离心应力和离心力导致的形变，得出转子结构承受的最大离心应力、永磁体承受的拉应力及离心应力导致转子结构产生的最大形变量随转速的变化曲线如图10所示。分析仿真结果得出：随着转速的升高，永磁体承受的拉应力增大较为缓和，但转子结构隔磁桥部位承受的最大离心应力增加较快，在转速为11100r/min时达到了硅钢片材料的屈服强度，因此，为避免电机转子结构的隔磁桥部位损坏，样机的极限转速应限定在 11100r/min以下。本文基于 ANSYSWorkbench对一台额定功率 20kW的电动汽车牵引用永磁同步电机的动力学特性进行了有限元分析。通过对电机结构振动主体——定子铁心与绕组结构的有限元模态仿真预测了电机结构径向模态的固有频率，并结合电磁力波的分析评估了样机不存在较大电磁振动/噪声的可能 性； 通过有限元仿真分析电机高速运行时转子承受最大离心应力的结构部位和抗 拉强度较差 的永磁体承受的最大拉应力； 定位了转子动力学特性的薄弱环节为转子隔磁桥部位； 分析了