电动汽车用磁通切换永磁电机冷却系统设计与分析

发布时间：2020-07-14 18:40

【摘要】：近二十年来,磁通切换永磁(Flux-Switching Permanent-Magnet,简称FSPM)电机因其结构与性能的优势,是新能源电动汽车用驱动电机的一个重要发展方向。FSPM电机的定转子铁心都为双凸极结构,定子上均衡分布集中式电枢绕组线圈,转子上既无永磁体又无绕组。由于结构所带来的特有聚磁效应、绕组一致性与互补性等特点,使得在采用集中绕组及直槽转子的条件下,就可以获得正弦度较高的每相空载永磁磁链与空载感应电势,特别适合于对电机转矩与转速波动要求较高的交流驱动系统。此外,由于永磁体置于定子,使得FSPM电机高速运行时不存在永磁体脱落的风险,同时永磁体与定子铁心及外壳直接接触,有利于永磁体的冷却。基于上述优势,本文以一台应用于轻混型电动汽车起动与发电一体(Integrated Starter-Generator,ISG)的FSPM电机作为研究对象。基于时步有限元法计算FSPM电机的铁耗大小,将计算所得损耗作为热源导入电机三维有限元模型,仿真得到电机不同工况下的温升分布。在相同工况下,进行温升试验,所得测量结果与仿真结果进行对比,以验证所建温度场仿真模型的准确性。最后,分析FSPM电机现有冷却水道的性能,并提出冷却结构的优化设计方案。论文的主要研究内容包括如下部分:1、阐述本课题的研究背景与永磁电机绕组损耗计算、铁耗计算、永磁体涡流损耗计算、温度场计算、空冷冷却系统设计和液冷冷却系统设计的研究现状。2、考虑直流偏磁对电机铁耗的影响,基于时步有限元法计算电机铁耗,并将计算结果与有限元软件Maxwell和JMAG的铁耗仿真结果进行对比,验证其计算结果的准确性。通过有限元仿真得到电机永磁体和冷却机壳内的涡流损耗,依据经验公式计算电机转子的机械损耗,通过电机空载试验测量电机总损耗,验证损耗计算的准确性。3、利用FLUENT软件得到不同工况下电机各部件瞬态温度变化曲线和稳态温度分布。相同工况下,在混合动力平台上,进行电机温升实验,测量电机瞬时温度和稳态温度,将实验结果与仿真结果进行对比,验证仿真模型的准确性。4、结合电机现有的水冷结构,依据传热学原理推导出电机定子中心温度与冷却液流速间的关系,探究冷却水道入口流量对冷却结构性能的影响。在电机温升试验中通过变频水泵改变冷却结构入口流量,测量不同入口流量下电机的稳态温度分布,验证FLUENT仿真结果,并对冷却水道几何参数进行优化。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM351
【图文】：

8图1-2 混合动力车用感应电机叠片结构图1-3 电机冷却环和定子液冷冷却能力强，适用于高功率密度、高过载能力车用驱动电机，但是应该结合电动汽车的工况，选用合适的液冷介质与合理的冷却结构，并可靠控制液体介质的流速。同时，液冷方式也存在着一些缺点：水的导电性能比冷却油好，一旦发生液体渗漏，后果十分危险，因而对冷却系统的密封性要求高，增加了整车成本、降低了系统的可靠性。1.3 本文主要研究内容本文以混合动力汽车起发一体用磁通切换永磁电机为研究对象，围绕该电机的冷却系统设计与分析展开研究，通过有限元法和实验方法，着重研究了磁通切换永磁电机的损耗、温度场分布以及冷却结构优化等多方面问题，具体内容如下：（1）第一章介绍了目前国内外电机损耗计算的常用方法及其研究现状

12(a) 二维模型 (b) 样机定子图2-1 三相12槽/10极FSPM电机(a) 二维模型 (b) 样机定子图2-2 三相18槽/8极Honda-IPM电机2.1.2 关键位置磁密分析本文研究的三相 12/10-FSPM 电机的一个电周期所对应的机械角度为 36°，然而转子铁心需要经过两个定子齿之后其径向和切向磁密才会与初始位置重合，所对应的机械角度为 60°。为了得到电机内磁密变化规律，需要分析一个电周期内的电机各个部位磁密变化波形，利用 ANSYS 多物理场进行有限元计算，并将有限元仿真的时间设置为 60°机械角度，转子每转 1o计算一次，得到定、转子铁心每一个剖分单元磁密的合成矢量幅值、径向分量和切向分量。

第二章 磁通切换永磁电机损耗计算与分析13图2-3 三相12/10-FSPM电机磁密分析关键点选取计及三相 12/10-FSPM 电机的几何对称性，选取的 8 个关键点具体位置如图 2-3，其中，点 1~点 4 分别位于定子铁心的轭部中心、齿与轭交界、齿中心、齿尖；点 5~点 8 则分别位于转子齿尖、齿中心、齿与轭交界、轭部。通过分析这 8 个关键位置点的磁密波形，可以得到该电机定、转子铁心磁密的分布规律。因此，首先针对所取的关键位置点，基于 ANSYS 仿真平台计算出 8 个点的切向和径向磁密波形，如图 2-4 所示，从图中结果可以发现如下现象：（1）定子齿部径向磁密分量变化幅值较大，切向磁密变化幅值较小，磁密波形非正弦

【参考文献】

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本文编号：2755340