引用本文
刘瑞芳, 朱健, 曹君慈. 定子铁心采用非晶与硅钢的电动汽车用永磁同步电机温度场分析[J]. 北京交通大学学报, 2019,43(5): 119-125.
LIU Ruifang, ZHU Jian, CAO Junci. Temperature field analysis of silicon steel and amorphous on permanent magnet synchronous motors used in electrical vehicles[J]. JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY, 2019,43(5): 119-125.
Doi:10.11860/j.issn.1673-0291.20190029  
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定子铁心采用非晶与硅钢的电动汽车用永磁同步电机温度场分析
刘瑞芳, 朱健, 曹君慈
北京交通大学 电气工程学院,北京 100044

第一作者:刘瑞芳(1971—),女,山西阳曲人,副教授,博士.研究方向为电机电磁场理论与计算,电力电子与电机系统集成分析. email:rfliu@btju.edu.cn.

收稿日期: 2019-03-08
基金: 国家自然科学基金(51577007)
摘要

永磁同步电动机因具有功率密度高,噪声低及效率高等优点在电动汽车中占据了较大的市场份额.将低铁损的非晶材料应用于定子铁心时可使电机效率进一步提升,但高功率密度伴随而来电机发热问题不可忽视.通过对两台相同结构,定子铁心分别采用硅钢和非晶的永磁同步电机进行电热耦合数值分析,对比研究两台电机在额定工况和峰值工况以及高转速下的温度场分布特性.结果表明,在额定转速下非晶电机温升高于硅钢电机,但高速下硅钢电机温升远高于非晶电机.最后对两台样机进行温升实验,将电热耦合结果与实验数据进行对比.

关键词: 非晶合金; 永磁同步电机; 电热耦合; 温度场
中图分类号:TM351 文献标志码:A 文章编号:1673-0291(2019)05-0119-07
Temperature field analysis of silicon steel and amorphous on permanent magnet synchronous motors used in electrical vehicles
LIU Ruifang, ZHU Jian, CAO Junci
School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044,China
Fund:National Natural Science Foundation of China (51577007)
Abstract

Permanent Magnet Synchronous Motors(PMSM) occupy a large market share in electric vehicles due to their high power density, low noise and high efficiency. When the amorphous material with low iron loss is applied to the stator core, the motor efficiency can be further improved, but the high power density accompanying the motor heating problem cannot be ignored. Electro-thermal coupling analysis of two identical structures and stator cores using silicon steel and amorphous PMSM is carried out, and the temperature field of the rated working condition and peak working condition of the two motors at rated speed and high speed is simulated. Then it is experimented with two motors and comparied the simulation of electro-thermal coupling results with the experimental data. The results verify the validity of the analytical calculations.

Keyword: amorphous; PMSM; electro-thermal coupling; temperature field

随着经济的飞速发展, 汽车已经走进千家万户, 成为人类生产生活中不可或缺的一部分.传统燃料汽车保有量呈逐年上涨趋势, 大量排放到空气中的汽车尾气给人类生存环境带来不可逆转的伤害[1].纯电动汽车可以实现零排放, 很大程度上减轻环境问题和能源危机, 成为各国积极研讨的课题[2, 3, 4].永磁同步电动机因其功率密度高、体积小、重量轻、噪音低等优点已经占据电动汽车用驱动电机83%以上的市场份额[5].但是, 随着驱动电机运行频率的增加, 采用硅钢为电机定子材料的永磁同步电机内部损耗也在成倍增大, 电机内部损耗会使得电机效率下降, 同时在电机内部产生热量导致电机运行温度升高, 直接影响用户体验, 严重时可能危及电动汽车的安全行驶.非晶合金材料具有低损耗、高导磁率等特性, 可以预见非晶合金材料在电气工程领域具有广阔的应用前景, 目前非晶合金材料在车用驱动电机上应用较少, 将其应用于发展迅速的车用永磁同步电动机上可以降低损耗, 节约能源.因此关于电动汽车用驱动电机的研发及改进具有重要意义.

电动汽车用驱动电机多数采用水冷散热永磁同步电机, 只有极少数小功率电动汽车采用自然风冷散热永磁同步电机.虽然非晶合金应用于永磁同步电机可以使得定子部分铁心损耗减少数十倍, 但是影响电动汽车用驱动电机温升的损耗因素不只有定子铁心损耗一种, 还需考虑铜耗, 永磁体涡流损耗等.关于非晶合金材料应用于永磁同步电机上的电磁性能表现, 文献[6]结果表明非晶合金永磁同步电机的电磁性能优于定子采用硅钢材料的永磁同步电机.文献[7]设计了一款电动车用驱动电机, 电机的定子部分采用非晶合金材料, 经测试后得知非晶合金电机比硅钢电机节能性能好.文献[8]研究了非晶材料在混合磁通调制永磁轮毂电机上的应用, 利用有限元分析软件对比了非晶电机与硅钢电机的电磁性能, 证明了非晶合金混合磁通调制永磁轮毂电机应用于电动汽车上的优越性.

电动汽车用驱动电机不只需要考虑电磁性能表现, 还应充分考虑电机运行时的温升情况.关于非晶合金电机的温度场分析较少, 文献[9]对一台采用水冷散热的非晶合金电机进行了研究.虽然采用水冷散热可以极大限度地保证车用驱动电机的安全运行, 但水冷散热装置价格较高且占用车内空间, 提升了整车造价.所以探讨采用自然风冷的非晶合金永磁同步电机是否可以满足新能源汽车用驱动电机的要求具有重要意义.

本文作者以一台18 kW自然风冷车用永磁同步电动机为例, 制作两台相同结构不同定子铁心材料的样机, 其中一台定子铁心材料为普通硅钢片, 另一台为非晶合金.对两台电机进行电热耦合仿真, 得出两台电机在不同转速下的温度场分布, 并对两台样机进行实验, 与仿真结果进行对比分析.

1 电机模型
1.1 电机参数

本文所分析的18 kW纯电动汽车用永磁同步电动机性能参数设置如下:额定功率18 kW, 电机极数为12, 定子槽数为54, 铁心长度为114 mm, 定子外径为210 mm, 定子内径为151.4 mm, 气隙长度为0.7 mm, 冷却方式为自然风冷.电机结构见图1.

图1 电机结构Fig.1 Structure of motor

1.2 非晶合金与硅钢材料对比

两种材料性能参数见表1.

表1 两种材料基本性能对比 Tab.1 Basic properties comparisons of two materials

非晶合金材料在交变磁场中产生的铁心损耗极低, 约为传统硅钢材料铁心损耗的1/10~1/20[10], 但非晶合金材料对机械应力较为敏感, 加工难度较大[11, 12].本文分析的两台电机具有相同的结构, 选用不同定子铁心材料, 一台采用非晶合金带材, 另一台采用冷轧硅钢片, 型号为B35AV1900.图2为非晶材料和冷轧硅钢片B35AV1900在50、100、200 Hz下的损耗曲线.可以看出, 随着频率的不断上升, 硅钢材料的铁损增加速度要远快于非晶合金材料, 在高频下硅钢材料的铁损值高出非晶合金材料铁损值数十倍.

图2 非晶与硅钢的损耗曲线Fig.2 Core loss curves of amorphous and silicon steel

1.3 电机三维模型

在SoildWorks设计软件中建立电机模型.建立的试验电机三维模型如图3所示.

图3 试验电机三维模型Fig.3 Test motor 3D model

2 电机温度场分析
2.1 温度场分析相关参数计算

2.1.1 电机内部损耗计算

在对电机进行温度场分析时首先应该对电机内部的发热量进行分析.永磁同步电机在正常运行时内部的发热量主要是因为电机各部分损耗产生的, 所以要想正确分析电机温度场分布情况, 应对电机内部各部分损耗进行准确计算.

电机内部损耗主要包括铜耗, 铁心损耗, 永磁体涡流损耗以及杂散损耗.关于电机内部各处损耗的计算已经相当成熟, 各类有限元软件及路算软件都可实现电机内部各部分损耗的计算.本文依据文献[13]对永磁同步电机内部损耗进行计算, 在3 000 r/min下取风磨损耗和杂散损耗值总和为750 W, 计算结果如表2所示.

表2 电机热计算相关参数 Tab.2 Heat properties of the motor W

2.1.2 表面换热系数的计算

电机机壳两端有端盖进行密封, 但是电机内部仍然有气体循环, 对于电机机壳及端盖外表面散热系数应分开求解[14].

机座壁向周围空气的自然传热(考虑机内有气体循环)计算如下

$\text{ }\!\!\alpha\!\!\text{ }=14\left( 1+0.5\sqrt{{{w}_{1}}} \right)\sqrt[3]{\left( \frac{\theta }{25} \right)}$ (1)

式中: α为表面传热系数, W/(m2· K); w1为吹拂机座内部的风速, m/s; θ为机座壁外边表面温度, K.

由端盖向大气空间的传热为

α=14(θ25)3(2)

2.1.3 电机绕组端部等效处理

实际电机在生产制造过程中绕组会伸出定子铁心一段距离, 但是在三维设计软件中进行建模时难以实现且计算复杂, 所以对电机绕组端部需要进行简化.

目前计算温度场时对绕组端部进行等效主要有将绕组端部等效为直线型绕组[15]和将绕组端部等效为圆环型绕组[16]两种方法.本文采用将绕组端部等效为圆环型绕组的方法进行仿真.圆环型等效端部绕组长度计算公式为[17]

l=di+fd(3)

式中: di为绕组端部直线伸出长度; fd为绕组端部投影长度.

2.2 电机额定转速下温度场仿真

在进行温度场仿真前首先应该对电机所用零部件材料的热参数进行分析, 如表3所示.

表3 电机各零部件材料热属性 Tab.3 Heat property of motor parts

图4为两台电机在额定工况及峰值工况下绕组处最高温度仿真结果.

图4 两台电机不同工况下绕组温度仿真结果Fig.4 Winding temperature simulation results of two motors under different conditions

从图4可以看出在额定工况运行30 min后, 图4(a)的非晶电机绕组部位的最高温度(135.4 ℃)要高于图4(c)硅钢电机绕组部位的最高温度(127.7 ℃).在峰值工况运行2分30秒后, 图4(b)非晶电机绕组部位的最高温度(145.9 ℃)高于图4(d)硅钢电机绕组部位的最高温度(138.8 ℃).

图5给出了额定工况下和峰值工况下仿真得到的非晶电机和硅钢电机绕组部位的温度曲线.图5(a)中各个时刻, 非晶电机的温升都高于硅钢电机.图5(b)在起始阶段, 非晶电机温度低于硅钢电机, 但运行后期, 非晶电机温度高于硅钢电机.

图5 两台电机不同工况绕组温度变化曲线Fig.5 Winding temperature curves of two motors under different conditions

从表2中看出在额定工况下非晶合金电机总损耗低于硅钢电机, 但在峰值工况下, 由于非晶电机铜耗较大, 非晶电机的总损耗高于硅钢电机.温度场分析结果表明非晶电机在峰值工况和额定工况下的温升都高于硅钢电机.这是因为电机的温升不仅与损耗有关, 还与材料的导热系数密切相关.非晶材料的导热系数小于硅钢, 限制了电机内部温度的传导, 所以其温升比硅钢电机要高.

2.3 电机高转速下温度场仿真

由2.2节可知, 非晶电机在额定转速3 000 r/min下温升高于硅钢电机, 非晶合金材料低铁损的优势无法充分发挥.但在高速下两台电机由于铁损的不同引起的温升有待分析, 所以将电机转速设置为7 500 r/min, 对比分析高速下两台电机的温度场分布情况.

将两台电机输出功率设为40 kW, 转矩设为50 N· m进行有限元仿真, 在电磁计算模块中计算得到7 500 r/min下电机各部分的损耗值, 所得计算结果如表4所示.

表4 高速下电机各部分损耗值 Tab.4 Losses of two motors in high-speed condition W

从表4中可以看出, 在高速下非晶电机定子铁损仅为89 W, 而硅钢电机定子铁损高达2 641 W, 硅钢电机定子铁损是非晶电机定子铁损的30倍.虽然非晶电机的绕组铜耗高于硅钢电机, 但由于定子材料低铁损的优势, 非晶电机总损耗仅为硅钢电机总损耗的1/3.

图6给出了两台电机运行30 min中电机机壳及绕组处最高温度随时间的变化曲线, 其中虚线表示H级绝缘材料的最高耐受温度180 ℃.

图6 高速下电机各部分温度曲线Fig.6 Temperature curves of two motors in high-speed condition

可以看出, 非晶合金电机在运行30 min后机壳及绕组处最高温度均未超过绝缘材料的最高耐受温度180 ℃, 而硅钢电机在12 min时电机机壳及绕组处最高温度已超过180 ℃.而非晶电机在运行至12 min时机壳最高温度为114 ℃, 绕组处最高温度为119.3 ℃, 远低于硅钢电机的温度.说明在该转速下硅钢电机运行时间不能超过12 min, 而非晶电机运行的时间可以远大于12 min.

结果表明:非晶电机在低速下电机温升高于硅钢电机, 但随着电机运行频率的上升, 非晶电机低铁损的优势不断扩大, 在高转速下非晶电机的温升远低于硅钢电机.

3 电机温升实验
3.1 实验平台

为验证有限元软件分析计算结果的准确性, 对两台定子材料不同的永磁同步电机进行实验测试, 搭建试验平台, 进行温升实验, 得出数据后与仿真结果进行对比.实验平台如图7所示, 通过变频器给实验电机施加电压激励, 通过测功机对电机施加负载转矩.本次实验在电机定子绕组内埋置KTY84-150型温控热敏电阻, 通过引出线连接至欧姆表中然后进行读数得出绕组位置的温度.

图7 电机实验平台Fig.7 Motor experimental platform

3.2 电机额定工况温升实验

对两台电机分别在额定工况下进行实验.定子铁心采用硅钢材料及非晶合金材料的电机额定工况数据如表5所示.

表5 实验电机额定工况 Tab.5 Rated condition of experimental motor

依照新能源汽车电机温升测试标准, 新能源汽车用驱动电机在额定工况下运行30 min, 每隔2 min记录一次温度.本次实验非晶合金电机在30 min后绕组温度为136 ℃, 硅钢电机在30 min后绕组温度为 128 ℃, 而本次试验电机绝缘等级为H级, 耐温标准为180 ℃, 因此两台电机的温升值均满足绕组绝缘材料的耐热标准.

3.3 电机峰值工况温升实验

定子铁心采用硅钢材料及非晶合金材料的电机在峰值工况下运行数据如表6所示.依照新能源汽车电机温升测试标准, 新能源汽车用驱动电机在峰值工况下运行150 s, 每隔30 s记录一次温度.本次实验非晶合金电机在150 s后绕组温度为149 ℃, 硅钢电机在150 s后绕组温度为 142 ℃, 而本次试验电机绝缘等级为H级, 耐温标准为180 ℃, 因此两台电机的温升值均满足绕组绝缘材料的耐热标准.

表6 实验电机峰值工况 Tab.6 Peak conditions of experimental motor
3.4 两台电机温升实验与仿真对比分析

图8给出两台电机绕组部位在额定工况下实验温升曲线及有限元法仿真温升曲线, 可看出使用有限元仿真软件计算的温升值与实验结果基本一致.

图8 电机额定工况温升实验与仿真结果对比Fig.8 Comparisons of experimental data and simulation results on experimental platform

表7为温度场仿真与实验数据对比, 其中误差是将实验与仿真温度做差, 然后以实验温度为基准计算差值百分比.可以看出, 在额定工况时, 仿真计算结果与实验结果接近.在峰值工况时, 仿真计算结果与实验结果相差略大, 但也在合理误差范围内.

表7 温度场仿真与实验数据对比 Tab.7 Comparisons of temperature field simulation and experimental data

实验测试温度比仿真温度较高的原因可能:1)使用电磁场有限元计算模型计算电机损耗时, 由于所建立的模型为二维模型, 在计算电机铜耗时并未考虑电机绕组端部的影响, 导致最后计算出的铜耗偏低.2)在温度场计算过程中建立电机的三维模型时将, 绕组端部等效为圆环型绕组, 根据式(3)可知, 等效后绕组体积增大, 使得单位体积内损耗减小, 影响仿真结果精度.3)在实验过程中, 样机采用的温控器件为KTY84-150, 这种器件灵敏度略低, 后期可采用精度较高的PT-100温控器件进行实验.

由于测试条件所限, 没有对高速下两台电机的温升进行对比试验.

4 结论

1)针对两台定子铁心分别采用非晶与硅钢材料的电动汽车用18 kW永磁同步电动机进行额定转速及高转速下温度场计算及实验验证.仿真结果表明由于材料的低铁损特性, 非晶电机在低速额定工况和峰值工况以及高速下总损耗都低于硅钢电机.

2)由于非晶材料导热系数较低且低铁损优势不明显.非晶电机的温升高于硅钢电机.当电机转速提高后, 得益于非晶材料的低铁损特性.非晶电机温升远低于硅钢电机.结果表明, 在自然风冷条件下非晶电机的温升符合汽车用驱动电机的要求.

后续工作中, 为提高仿真的精度, 可以从改进电机电磁场有限元模型及优化温度场计算时绕组端部处理等方面着手.

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