基于多領域仿真的混合動力汽車用啟動發電一體化永磁同步電機設計

錢金鵬+周成才

摘 要：根據車用電機的現代設計理念、步驟和具體原則，設計了混合動力汽車用啟動發電一體化永磁同步電機，在滿足各項性能指標要求的基礎上，詳細分析了電機結構和多物理場，并利用仿真系統提高其精確性，從而為電機設計水平和質量提供了重要保障。

關鍵詞：混合動力汽車；啟動發電；永磁同步；多物理場

中圖分類號：U469.7 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.17.079

在電機工程中，多領域仿真的混合動力汽車動力總成結構呈緊湊的狀態，它為電機和驅動系統提供的空間十分有限，所以，在提升發電一體化電機系統設計高密度、輕量化和小型化的過程中，會使電機在電磁負荷和電負荷的選取過程中超過常規電機的“極限值”。針對這一情況，在設計過程中，技術人員必須要綜合考慮高密度引發的電機磁飽和、發熱、形變、振動和噪聲等問題，從而提高設計水平，采用多目標、多極限的優化設計方法，在確保設計系統安全、可靠的前提下降低生產成本，提高系統的使用性能，使混合動力汽車的動力結構更加合理化、標準化和科學化。

1 設計理念

基于電機驅動系統，綜合考慮了電子方面的設計，具體分析了電、磁、力學、熱、結構和電力等方面的內容。結合車用高密度永磁電機的設計原則，協同多個領域分析和多層面系統仿真優化設計方案，制定了科學、合理的設計方案。依據高密度永磁電機的設計原則，通過對設計理念的優化，保證電機能力與逆變器容量的協調運行，從而為電機運行提供了科學方案。同時，在此過程中，要盡可能地降低驅動系統的成本。在車用電機運行的過程中，它極力追求高密度、輕量化和小型化的結構，這樣很容易出現畸形運轉，導致電機峰值轉矩運行時發生不良狀況——磁路高度飽和、溫度升高、轉子形變和永磁磁鋼累積退磁效應進程不斷加快等，造成設計的不合理。因此，采用現代電機設計理念，在提高電機整體結構剛度的同時，要求設計人員要改善輸出轉矩的質量，并且要避開共振點。針對永磁電機的設計，要合理配置電機本體和驅動裝置的能力，同時，還要加強對電機運行過程中熱能管理的分析，避免發生變形或出現振動、噪聲等影響電機的使用壽命，從而確保電機結構設計的可靠性。

在設計電機時，要遵循以下原則：①追求高密度、輕量化和小型結構。根據電機設計冷卻和散熱結構，確保電機結構能夠將熱量充分排出。同時，要做好極限值的設置工作，要合理選擇定子槽數、電機極數和永磁電機繞組的型式，進而保證電機運行的穩定性。另外，要追求質量功率密度和體積密度指標。②電機要有足夠的空載永磁磁鏈，這樣才能提高永磁轉矩的密度。同時，要控制好驅動系統的電壓，確保該系統能夠安全、可靠地運行。③保證電機能力與逆變器容量在整個運行區域內匹配合理。

2 啟動發電一體化永磁同步電機的設計

目前，在混合動力汽車用啟動發電一體化永磁同步電機的設計中，采用車用高密度永磁電機多領域協同仿真與系統優化進行具體設計。其主要步驟為以下3個。

2.1 電機概念設計和結構仿真分析

在混合動力汽車用啟動發電一體化永磁同步電機的設計中，電機設計是整個設計過程的重要基礎。根據電機拓撲結構的集中參數磁路系統模型、電磁熱路系統模型和電磁機械系統模型，快速評估了電機的電磁、熱學、力學性能，電機結構的仿真，最終采用具體的方案加以驗證。

2.2 分析電機多物理場

在永磁同步電機的多物理場中，基于電機內部的磁場、應力場和溫度場的精確性進行相關分析和計算。采用電機本體與驅動電路的耦合仿真，進一步提高了計算電機系統電磁性能的準確性。在電機運行過程中，綜合分析了永磁電機轉子的電磁應力、離心應力和熱應力的性能，明確了轉子結構的可靠性，找出了相關薄弱環節。另外，根據熱網絡和溫度場混合模型，進一步了解電機導熱和冷卻結構的具體性能、指標，并在此基礎上進行電機系統運行的熱能管理仿真試驗，有效提高了系統設計的精確性，為系統運行的可靠性和安全性提供了重要保障。

2.3 多領域仿真系統的計算

在永磁同步電機設計中，具體內容是針對永磁電機結構的仿真設計，因此，必須要根據電機的主要尺寸，基于Proengineer軟件平臺進行電機拓撲結構仿真模型分析，以確保電機結構的合理性和可裝配性。電磁性能仿真是基于Maxwell2D軟件進行電機本體與驅動電路的耦合電磁性能仿真試驗，以此計算出電感參數、磁密分布和磁力線分布，在優化設計方案中，不斷提高電機性能設計的精確性，并分析轉子結構的力學性能，計算形變。在分析轉子電磁應力、離心應力和熱應力等引起電機轉子表面發生變形的過程中，要找出其中的最薄弱環節并完善，從而提高轉子結構的精確性，有效改善電機振動和噪聲方面的內容。根據電機本體在運行中的固有頻率，分析其振動模態，從而降低噪聲。

3 結束語

綜上所述，基于多領域仿真的混合動力汽車用啟動發電一體化永磁同步電機的現代設計理念、步驟和原則，在設計中，不斷優化驅動控制裝置，完善電機本體各部分配置的設計，盡可能地提高電機整體的剛度，從而降低系統振動和噪聲。在設計過程中，追求輕量化、高密度和小型化的性能指標，確保整個電機能夠安全、可靠地運行，同時，要提高電機關鍵部位溫升和熱變形處理，最終通過仿真試驗驗證了混合動力汽車用啟動發電一體化永磁同步電機的合理性和科學性。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕