新能源汽車電子水泵電機的設計研究

趙地　陳閣　李翔翼

摘 要：汽車電子泵是新能源汽車等新型水循環系統的動力來源，永磁無刷直流電機是汽車電子泵的主電機，這類電機以后也會逐漸成為汽車的主流配置。在發展過程中，因為各種各樣的局限性，再加上外部環境的影響，一般市面上的電子水泵電機效率并不好，僅僅只能達到34%左右。而且它的利用效率也不足70%。這些不理想的數據也制約著電機的發展。所以，進一步研究提升電子水泵電機的設計方案，探究有效提高效率的方法就具有重要意義。對專用水泵電機的電磁結構進行了有限元分析和多目標優化設計，給出了電磁結構的設計方案。

關鍵詞：直流電機 電子水泵 電磁

1 引言

汽車電子泵是發動機熱平衡系統的能量來源，其基本原理是循環泵提前充水，發動機將電能轉化為機械能。泵體中的水瞬間從排水口處排出，泵體內部行程短暫的真空期。這時，產生的壓力差將出水口的水壓進離心泵。這個過程循環進行，水不斷的從出水口到離心泵，再從離心泵到出水口，就形成了相對穩定的動態平衡。市場上最常見的水泵專用電機是永磁無刷直流電機，目前還沒有專門的軟件和系統的方法來研究高效電子水泵發動機。如圖1所示，一般的電子水泵由離心泵、驅動電機和控制電路組成。

2 永磁無刷直流電機的理論研究

我國汽車電子水泵專用電動機的設計剛剛起步，大多數企業主要依靠經驗進行電動機的設計和分析。從理論層面推導影響電機狀態的因素更加符合科學，這是設計電動機的科學有效前提。根據電氣工程中的粘性阻尼理論，在將電機多個參量經過數學運算后，最終得出了電動機電磁力矩和電磁效率的多元函數表達式。通過分析表達式的組成成分，找到其中影響電動機性能的因子找。

2.1 建立電磁轉矩和電磁效率的函數模型

經過分析，最終選擇Y連接的三相電機來構造直流電機模型，將工程中默認的標準參量和已知的標定量帶入原有公式中，使用符號來代表永磁體的厚度，使用來代表鐵芯的長度，用表示級數，得出電磁力矩公式：

得到的電磁效率的公式

上式中，使用代表和電感有關的數、使用來表示平局半匝長，表示氣隙從公式可以得到，對電機電磁轉矩的影響因子有上面六個未知參量。

2.2 電機性能影響因素的數學分析

上式太過于復雜，為了方便研究，將上式中的所有常數加以定義，，，，，則的表達式可以寫為：

同理，令，則的表達式可以寫為：

3 電磁結構的參數化設計

3.1 永磁無刷直流電機電磁結構的參數化設計

首先，在粘性阻尼法的基礎上，通過MATLAB編程對發動機進行初步設計，緊接著就將MATLAB得到的結果應用于rmxprt發動機，在進行參數的仿真模擬時，選擇更加合理的參數對電機的整體性能進行分析，最終盡可能得到最優的電機參數

4 電機轉子的多目標優化設計研究

在matlab仿真后，使用RMXPRT將得到的參數進行進一步的優化處理，再處理完初始參數后，將電機的額定轉速設定在2800轉。這個時候電機工作狀態下最高的效率可以達到73%，這已經完全滿足轉矩的設計要求。經過實驗證實，轉子軛部的磁通密度是稍大于轉子齒輪的，并且個過渡點都存在極靴。在磁密過飽和現象中，電機的故障是在初始參數設置后表面安裝的轉子都是經過單獨配置的。在對電機轉子的多目標優化時，這部分進行了專門的設計，目的就是盡可能的提升電機的效率。同時，其他缺陷也得到了糾正。同時也對永磁直流電動機的轉子進行了rmxprt分析，都期望能過達到最理想的結果。

5 電子水泵試驗

在前期虛擬仿真的基礎上，本實驗以BMW n52發動機冷卻的原pirborg電子水泵為測試環境。水泵定子鐵芯與殼體內壁緊密對齊，并配有專用密封膠，為保證其防塵性、水密度和散熱性，不適合拆卸。為了保證對轉子設計和優化更加全面，試驗方案是更換轉子，試驗是在皮爾博格電子水泵條件下進行的。

5.1 轉子的設計

轉子的組成部分不復雜，主要由轉子軸和永磁體兩部分組成。設置0.68的極弧系數是為了使試驗條件盡可能接近模擬，因此應使用73%的板狀永磁體的徑向弧角90度。永磁材料為n35h，這種材料的耐高溫效果好，最高可以耐受溫度能達到120度，所以完全可以承受熱平衡系統產生的高溫。轉子軸的三維效果圖如圖2所示。

5.2 實驗條件和方法

專門用于進行汽車冷卻實驗的操作臺是冷卻水泵試驗臺。這個專業的測試系統很適用于汽車冷卻水泵的性能測試和評價，為汽車冷卻水泵的測試結果提高了可靠的理論依據。

這個試驗操作臺配有流量計、壓力的頭部測量系統、各種球閥、電磁閥、水復示器、SPS調節器以及直流參數的測量系統等轉置。通過厚厚的絕緣層，可以盡最大可能的還原實際工作情況的溫度，并且可以實地觀測到運行過程中的各項參數。圖示3是操作實驗臺。

實驗過程中，首先將球閥和電磁閥手動打開，將出水端的球閥完全打開，再接通電源，將穩壓電源調節在12V，配置限制電流為20安培。然后就可以進行界面的配置。這個時候的運行情況是正常的，電子泵的工作情況穩定，電子泵的最大量測試結束。這之后將排氣管端的調節球閥慢慢關掉，這是通過的流量逐漸變小，入口和出口兩端的壓力差逐漸變大，揚程也在變大，可以得到揚程變化，流量也變化，當完全關閉排氣管時，揚程最大，并且流量最小。

5.3 結果分析

基于多目標優化結果對表面相關轉子零件進行結構設計，測試電子水泵的運行狀態和對環境的耐久性。更換新轉子后，電動水泵的性能得到改善，物理試驗結果與仿真結果接近。

6 結束語

對泵機結構進行了市場調研和分析，在對水泵發動機結構進行綜合分析的基礎上，總結了水泵發動機的總體優點和不足，并提出了水泵發動機轉速、扭矩和功率的設計要求。

在原有阻尼理論的基礎上，直流無刷電機的電磁轉矩和電磁效率的公式被推導出來，經過對表達式的分析，確定影響電磁轉矩的干擾因素，尋求科學的解決方法，這給之后的進一步優化進程奠定了堅實的基礎。

根據粘滯阻尼法，編制了發動機設計計算和性能評價程序，并在rmxprt中進行了電磁結構的參數化設計。觀察性能參數，并根據這些趨勢、發動機設計要求和設計經驗調整參數。

經過實驗發現，在汽車電子水泵的設計研究中，軟件仿真結果和實驗得到的數據相差很小。這就成功證實了所設計的研究方法的科學性。為泵機工程的快速電磁結構設計和其他永磁無刷直流電機的建設提供了可靠的參考。

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