雷雄，于起涛，李承栩
特种车载500 kW永磁同步电机的优化设计
雷雄1，于起涛2，李承栩2
（1. 湖南湘电动力有限公司湖南湘潭 411101，2. 湖南大学，长沙 410082）
特种车载永磁同步电机温升过高会导致其绝缘寿命和工作性能显著下降。本文以特种车载500 kW永磁同步电机优化过程为例，通过调整电机磁钢参数来改善电机磁路分布，减低电流波形畸变率，从而有效降低电机温升。本文应用Maxwell 2D软件计算电机电磁场，检验了电机空载工况的电磁性能。采用典型电机热路模型法对电机建模，应用Motor-CAD软件对温度场进行对比分析。计算结果和实验结果表明优化方案温升降低约42.17%，验证了该方法的有效性。
特种车辆永磁同步电机优化设计温度场
随着国民经济的发展和工业水平的进步，许多行业对应用于该行业特定用途的特种工作车辆需求量也在迅速扩大[1,2]。永磁同步电机(PMSM)凭借其高效率、调速性能好、控制精度高等优势在电动汽车领域发展十分迅速[3～5]。尽管永磁同步电机在民用领域的研究相对成熟，但是对于性能要求相当高的特种车辆电机来说，国内特种车辆使用的大功率永磁同步电机的文献和研究就显得相当有限[6]。电机运行时发热严重是特种车载永磁同步电机设计的技术难点之一，因此研究特种车载大功率永磁同步电机设计，以及通过优化电机结构来改善磁密分布和减少电机发热，对特种车辆研究发展很有帮助，对国民经济发展和国防建设都具有十分重要的意义。
国内学者对特种车辆永磁同步电机的设计有一定的研究，文献[6]介绍了特种车辆永磁同步电机的基本设计流程，提出用电机电磁场有限元分析方法校验电机的电磁设计方案，但是仅限于电机初步设计，并没有对电机进行深入的优化设计。文献[7]在流体力学的基础上研究了特种车辆大功率永磁同步电机温度场热分析方法，虽然求解损耗精度很高，但是求解过程繁琐，计算速度慢、难度大。
为了改善电机磁密分布，降低电机稳态运行温升。本文以一款500 kW的特种车载永磁同步电机设计过程为例，首先介绍了基于大功率特种车载永磁同步电机设计的技术要求和基本原理。然后分析了优化后电机部分电磁参数计算结果。最后对样机和优化电机进行温度场仿真，制造了优化电机，并搭建了实验平台并对其温升指标进行了预测。
电机设计要依据给定的设计指标和设计要求。本文所研究的特种车载500 kW永磁同步电机是一种采用双Y联结方式的三相永磁同步发电机，要求电机冷却水入口温度80℃、环境温度20℃、水流量60 L/min条件下，最大稳态温升不超过125 K，其技术指标如表1所示：
表1 技术指标参数
电机峰值转矩与永磁同步电机的主要尺寸之间有如下关系：
通过计算并综合考虑电机技术指标，初步确定定子内径为335 mm，定子外径为450 mm，转子外径为330 mm，转子结构选为内置V式结构，槽极数为72槽12极，定子转子材料选择20SW1200，磁钢材料选择smco32，磁钢厚度为14 mm。
相较于民用车辆，特种车辆运行环境要恶劣许多，因此所使用的电机性能要求更加苛刻。本节针对特种车载电机的应用特点，基于ANSYS软件对电机磁钢参数进行了优化调整，使电机：1）磁密分布更加合理；
2）电动势波形更加接近正弦波；
3）在规定条件下，电机稳态温升下降。
电机材料和结构参数能够反映出电机性能的好坏，而磁钢参数与电机各部分的磁密息息相关，本文通过改变磁钢材料和优化磁钢结构参数来达到降低电机谐波含量的效果。本文所优化电机磁钢结构示意图如图1所示。优化前后电机参数变化由表2给出。
表2 优化前后磁钢参数对比
优化方案是样机经过优化后选出的最佳方案，优化方案空载数据如表3所示。
图1 磁钢结构示意图
经过Maxwell 2D仿真后，优化方案空载磁密分布云图如图2所示。空载气隙磁密波形如图3所示。
表3 优化前后电机空载仿真数据
图2 优化电机磁密分布云图
图3 优化电机气隙磁密
图4 空载线电动势波形
图5 空载线电动势傅里叶分解
空载线电动势波形如图4所示，空载线电动势波形傅里叶分解如图5所示。
本热模型验证采用典型电机热路模型法。热路分析假设所有热源和热阻采用集中热源和等效热阻代替，把温度场简化为带有集中参数的等效热路图进行计算。等效热路图中的热源为绕组的铜耗、铁芯铁耗等，损耗所产生的热量通过各种相应的热阻，由热源向冷却介质传递，形成一个如图6所示的复杂的热路。
图6 样机等效热路图
根据负载试验电流计算得到铜耗为5 793 W，空载试验铁耗与机械耗为5 620 W，其中电机模型空载仿真铁耗为2 357 W，剩余机械损耗按1:1:8分别施加给前/后轴承、风磨耗。根据输入功率的5‰，500000×0.005=2 500 W，按6:4分别附加给铜/铁耗。电机热路模型损耗设定如表4所示：
表4 电机热路模型损耗设定
同时设定转速：4 200 rpm、冷却水入口温度: 20℃、环境温度20℃、水流量：60 L/min。最终计算结果如图7所示。
图7 冷却水入口温度20℃样机温度场计算
样机方案温度场仿真数据与试验数据对比如表5所示。
表5 样机温度场仿真数据与试验数据对比
由表5可知，仿真结果与试验值吻合较好，仿真模型能有效反映实际电机。
修改冷却水入口温度：80℃、环境温度20℃、水流量：60 L/min，计算结果如图8所示。
由温度场仿真结果可知，绕组温度最大值为245.3℃，平均温度为219.2℃，平均温升为139.2 K。
根据实验数据修正得到铜耗为3 564 W，空载试验铁耗与机械耗为6 300 W，其中电机模型负载仿真铁耗为3 344 W，剩余机械耗按1:1:8分别施加给前/后轴承、风磨耗。根据输入功率的5‰，500000×0.005=2 500 W，按6:4分别附加给铜/铁耗，优化方案电机热路模型损耗设定如表6所示。
同时设定转速：3 800 rpm、冷却水入口温度：80℃、环境温度20℃、水流量：60 L/min。最终计算结果如图9所示。
图8 冷却水入口温度80℃样机温度场计算
表6 优化方案电机热路模型损耗设定
图9 冷却水入口温度80℃优化电机温度场计算
冷却水入口温度：80℃，环境温度20℃，水流量：60 L/min时优化方案与样机方案的温度场仿真数据对比如表7所示：
表7 优化前后温度场仿真数据对比
因此，与样机方案相比，优化方案平均温升降低了58.7 K，约42.17%，有效降低了绕组温度。借助样机温度场仿真结果（冷却水入口温度：20℃，环境温度20℃，水流量：60 L/min）对优化方案温度场仿真计算结果进行修正，可得样机方案与优化方案绕组最大温度和绕组平均温度对比数据，对比结果见表8。
表8 优化前后绕组温度对比
注：1. 误差 =（计算值 /试验值）- 100%
2. 修正值 = 计算值/（误差+ 100%）
优化方案平均温升为62.7 K（142.7℃ - 80℃），最大温升100.2 K（180.2℃ - 80℃），满足电机在冷却水入口温度：80℃、环境温度20℃、水流量：60 L/min条件下，最大稳态温升不超过125 K的要求。
按照优化方案的尺寸数据制造实体电机，实体电机如图10所示。
图10 优化电机实拍图
对电机相关性能进行测试，测试结果如下：
1）技术要求空载额定线电压波形畸变率不大于5%，实测为1.07 %，满足技术要求。
2）技术要求电机在冷却水入口温度：80℃、环境温度20℃、水流量：60 L/min条件下，最大稳态温升不超过125 K，实测为100.2 K，满足技术要求。
本文设计了一款特种车载500 kW永磁同步电机，以满足设计指标为目的，通过改变磁钢材料和优化磁钢结构参数，最终使电机获得了理想的磁路分布，减少了电流谐波含量，降低了电机稳态运行温升。
磁钢材料和结构参数会对电机性能产生重要影响，通过磁钢设计可以有效改善电机磁密分布和温升情况，为电机工程设计提供了参考。
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Optimization design of special automotive 500 kW permanent magnet synchronous motors
Lei Xiong1; Yu Qitao2; Li Chengxu2
（1.Hunan Xiangdian Power Co., Ltd., Xiangtan 411101, Hunan, China; 2.Hunan University., Changsha 410082, China）
TM343
A
1003-4862（2022）09-0061-05
2022-05-26
雷雄(1968-)，男，总经理。研究方向：电机设计与制造。E-mail: 2864473250@qq.com
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