基于多领域仿真的混合动力汽车用启动发电一体化永磁同步电机设计

钱金鹏+周成才

摘 要：根据车用电机的现代设计理念、步骤和具体原则，设计了混合动力汽车用启动发电一体化永磁同步电机，在满足各项性能指标要求的基础上，详细分析了电机结构和多物理场，并利用仿真系统提高其精确性，从而为电机设计水平和质量提供了重要保障。

关键词：混合动力汽车；启动发电；永磁同步；多物理场

中图分类号：U469.7 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.17.079

在电机工程中，多领域仿真的混合动力汽车动力总成结构呈紧凑的状态，它为电机和驱动系统提供的空间十分有限，所以，在提升发电一体化电机系统设计高密度、轻量化和小型化的过程中，会使电机在电磁负荷和电负荷的选取过程中超过常规电机的“极限值”。针对这一情况，在设计过程中，技术人员必须要综合考虑高密度引发的电机磁饱和、发热、形变、振动和噪声等问题，从而提高设计水平，采用多目标、多极限的优化设计方法，在确保设计系统安全、可靠的前提下降低生产成本，提高系统的使用性能，使混合动力汽车的动力结构更加合理化、标准化和科学化。

1 设计理念

基于电机驱动系统，综合考虑了电子方面的设计，具体分析了电、磁、力学、热、结构和电力等方面的内容。结合车用高密度永磁电机的设计原则，协同多个领域分析和多层面系统仿真优化设计方案，制定了科学、合理的设计方案。依据高密度永磁电机的设计原则，通过对设计理念的优化，保证电机能力与逆变器容量的协调运行，从而为电机运行提供了科学方案。同时，在此过程中，要尽可能地降低驱动系统的成本。在车用电机运行的过程中，它极力追求高密度、轻量化和小型化的结构，这样很容易出现畸形运转，导致电机峰值转矩运行时发生不良状况——磁路高度饱和、温度升高、转子形变和永磁磁钢累积退磁效应进程不断加快等，造成设计的不合理。因此，采用现代电机设计理念，在提高电机整体结构刚度的同时，要求设计人员要改善输出转矩的质量，并且要避开共振点。针对永磁电机的设计，要合理配置电机本体和驱动装置的能力，同时，还要加强对电机运行过程中热能管理的分析，避免发生变形或出现振动、噪声等影响电机的使用寿命，从而确保电机结构设计的可靠性。

在设计电机时，要遵循以下原则：①追求高密度、轻量化和小型结构。根据电机设计冷却和散热结构，确保电机结构能够将热量充分排出。同时，要做好极限值的设置工作，要合理选择定子槽数、电机极数和永磁电机绕组的型式，进而保证电机运行的稳定性。另外，要追求质量功率密度和体积密度指标。②电机要有足够的空载永磁磁链，这样才能提高永磁转矩的密度。同时，要控制好驱动系统的电压，确保该系统能够安全、可靠地运行。③保证电机能力与逆变器容量在整个运行区域内匹配合理。

2 启动发电一体化永磁同步电机的设计

目前，在混合动力汽车用启动发电一体化永磁同步电机的设计中，采用车用高密度永磁电机多领域协同仿真与系统优化进行具体设计。其主要步骤为以下3个。

2.1 电机概念设计和结构仿真分析

在混合动力汽车用启动发电一体化永磁同步电机的设计中，电机设计是整个设计过程的重要基础。根据电机拓扑结构的集中参数磁路系统模型、电磁热路系统模型和电磁机械系统模型，快速评估了电机的电磁、热学、力学性能，电机结构的仿真，最终采用具体的方案加以验证。

2.2 分析电机多物理场

在永磁同步电机的多物理场中，基于电机内部的磁场、应力场和温度场的精确性进行相关分析和计算。采用电机本体与驱动电路的耦合仿真，进一步提高了计算电机系统电磁性能的准确性。在电机运行过程中，综合分析了永磁电机转子的电磁应力、离心应力和热应力的性能，明确了转子结构的可靠性，找出了相关薄弱环节。另外，根据热网络和温度场混合模型，进一步了解电机导热和冷却结构的具体性能、指标，并在此基础上进行电机系统运行的热能管理仿真试验，有效提高了系统设计的精确性，为系统运行的可靠性和安全性提供了重要保障。

2.3 多领域仿真系统的计算

在永磁同步电机设计中，具体内容是针对永磁电机结构的仿真设计，因此，必须要根据电机的主要尺寸，基于Proengineer软件平台进行电机拓扑结构仿真模型分析，以确保电机结构的合理性和可装配性。电磁性能仿真是基于Maxwell2D软件进行电机本体与驱动电路的耦合电磁性能仿真试验，以此计算出电感参数、磁密分布和磁力线分布，在优化设计方案中，不断提高电机性能设计的精确性，并分析转子结构的力学性能，计算形变。在分析转子电磁应力、离心应力和热应力等引起电机转子表面发生变形的过程中，要找出其中的最薄弱环节并完善，从而提高转子结构的精确性，有效改善电机振动和噪声方面的内容。根据电机本体在运行中的固有频率，分析其振动模态，从而降低噪声。

3 结束语

综上所述，基于多领域仿真的混合动力汽车用启动发电一体化永磁同步电机的现代设计理念、步骤和原则，在设计中，不断优化驱动控制装置，完善电机本体各部分配置的设计，尽可能地提高电机整体的刚度，从而降低系统振动和噪声。在设计过程中，追求轻量化、高密度和小型化的性能指标，确保整个电机能够安全、可靠地运行，同时，要提高电机关键部位温升和热变形处理，最终通过仿真试验验证了混合动力汽车用启动发电一体化永磁同步电机的合理性和科学性。

参考文献

[1]黄素荣，林仁杰，董顶峰.混合动力汽车用启动发电一体化永磁同步电机控制系统设计与仿真[J].电机与控制应用，2015（22）.

[2]郭明臣.插电混合动力汽车永磁同步电机控制算法开发[D].长春：吉林大学，2014.

[3]刘雄.复合式双电压永磁电机设计与仿真分析[D].长沙：湖南大学，2014.

〔编辑：白洁〕