新能源汽车电子水泵电机电磁场仿真分析

刘佩森,谢志萍,2,全裕民

(1.成都工业学院 智能制造学院,成都 611730;2.四川省机械研究设计院(集团)有限公司,成都 610021;3.成都高新区华汇实业有限公司,成都 610095)

汽车产业快速变化,新能源汽车的普及正在加速发展,相关技术的更新也与日俱进。在汽车系统上,为发动机提供热平衡以及车体供水系统的装置称之为水泵。不同于传统汽车使用机械式水泵,新能源汽车常使用电子水泵,实现从驱动到控制的电子化,达到液体传输的可调性和精确性。目前电子水泵的效率通常达不到35%,其中专用电机的效率也不足70%[1]。因此,提高水泵电机效率,进而提高电子水泵的工作效率具有现实意义以及广阔的市场前景。

合理的电机设计,尤其是电磁场的分析与优化,对提升电机效率有着重要的影响。本文以新能源汽车电子水泵电机为研究对象,聚焦水泵电机电磁场仿真分析研究,旨在通过电磁场仿真分析进一步优化电机结构,提升电子水泵的工作效率。通过RMxprt电机设计模块建立电磁模型,使用ANSYS Maxwell电磁场有限元分析软件,利用参数化设计与扫描优化等方式,进行电机的电磁场仿真,优化电子水泵电机。

1 需求分析

受车体空间限制,电子水泵使用的电机一般选用微型特种电机(简称微特电机),一般指直径小于160 mm且具有特殊性能和用途的电机[2]。通常微特电机受制于电机的体积,造成定子槽规格小、绕组匝数少、漆包线线径较小以及气隙较细,使得绕组阻值较大、转子切割磁感线有效长度小、线圈绕组反电势较小,从而导致电机铜损较大,降低电动机转换效率。目前电子水泵主要使用永磁直流无刷电机,具有无电刷、寿命高和效率高等优点[3]。电子水泵主要功能是通过电机驱动叶轮旋转,产生离心力,将水吸入进水口,再从排水口排出,形成稳定流量。其工作原理如图1所示。

图1 电子水泵工作原理示意图

电子水泵并非持续工作,而是根据电动机工作热量,在车体控制单元规划下进行启动、停止以及加、减速运行。根据目标车型的需求进行电子水泵电机的设计,要求电子水泵结构紧凑,具有一定的通用性,最大流量为39 L/min,最大扬程不低于9 m。

根据离心泵轴功率与流量和量程的关系[4],可初步计算出需要的泵轴功率:

(1)

式中:ρ=1.1×103kg/m3为冷却液水基乙二醇的密度;g为重力加速度,m/s2;Q为离心泵流量,m3/s;H为扬程,m。

汽车开启过程中,电子水泵始终参与冷却和循环工作,计算得到的负载泵轴功率P应该略小于电动机的额定功率PN,确定PN=70 W。在电机功率一定下,适当选择高转速电机,可减少电机尺寸,经过水泵流量的测算,确定电机额定转速nN=5 500 r/min。

传统汽车的电气系统一般由汽车12 V电瓶供电,启动后的电瓶电压在13～14.8 V之间。新能源汽车易使用调压设备实现电压改变。考虑到通用性,确定水泵电机的额定电压UN=13 V。综上所述,初步给出电机设计的基本参数见表1。

表1 电机设计基本参数

2 建立电磁模型

定子和转子是水泵电机重要的电磁结构,由于定子产生的内部磁场和漏磁场分布复杂,转子永磁体性能与理论值的差异较大以及衰变等,致使永磁电机的计算误差一般较大。因此,永磁电机设计过程中常采用试探法,初定一些尺寸参数,再利用经验数据以及仿真等,确定和优化电机参数。

结合水泵电机的设计经验,定子采用6槽4级结构,为分数槽电机,可有效提升材料利用率[5]。转子永磁体也称为“磁钢”,由强磁材料钕铁硼制成,选磁极数为4。定子槽型选用梨形槽结构,如图2(左)所示,可以有效减少铁芯表面损耗和齿内脉冲损耗,同时可布置更多的绕组。初步给出电子水泵电机电磁参数,见表2。

表2 电机设计电磁部件参数 mm

图2 定子梨形槽结构和电机径向电磁模型

通过ANSYS Electronics Desktop软件集成的RMxprt电机参数化设计模块,建立永磁无刷直流电机的电磁模型。根据实际情况,作如下选择,转子位置(Rotor Position)选择内转子(Inner Rotor),定子硅钢片类型选择“DW310_35”,定子绕组槽(Slot)选择3号槽进行尺寸设计,尺寸参数如表3所示。电路类型(Circuit Type)选为3相Y型连接,绕组层数(Winding layers)选为2,线圈节距(Coil Pitch)选为1,线圈材质为铜(copper),磁钢材质选为NdFe30。完成后的电机径向电磁模型如图2(右)所示。

表3 电机定子槽尺寸参数 mm

3 绕组匝数确定

考虑电机电磁模型的对称性以及仿真运算的快速有效性,利用建立的电磁模型,创建Maxwell 2D设计工程。在研制该型号水泵时,须确定绕组线圈的匝数,这也是电机核心参数,直接影响电机效率。确定“电机效率最大化”的原则来确定绕组匝数,借助Maxwell电磁仿真进行分析与优化。

直流无刷电机效能预估基于“黏性阻尼理论”,将1个运动周期分为若干个状态,每1个状态角下电路模型等效为“1个反电势串联1个电阻”,电机电磁效率参考表达式[6-7]为:

(2)

式中:ηem为电机电磁效率;Pem为电机电磁功率;Pin为电机输入电功率;ηest为电磁效率估计值;c2是分母系数;c3是与电感有关的量。

由式(2)可见,电机效率是一个多变量复杂的公式,与铁芯长度、磁钢厚度、气隙、匝数和槽、极数等变量均有关系[8]。为简化仿真分析,使其更有效地反映电机效率,仿真结果优化采用如下原则:

1)最优匝数电机产生的线反电动势应略高于电源电压。

2)最优匝数电机产生的电磁力矩接近理论计算值。

图3 不同匝数电机线反电动势变化

再次缩小匝数取值范围,将匝数取48～51匝之间,再次进行仿真分析,图4为电机线反电动势变化。由图4可知,此时产生的反电动势差别微小,基本能满足设计要求,故可初步确定匝数为49匝。

图4 绕组匝数48～51匝电机线反电动势变化

进一步分析不同匝数产生的电磁力矩。

(3)

式中:T为电机电磁转矩;P为电机输出功率;n为电机输出转速。

由式(3)[9]易得70 W电机对应电磁转矩应该为121.50 mN·m。图5给出不同匝数下,电机电磁转矩的仿真结果。可知匝数为49匝时,转矩能达到121.21 mN·m,与理论计算值很接近。同时得出,绕组匝数的提升有助于电机输出转矩的增高。综上所述,研制的水泵所用的永磁直流无刷电机绕组匝数确定为49匝。

图5 不同匝数电机产生电子转矩变化

4 电磁系统仿真

将匝数49匝代入设计参数中,进行电机电磁系统仿真。首先分析在额定转速5 500 r/min下,水泵电机的瞬态磁通密度如图6所示,图中给出半个周期(0,60,120,180°)内的磁通密度变化图。由图6可知,磁通密度最大值均位于定子齿槽部,槽内磁通密度基本均匀分布,最大磁通密度约1.6 T。对比定子硅钢片“DW310_35”的磁化曲线(B-H曲线),该电机的磁通密度均接近于膝点位置。同时分析水泵电机的磁力线分布,如图7所示,磁路的总磁通分为有效磁通和漏磁通[10-11]。有效磁通基本沿铁芯传导,每对极的磁通回路均闭合,只有少量磁通通过铁芯和气隙漏磁,磁力线分布较为合理,也说明该水泵电机设计合理。

图6 水泵电机瞬态磁通密度仿真

图7 水泵电机磁力线仿真

对于永磁直流无刷电机,永磁体和定子铁芯之间相互作用产生的齿槽转矩会影响电机速度和控制性能,尤其在低速时更明显,因此水泵电机设计时需有效抑制齿槽转矩[12]。合理的电机结构,例如定子槽宽、气隙距离、极狐宽度、极槽数等,都能有效降低齿槽转矩[13-14]。通过Maxwell软件可以进行齿槽转矩仿真,建立0电流激励的仿真模型,适当调低电机转速,进一步细分气隙域网格尺寸,提高表面剖分密度。图8给出水泵电机齿槽转矩仿真图,齿槽转矩均值为-0.006 6 mN·m,接近于0值,进一步说明该永磁电机设计合理。

图8 水泵电机齿槽转矩仿真

5 结果分析

根据以上电子水泵电机的电磁场仿真结果,研制出绕组匝数为49匝的电机满足设计要求。根据设计参数,生产出电子水泵样机。该实例电子水泵电机的定子部分、转子部分,如图9所示。

图9 研制的电子水泵用电机定子和转子实物

对研制的水泵电机进行实验室测试,通过外观检查、尺寸测试、噪声、密封性以及流量测试,表明研制的水泵电机均达到要求。表4给出实验室测试中水泵电机流量测试结果,结果表明水泵流量均超过需求的39 L/min。图10给出水泵电机实验室测试设备。随着新技术和新材料的持续改进,在进一步的研究中,可对水泵电机进行全面的噪声、振动和声振粗糙度分析,不断优化水泵电机,推进轻量化设计,提升工作效率。

表4 实验室流量测试数据 L/min

图10 水泵电机实验室测试设备