基于永磁體溫度對車用電機性能影響分析

任慶，桂祈禎

(1. 安徽江淮汽車股份有限公司 技術中心，安徽 合肥 230601; 2. 合肥通用機械研究院，安徽 合肥 231508)

0 引言

新能源汽車驅動電機系統技術水平在不斷提高，與此同時對驅動電機系統的轉矩精度及性能一致性要求也隨之提高。影響驅動電機轉矩精度及性能一致性的部件及因素較多影響部件有硅鋼片、繞組和永磁體。硅鋼片部件主要是影響其導磁能力的一些因素如電流、頻率、剪切應力、擠壓應力、溫度等；繞組部件主要是影響其電阻的一些因素，主要為溫度的影響；永磁體部件主要是影響其B-H曲線特性的因素，最主要為溫度；本文主要針對永磁體的溫度因素展開對車用電機性能的影響分析。為了基于溫度對永磁體B-H曲線特性的影響分析對車用電機性能影響，就必須對車用電機磁路方案建立二維仿真模型，并對二維模型永磁體材料進行不同溫度下屬性的添加，永磁體在不同溫度下，分析車用電機的反電勢大小及在相同輸入條件下的輸出轉矩大小。本文采用Ansys Maxwell軟件對永磁體不同溫度下電機輸出性能仿真分析，并與實際測試值進行比較，為電機磁路仿真分析材料屬性添加提供了參考，為研究溫度對電機轉矩精度影響提供依據。

1 分析基礎

永磁體的B-H曲線(圖1)：在同一溫度下，當磁感應矯頑力H為0時，剩余磁感應強度B達到最大為Br；隨著H的增加，磁鋼的B開始有微小的降低，此段為電機永磁體的工作段，繼續增加H達到最大磁感應矯頑力Hc，永磁體在此段剩磁B會急劇下降；當去掉外加最大磁感應矯頑力Hc時，永磁體的B會直線回復到原來的最大剩磁Br，此線為永磁體的回復曲線。在不同溫度下，永磁體B-H曲線的規律是一樣的，隨著溫度的增加，永磁體的Br和Hc均會降低，溫度較高時，永磁體的回復線會出現拐點，電機設計時在最大電流時，電機永磁體的剩磁應大于此拐點數值[1-2]。

在計算反電勢時，線圈有Nc匝，則線圈電動勢為Ey1即：

Ey1=4.44fNcky1Φ1

(1)

電機由于每極(雙層)或每對極(單層)下有q個線圈串聯，組成線圈組，因此線圈組電動勢等于q個串聯線圈電動勢之和，如圖2所示。分析一個極相組內q個線圈的合成電動勢Eq1為：

(2)

圖2 極相組的合成電動勢

結合式(1)與式(2)得相反電勢為：

Eq1=4.44qNcky1kq1fΦ1=4.44qNckN1fΦ1

(3)

若電機三相為Y接法，則其線反電勢為[3]：

(4)

在計算電機輸出電磁轉矩時，其數學模型磁鏈方程可表示如下：

其轉矩方程為：

Tem=3/2pn(ψfiq+(Ld-Lq)idiq)

(5)

電機性能分析是根據所建立電機磁路模型，再根據反電勢的產生及計算原理，轉矩方程，對電機空載反電勢、輸出轉矩分析計算，最終確定電機的輸出特性。本文根據此理論計算磁鋼在不同溫度下材料屬性的電機反電勢及輸出轉矩，總結隨磁鋼溫度的變化，電機空載反電勢及輸出轉矩的變化規律。

2 有限元模型

在Maxwell軟件中建立電機磁路仿真二維模型，模型參數見表1。

表1 電機基本參數

圖3所示為該電機在Maxwell軟件中建立的1/8二維仿真模型[4-5]。由于磁鋼在高溫下性能降低較多，因此本文重點關注100℃以上時對電機性能的影響，對該模型進行20 ℃、100 ℃、120 ℃、140 ℃、150 ℃及160 ℃時磁鋼N35UH材料屬性Br及Hc數值的設置，具體設置參數見表2。

圖3 二維仿真模型

溫度/(℃)Br/(T)Hc/(kA/m)201．194-921．31001．118-850．51201．094-828．21401．068-802．11501．052-772．11601．035-695．5

3 磁路有限元分析

首先，在Maxwell中設置轉速為6 000r/min，電流激勵為0，計算2個周期下電機永磁體在20℃、100℃、120℃、140℃、150℃及160℃的空載反電勢[6]，計算結果分別如圖4所示。永磁體在不同溫度時空載反電勢波形是一致的，但是反電勢的數值差別較大，不同溫度下反電勢有效值如表3。隨著永磁體溫度的增加，電機空載反電勢也隨之減小。

圖4 不同溫度下的空載反電勢圖

溫度/(℃)20100120140150160空載反電勢/(Vrms)299276267261255247

其次，在maxwell中分別對額定工況和峰值工況進行不同永磁體溫度時轉矩分析[7-8]。圖5為在3 000r/min下設置永磁體在不同溫度時的Br及Hc，輸入電流72Arms及電角48°，計算各溫度下電機輸出轉矩。

根據上述計算3 000r/min輸出額定轉矩的分析方法分析其他轉速下的輸出轉矩。表4給出了3 000r/min及其他轉速下峰值工況和額定工況的分析結果，結果表明從20℃到160℃，相同輸入條件下，永磁體在不同溫度下輸出轉矩相差平均值為7N·m，但電機實際運行時，轉子永磁體溫度變化不大，所以磁鋼溫度對輸出轉矩影響較小。

表4 相同輸入條件不同溫度下輸出扭矩

圖5 3 000 r/min時不同溫度下的輸出轉矩圖

4 樣件測試

為了驗證仿真結果的可靠性，對所分析電機進行臺架搭建測試如圖6所示，由于本文只研究永磁體溫度對電機性能影響，為了排除其他部件因素干擾，因此只測試常溫20℃下的反電勢及不同轉速下的輸出轉矩，并與仿真20℃下數據進行比較即可。6 500r/min下空載反電勢測試波形及大小如圖7，所以6 000r/min空載反電勢有效值為291Vrms，與仿真值299 Vrms接近；輸出轉矩對比數據如表5，轉矩與20℃仿真分析值接近。

圖6 電機測試臺架

圖7 6 500r/min時空載反電勢波形

電流/Arms電角/(°)轉速/(r/min)仿真值(-20℃)/(N·m)測試值/(N·m)8224250075717248300064619079600036301975425001791741696030001441411567760007370

5 結語

本文采用Ansys/Maxwell軟件仿真了永磁體在不同溫度下對電機輸出性能的影響，搭建測試臺架測試了常溫下電機輸出性能，并與20 ℃仿真結果比較，結果表明，測試反電勢與輸出轉矩與常溫20 ℃下仿真結果接近；從仿真結果得出永磁體溫度對輸出轉矩影響較小，并且隨著溫度升高空載反電勢降低，而在整車中反電勢降低有利于電機高速時弱磁。為仿真時永磁體添加常溫下的屬性提供了理論依據。

參考文獻:

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