「分析」电动汽车水冷式永磁同步电机设计与分

日期:2019-11-08编辑作者:北京赛车官方正版投注

核心内容电机模型——方法,使用和验证如果没有复杂的仿真工具,将无法满足现代汽车开发流程中日益增长的需求。对电动车来说更是如此:动态行驶,可以在一定时间内提供短暂的功率提升,但是很快就会达到负荷极限。为了能够在每个开发阶段准确预测输出和能耗,电气化动力总成的准确仿真是绝对必要的——Dr. Malte Jaensch电动车性能准确仿真的核心是电机模型。电机的核心看似非常简单:只有外壳、转子、定子和两个轴承,但事实上是一个非常复杂的热、电、机械的机构,建模和验证充满各种挑战。1、整车模型及其主要部件一个合适的用于计算功率和能耗的电动车模型包括很多独立的模型模块。最重要的模型模块,以及他们之间的相互作用的更多细节,如图1所示。

以某一车速爬上最大坡度消耗的功率Pm2为

整体系统的仿真模型如图2所示。

图1 简化的BEV仿真模型驾驶员模型扮演着控制器的角色,将给定的速度曲线上的车速设定点,和来自车辆动力学模型的实际的车速进行比较,并通过油门和制动踏板来尝试进行车速跟随。而控制元件将踏板位置转换为或正或负的扭矩需求发送给逆变器。然后逆变器模型将匹配的交流电流传递给电机模型,电机模型再把电机电源端的交流电压信息发回给逆变器。电池模型主要是管理直流电流和电压的关系,和电机模型一样,电流被看做模型的输入,电压是输出。在电机内部,发生着从电功率到机械功率的转换。在电动机模式下,电机模型接收电流输出扭矩,然后扭矩就被作为输入传递给传动总成模型。传动总成模块代表了多个传动系统部件,比如变速器,差速器和离合器。传递到车辆动力学模型的扭矩都由传动总成模型控制,计算车辆的反应,比如车速和轮胎转速,重量平衡,轮胎打滑等等关系。组成电气化动力总成的很多零部件都要求在实车中进行液冷。因此相应的部件模型也有关于热的子模型,模型使用冷却剂温度作为输入参数。温度改变的计算主要基于冷却剂温度,并且取决于每个模块的单位损耗。2、电机建模一个典型的电机模型是由四个组成部分:电磁模型,功率损失模型,热模型和机械模型。 图2 电机模型的组成模块电磁模型有两个主要功能:第一,它计算交流电压是交流电流,扭矩角,角频率,绕组温度和磁体温度的函数。第二,它估算内部转矩是电流,转矩角,功率损失和磁体温度的函数。功率损耗模型基于电流、转矩角、角频率和温度等参数计算电机内部的损耗。为了覆盖各种不同的损失类型,功率损耗模型也包括各种子模型。热模型计算模型部件的温度以及初始的冷却液温度。冷却介质的流速和输入温度都要考虑在内。机械模型可以很基本,在计算可用输出扭矩的时候只考虑电机的惯性。电机模型的内部工作其实是一种简化的描述,各个模块之间其实存在高度的相互依赖,逆变器的调节动作也进一步增加了这种依赖性。而准确的建模来表示这种复杂行为,是仿真中最大的挑战之一。仿真的质量是由其接近现实结果的程度决定的。在电机模型可以被用作整车模型一部分之前,建立的模型需要进行准确性验证,主要是通过对比计算的结果和电机测试台架上的数据两者之间的关系。3、电机模型验证的测量测试计划的简化示例,可以被OEM用做电机系列化开发的一部分,包括六个主要类别的测试。开始测试来决定基础的电机参数,将执行一系列的测试项目:机械测试,给电机加上机械负载在壳体和轴上;环境测试,将电机暴露在较差的环境条件下,比如盐雾、水和高温中;在变化的气候条件下进行三种耐久性测试,还有仿真工程师们认为最重要的测试,性能测试。 图3 标准电机测试流程概览对于电机模型的验证,性能测试的结果和电机参数的检查是极其重要的,即便他们各自都不足以构成一个完整的验证。然而,测量的数据提供了模型验证的基础。如果测量值和计算结果的差距太大,那么就会对几何尺寸,材料属性和模型系数进行调整。因此,通过重复这些步骤,模型会让我们离真实测量结果越来越近。4、验证电磁模型为了验证一个复杂的子模型,经常要求额外的特殊测试,如下5个例子所示:计算的和测量的开路电压对比一个非常简单且有用的验证电磁模型的测试方法是去比较计算的和测量的开路电压。在电气连接状态下,一个电机被动旋转期间测量的开路电压,见图4。基本的建模错误,比如错误的几何形状或者错误的绕组模型,都会立刻显现出来。 图4计算和测量的开路电压对比除了工程师的技能和知识外,模型的准确性是由选择的建模方法决定的:有限元法提供了极其准确的结果;而分析方法,例如交流电压的波形,只能提供一个大致的图形。转矩和电流的比较验证电池模型的另一个测试,是比较扭矩和电流的相互关系。在低速的情况下,交流电流逐步增加,而净扭矩在每个状态下都测的到。在大电流下,铁的饱和效应导致电流边际效用递减。至于这种效应在建模的时候是否该被考虑以及如何被考虑,只能由计算和测量的对比来决定。 图5 扭矩和电流的相互关系测量阻力损失功率损失模型是几个不同的损失模型的组合,并一起来决定电机的行为。功率损失是电磁以及热模型和很多优化方法之间的连接纽带。阻力损失包括机械以及由于转子的旋转磁场和定子相互影响所产生的电磁铁损失。这些损失可以通过用一个剔除磁体或者用钝化材料代替磁体的电机重复试验来将机械和电磁铁损失分开。可以通过让电机在一个转速范围进行被动旋转,并记录下所需扭矩的方法来进行测量。 图6转速范围的阻力损失铜损和铁损计算除了机械损失和铁损,在铜绕组上的欧姆损失也起着重要作用。这些铜损的计算在大多数情况下比较简单,只要电阻和温度已知。另外,这也允许铁损从总损失中分离出来。铁损本身可以更进一步的分为涡流损失和磁滞损失,他们可以通过各自的频率相关性识别出来,因此可以作为验证论证中的子模型的基础。 图7恒定扭矩下的功率损失验证热模型最后的例子展示了如何利用一个简单的测试调整热模型的电容和电阻:在一个设定的转速下,电机受限于最大的扭矩。结果是温度升高到达一个特定的阈值,这时候逆变器降低功率防止电机过热。在大约30分钟之后,电机达到它的稳定状态。在峰值功率阶段的前几秒钟的损失,主要积累成电机在最初几秒的热质量。测量的温度梯度因此也可以被用来验证各自的热容。一旦电机稳定并且输出额定功率,就没有净功率流进流出热质量。热容和热阻因此也可以被分别测量。因此确定的值也可以被用作热模型的系数。 图8功率、电流和温度的变化5、总结电机是高度复杂的电子、机械、热系统。每个模型必须考虑到它是否可以得到精确的仿真结果。电机模型和它的不同子模型的验证,对于一个精确和可行的计算来说是绝对必要的,而这种验证也需要在在试验台架上进行综合测试。基本的数据设置是由OEM的测试提供的,而这种测试也是标准测试的一部分。然而,复杂模型的验证要求额外的测试手段。电机模型的整合和测量,对于一个电气化动力总成行为的精确仿真是非常重要的。因为,电机是电气化动力总成的中心,电机影响着整个车辆的行为。个人观感正文结束,照例要叨逼叨几句个人感言:1、电机是核心一直以来,国内的新能源产业界对电池的重视程度要比电机高出好几个数量级。大家一致认为搞定电池就能搞定电动车,甚至得电池者得天下。而这篇文章从另一个角度对电机的重要性给予了非常多的强调,不仅仅是因为电机在整个车辆动力学建模仿真中,由于自身具有的热、机械、电的多维复杂性,给精确仿真带来了不小的挑战;也由于电机作为驾驶员扭矩需求反馈的执行机构,和其他电力电子部件,传动总成,电池系统等有着最为密切的关联,对整车的动态特性和行为起着决定性作用,对整个驾乘体验有着非常重要的意义,也从某种程度上决定着整车的效率和能耗。因而,保时捷认为电机才是重中之重,核心中的核心。2、解耦是王道我个人一直认为解耦是解决工程领域问题的最重要的思维方式和方法论。这篇文章提到了很多例证,我只提两个,一个是电机本身作为电、机械、热的高度杂糅集成系统,在建模过程中被解耦为电磁模型,功率损失模型,热模型和机械模型;另外一个更微观,是在计算铁损的过程中,通过频率的相关性来将涡流损失和磁滞损失进行解耦并识别。如果我们加以延伸,是否任何的工程问题,无论是材料、机械、电子、电化学,甚至生物医药领域的极度复杂或者“高维度”问题都可以通过解耦来解决。3、问题即答案这个判断源自文章中提到的“功率损失是模型和优化方法之间的连接纽带”这一说法。其实,我们将问题的本质分析清楚的过程,是最高效的求解思路和方法。很多时候,我们找不到答案或者答案本身不正确,往往是我们对问题理解的不准确或者过于片面造成的。恰如产品定义的准确与否,很大程度上取决于对应用场景的感知和判断;咨询方案的适配程度,也基本与对公司自身问题剖析的准确和深入程度呈正比。

驱动电机的选择和匹配需要根据汽车动力性参数来确定,目前主要利用汽车最高车速、汽车最大爬坡度和加速性能这三方面的数据,选配与汽车相协调的驱动电机。

本文以双闭环矢量控制系统为研究对象,在Simu-link 中进行仿真来验证控制系统的有效性。通过分析仿真结果得到矢量控制系统的动静态特性,从而证实了本设计方案的可行性。

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式中:nmax为最高转速;∑i为传动系统传动比;r为车轮滚动半径。

矢量控制模块的内部结构如图3 所示。子模块输入角速度给定和实际角速度值求偏差,并送入转速调节器(PI 调节器);磁链给定的偏差信号用来作为磁链调节器(PI调节器)的输入,dq-abc、各计算环节及abc-dq 实现转速和磁链的解耦控制,pulses generator单元产生脉冲信号控制IGBT逆变器达到变频调速的目的。转子磁链相位角和励磁、转矩电流计算均根据矢量控制原理采用Simulink 下的Fun模块设置函数,本文不再给出它们的具体仿真模型。

针对某型纯电动SUV的水冷式永磁同步驱动电机进行了设计与仿真分析,得到以下结论。

2.2.1 异步电动机与逆变模块

2.2 电机水冷结构的设计

脉冲发生器模块由滞环控制器和逻辑非运算器组成。模块的输入信号是三相给定电流和三相实测电流,输出信号是由六路IGBT 逆变器逆变来的六相脉冲信号。模块将给定信号和实际测量信号进行比较,当实测电流小于给定电流且偏差大于滞环宽度时,输出为1,逆变器相正向导通,负向关断;当实际电流大于给定电流且偏差小于滞环宽度时,输出为0,逆变器相负向导通,正向关断。采用逆变器通与断来调节逆变器输出线电压的频率,实现变频调速。电流滞环控制器模型如图4所示。

冷却系统的热平衡方程式为

4 结语

式中:imax为传动系统最大传动比;

2 基于Simulink 的异步电机矢量控制系统仿真模型

1为轴;2为转子铁芯;3为前端盖;4为主壳体;5为定子铁芯;

异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统,矢量控制是电机控制系统的一种先进控制方法,由于其交流调速时的优越性被广泛应用到异步电机调速系统中。基于Simulink 的交流异步电机仿真可以验证系统设计方案的有效性,在实验室应用过程中可能遇到系统设计难题。

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矢量控制系统,简称VC 系统,坐标变换是核心思想。矢量控制的基本思想是以产生同样的旋转磁动势为准则,将异步电动机在静止三相坐标系上的定子交流电流等效成两相静止坐标系上的交流电流,在通过坐标旋转变换将其等效成同步旋转坐标系上的直流电流,等效过程中实现磁通和转矩的解耦控制,达到直流电机的控制效果,得到直流电动机的控制量。便可将三相异步电动机等效为直流电动机来控制,获得与直流调速系统接近的动、静态性能。

通过相关公式和给定参数,计算得出表2所示

异步电机矢量控制系统一直都是系统原理和系统设计方案的重点和难点,基于Simulink的异步电机矢量控制系统模型为设计良好的矢量控制系统提供了完善的系统验证方法。本文根据矢量控制原理完成了结构简明的按转子磁链定向的矢量控制系统,经过仿真实验,结果表明该矢量控制系统能有效控制异步电机的启动和调速,证明了本文所提出的设计方案具有很强的实用性。

表1 整车基本参数与性能参数

矢量控制中矢量变换包括三相-两相变换和同步旋转变换,将d 轴沿着转子总磁链矢量φr 的方向称为M 轴,将q 轴逆时针转90°,即垂直于矢量φr 的方向称为T 轴,经过变换电压-电流方程改写为式(1),磁链方程为式(2):

基于Ansoft RMxprt建立永磁同步电机仿真模型,导出Maxwell2D模型视图,进行电磁场仿真分析。Ansoft RMxprt中有专门的内置式(interior permanent magnet,IPM)永磁同步电机的分析模块,输入电机基本参数,具体包括定子/转子的结构形式及参数、绕组参数、磁钢参数等。永磁同步电机二维仿真模型如图3所示。

在启动仿真之前,首先要设置交流异步电机参数:

以汽车加速性能确定驱动电机功率Pm3为

2.2.2 矢量控制模块

Fig.4 Motor magnetic field and the magnetic induction

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式中:umax为最高车速;m为整车总质量;ηt为机械传动效率;f为滚动阻力系数;CD为风阻系数;A为迎风面积。

abc-dq变换模块实现三相定子坐标到dq 坐标的变换,变换模块模型如图5 所示;dq-abc 变换模块实现dq 坐标到三相定子坐标的变换,变换模块仿真模型如图6所示。采用三相到两相或两相到三相变换表达式设置变换模块中相应的函数表达式。仿真采用的Simu- link/ User-Defined Function/Matlab Fcn模块实现不同形式的函数运算。

式中:hm为传热系数平均值;Δtm为流体与壁面温度差值;qm为流体的质量流;t0为流体进入水道温度;ti为流体进流出水道温度。

2.2.3 脉冲发生器模块

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逆变器参数:逆变器设置为三电平桥式电路IGBT,逆变器直流电源VDC = 780 V,给定磁通值φ*r = 0.96 Wb;转速控制器(PI调节器)参数kp = 13,ki = 26,限幅为300;电流控制器的滞环宽度H = 20 A.负载转矩为10 N-m,给定角速度为20 rad/s.

R=R0[1 α]

0 引言

绕组损耗为

1 矢量控制原理

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由式(2)可得转子磁链φr 仅由定子电流励磁分量isM 产生,与转矩分量isT 无关,而isM 和isT 是相互垂直的,这两者是解耦的。矢量控制变频调速系统结构如图1所示,从图1上可以看出系统采用了转速、磁链的闭环控制。图中标*的量为给定量,其余为实际测量值。

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2.2 仿真模型中主要部分

式中:ρ为冷却水的密度;cm为比热容;Δt为冷却水流过电机后的进出水口的温度差。

2.2.4 abc-dq,dq-abc坐标变换模块

Fig.5 Motor magnetic field lines distribution

3 仿真结果及分析

驱动电机的额定电压随额定功率增大而增大,同时驱动电机的额定电压与电池组电压密切相关。通过高压配电盒,将电池直流电转换为电机交流电。因此,选择合适的电池组电压和电流是满足整车驱动行驶的前提。根据实际工况与参数匹配要求,选择电机额定电压为220 V。

通过选择适当的PID参数,采用不同的PID参数对电机的空载、负载及正常运行过程进行仿真,本仿真采用试凑的方法完成两个调节器PID参数选择。结果得系统响应平稳、动静态性能都较好,转速超调小且稳态误差小。仿真结果验证了该建模方法的有效性和正确性。

Fig.3 Permanent magnet synchronous motor

异步电动机选用SimPowerSystem模块库中的Asyn-chronous Machine SI Uints,选择在同步旋转坐标系的笼式异步电动机数学模型。模块的A,B,C是异步电动机定子绕组输入端,与IGBT逆变器的输出相连。逆变部分由SimPowerSystem 模块库中的Power Electronic 下的Universal Bridge 模块形成,逆变器的输入pulse 端为PWM控制信号(6路),输出为三相ABC交流电压。

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3.2 仿真分析

图2 永磁同步电机周向螺旋水冷结构

3.1 参数设置

magnet synchronous motor

根据矢量控制系统原理,利用Matlab/Simlink软件中的电气系统工具箱SimPowerSystems对系统进行仿真。

表2 电机设计参数

2.1 系统总体模型

电机运行过程中会产生损耗,不仅使电机的工作效率降低,也会使电机内部温度升高。当电机温度过高时,其内部材料会发生变化,进一步会影响电机正常工作。电机的冷却系统主要是利用冷却介质带走运行过程中所产生的热量,起到快速降温的作用,从而避免因温度过高而引起一系列问题。因此,对于电机温升的分析研究,除了要准确分析计算电机整体温度场分布情况外,还要提高电机自身的散热能力即改善电机的冷却系统。

额定线电压220 V、交变频率50 Hz、磁极对数2,转动惯量J = 1.662;阻尼系数D = 0.1;定子内阻Rs = 0.087 Ω,定子漏感Ls = 0.8 mH;转子内阻Rr = 0.028 Ω,转子漏感Lr = 0.8 mH;定转子互感Lm = 34.7 mH.

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Table 2 Motor design parameters

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hmAΔtm=qmcm

pemax≥max(pm1,pm2,pm3)

3.1 电机建模

Table 1 Basic parameters and performance

影响电机温度场的主要因素包括:冷却水流速、水道的结构及电机壳体材料。不同的冷却水流速和水道的结构会对电机的对流换热系数,还会影响电机散热过程中传热系数、密度和化热容等相关参数。水道结构不仅对于电机的温度场有非常大的影响,而且还会直接影响到电机整体重量。

intensity distribution

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根据表1所示整车基本参数与性能参数,经计算初步设计驱动电机额定功率为30 kW,峰值功率为60 kW,符合GB/T 18488.1—2015电动汽车用驱动电机系统技术条件要求。

图5 电机磁力线分布

在电动汽车电机设计时,额定功率应满足电动汽车对最高车速的要求,驱动电机峰值功率应能同时满足电动汽车对最高车速、最大爬坡度和加速度的要求。所以电动汽车驱动电机的额定功率和峰值功率分别为

基于某型纯电动SUV对其永磁同步驱动电机进行了性能参数、结构参数的匹配计算及本体设计,设计出周向螺旋式水冷结构,分析了电机的主要热源,对冷却系统的热量进行了计算,利用Ansoft有限元软件对电机的电磁特性进行了仿真。试验表明设计的电机能较好地满足车辆驱动要求。

Fig.1 Permanent magnet synchronous motor heat transfer

台架试验表明,设计的电机能较好地满足车辆驱动要求。

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6为冷却水;7为水道外壳;8为绕组;9为后端盖

分析了电机的热源与热量传递特性,对冷却系统进行了热量计算,设计了永磁同步电机的周向螺旋式水冷结构,能满足电机散热需求。

图4 电机磁场与磁感应强度分布

电动汽车最高行驶速度与驱动电机最高转速之间的关系为

2.3 冷却系统热量的计算

1 电机基本参数的确定

式中:λ为电机的过载系数,取值一般为2~3.5,本设计取λ=2;TM为电机峰值转矩。

电机运行过程中,会伴随着各种损耗,引起电机的温度增加。电机热的来源主要有铁损、铜损、永磁损耗和机械损耗,其中铁损和铜损占车辆电机损耗的很大比例。铁芯损耗由转子和定子铁芯损耗组成。机械损失包括轴承摩擦损失和空气磨损引起的空气和转子表面之间的摩擦。永磁同步电机的大部分损耗来源于定子铁芯及绕组。定子铁芯损耗所产生的热量与机壳发生热传递,因此可以通过在机壳中设计冷却水道来进行换热降低其温度。绕组损耗所产生的热量与包裹在其表面的绝缘体进行传热,之后传给定子铁芯,铁芯再与冷却水换热。此外,还有部分绕组损耗是由其端部产生,可以忽略不计。

冷却水流速为

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「分析」电动汽车水冷式永磁同步电机设计与分析北京赛车官方正版投注。电动汽车以最高车速行驶消耗的功率pm1为

式中:I为流过每相绕组的电流;R0为20 ℃即正常室温下的每相绕组电阻值;α为铜在20 ℃时的电阻温度系数,取α=0.003 9/℃;T为常温下的绕组温度,经验值取T=100 ℃。

建立永磁同步电机仿真模型,分析了电机磁场强度、磁感应强度及磁力线的分布特征,为电机结构及性能优化提供了参考。

驱动电机额定转速为

Fig.2 Spiral water-cooled structure of permanent

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驱动电机最大功率、额定转矩、最高转速等参数。

对电机模型进行网格划分,计算空载、定子三相绕组任意两项通电流时的磁场分布,图4是永磁同步电机内部磁场强度H和磁感应强度B的分布情况。

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假设冷却水箱中的冷却液全部流入电机的水道中,并且将电机产生的全部热量带走,通过假设温度差,可确定冷却水的总流量:

two-dimensional model

电机存在两种热量的传递方式:一种是热传导,即热量从一种介质被传入另一种介质中去,主要是一个传递的过程;另一种是热对流,通过介质的流动实现。水冷式永磁同步电机主要通过冷却水对流来释放铁芯和绕组的热量,因为冷却水的对流换热效率比空气对流换热的效率要高得多。热量被传递到水道的冷却水之后,通过其流动将热量带走。永磁同步电机热传递示意如图1所示。

冷却水道的设计是电机冷却系统的关键。水道形式决定了冷却液的流动路径、流动速率、对流散热的面积,这些因素也直接影响电机冷却系统的效率。由于不同的电机自身的发热部位、发热强度、形状外观、功率大小都各有差异,设计时要针对电机的特点选择最恰当的水道形式。鉴于周向螺旋式水冷结构管壁表面光滑平整,具有流动阻力小,压力损失小,水速比较稳定,冷却效果易于掌控等优点,结合电机在整车上的使用环境、布置需求等因素,将该电机定子壳体内的冷却结构设计周向螺旋式结构。

式中:PCu,i绕组i的铜损值;Ii为绕组i中电流;Ri为绕组i的电阻。电机为三相绕组,即

式中:β为驱动电机扩大恒功率区系数,通常取值为2~4,这里取β=2.5。

2 水冷结构的设计与计算

图1 永磁同步电机热传递

电机磁力线A分布如图5所示。由图5可知电机的磁通主要部分为定子绕组通有电流的激磁极经气隙达到转子极的主磁通,且在磁钢附近有少许的漏磁。

2.1 电机的热源分析

式中:uf为汽车加速后达到的速度;δ为旋转质量换算系数。

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图3 永磁同步电机二维模型

PCu,i=3I2R

通过理论计算、数值仿真、样机试制等环节,设计的永磁同步电机试验样机如图6所示。台架试验表明,电机参数与设计指标基本符合,能较好地满足车辆驱动要求。

由图4可以直观看到电机空载运行时磁场强度和磁感应强度的分布以及各个部分磁场的饱和情况。从图4可以看出硅钢片靠近永磁体部分磁感应强度高度饱和,整个电机磁感应强度分布均匀,减少了谐波干扰。

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式中:V为冷却水的流速;n为水道的数量;Al为水道的截面面积。

3.2 电机磁场仿真

永磁同步电机具有较高功率密度和转矩密度,与异步电机相比,既有结构和成本上的优势,同时又弥补了效率低这一缺点。针对开关磁阻电机噪声大的问题,永磁同步电机通过叠加磁阻转矩来克服上述不足,提高效率的同时,又降低了转矩脉动。由于永磁同步电机取消了电励磁系统,在结构上得到了优化,性能有所提升,运行可靠,效率相对较高。随着稀土材料的开发,越来越多的高性能永磁材料用在永磁同步电机上,其功率密度和运行效率也得到提高。

parameters of the vehicle

图6 永磁同步电机试验样机

3 机建模与仿真

「分析」电动汽车水冷式永磁同步电机设计与分析北京赛车官方正版投注。Fig.6 Permanent magnet synchronous motor

式中:up为汽车爬坡时的行驶速度;αmax为最大坡度角。

pe≥pm1

experimental prototype

4 结论

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电机最大转矩Tmax的选择既要满足启动转矩和最大爬坡度的要求,又要结合最大传动比,计算公式为

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关键词: 永磁 电机 损失 模型 扭矩

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