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新能源汽车增程器用外转子永磁同步发电机设计

谢培利;席荣盛;崔友

【摘要】为配套新能源汽车增程器用发电机,设计一款额定功率63kW的外转子永磁同步发电机.从发电机结构、电磁材料、磁体结构、冷却结构等方面分析了外转子永磁同步发电机的设计要求.利用JMAG建立了该电机的的二维有限元仿真模型,并对性能进行了仿真,最后进行了试制、调试及实验.结果表明:增程器用外转子永磁同步发电机,性能良好、高效率工作区域占比高.

【期刊名称】《装备制造技术》

【年(卷),期】2017(000)011

【总页数】5页(P85-88,100)

【关键词】新能源汽车增程器用发电机;外转子永磁同步发电机;仿真;二维有限元法;集中绕组

【作者】谢培利;席荣盛;崔友

【作者单位】佛山市顺德区金泰德胜电机有限公司,广东顺德528300;佛山市顺德区金泰德胜电机有限公司,广东顺德528300;佛山市顺德区金泰德胜电机有限公司,广东顺德528300

【正文语种】中文

【中图分类】TM351

0引言

电动汽车配置増程器属于重度混合动力汽车，节油率可以到达30%~50%.可以有效增加电动汽车的一次充电续行里程，降低车载电池的成本和重量。受车辆安装空间的限制，要求增程器用永磁同步发电机的性能良好，具有高效率工作区域占比高的要求，并要求发电机的功率密度高和体积小。外转子永磁同步发电机具有结构简单，运行可靠；体积小，功率密度高；损耗小，效率高，高效率工作区域占比高；外转子永磁同步发电机与内转子永磁同步发电机相比，电机具有更高的功率密度，电机转子散热条件由于内转子，在同样的电机重量下可以获得更大的转动惯量，不额外增加飞轮机壳满足增程器的平稳运行等优点。本文研究的增程器用外转子永磁同步发电机用于4.5t轻卡、8~12m公交大巴，电压平台为540DCV.本文设计了一款额定转速3050r/min，24槽32极的外转子三相永磁同步发电机，给出了设计思路，并利用JMAG建立了这款发电机的二维有限元仿真模型，对模型的定转子结构、磁路分布情况，电机的反电势、功率输出、效率区域进行仿真，并在此基础上制造出样机，完成空载测试、负载效率等测试，验证了二维有限元仿真性模型的正确性和分析的准确性。

1增程式增程器用外转子永磁同步发电机设计

1.1主要技术指标

本方案的发电机额定直流母线电压540DCV，额定输出功率在3050r/min时等于63kW，最大输出功率在2500r/min时大于87kW，最高工作转速5000r/min.最大输出转矩332N·m，额定效率大于96%，在工作区内效率大于85%的区域占比大于85%.

1.2发电机主要尺寸的确定

电机在设计过程中，需要考虑的主要尺寸是电枢直径Di1、铁芯长度Lef、长径比λ=Lef/Di1.由电机主要尺寸[1]关系可知：

式中：Temmax为最大转矩（N·m），Bδ1为气隙磁密基波幅值（T），A为定子电负荷有效值（A/cm）.

在保证发电机动态响应性能指标的条件由以下关系式[1]可知：

式中：p为电机极数；tb为电机加速时间（s）；ωb为电机基本转速（rad/s）；ρFe为转子材料密度（g/cm3）.电机的长径比影响电机的性能和成本，一般在内转子电机中长径比在0.6~1.5之间浮动。在增程器用

式中：Tem为电磁转矩（N·m）；ψm为磁链最大值（wb）；IDC为控制器输入电流（A）.

电机的极数与电机的电磁转矩成正比。在磁链和电流被限定的情况下，综合考虑电机的尺寸要求，电机极数越多越能获得大的转矩。外转子电机定子位于里面，如采用常用的整数槽分布式绕组，在极数多的情况下，槽数将比较多，而槽的尺寸将比较小，造成槽的利用率小。分数槽集中式绕组相比分布式绕组的端部短，使电机的总体长度小，可以减少电机的铜耗，具有较高的功率密度和效率。通过优化设计，可以使电机的电流谐波小、齿槽转矩小[2]。

1.4永磁体的设计

增程器用永磁同步发电机与汽车内燃发动机连接在一起，发电机所处的环境温度较高，发电机的内部温度相对较高，因此需要永磁体具有较高的工作温度；而且发电机的体积小，功率密度密度大，需要永磁体具有剩磁、矫顽力、最大磁能积高等特点。钕铁硼永磁材料正是具有以上特点，并具有良好的机械性能，方便加工和安装，最高工作温度200℃的永磁体已经大批量生产，具有优秀的性价比。

外转子磁极结构有瓦片、式圆筒式和一字式。本方案的发电机采用一字式磁极，如图1所示。外转子发电机中由于受到安装尺寸的制约和需要转动惯量大的要求，外转子发电机的长径比相比内转子电机小。

1.3发电机极数与槽数的确定

发电机的极数受到发电机的最高转速和控制器允许的最大输出频率限制。由电机的电磁转矩关系可知[1]：

图1一字式磁极形状

永磁体采用一字式磁极