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[分享] 以PriusIII驱动电机为例,研究一下48槽8极永磁同步电机

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[LV.5]常住居民II

发表于 2015-3-1 23:33 | 显示全部楼层 |阅读模式
这个想法由来已久,因为目前主流的EV, HEV如prius I, II, III代驱动电机,日产Leaf,以及新版雅阁,都采用了48槽8极的PMSM,这里不妨以Prius III的电机为例,好好研究一下该电机的性能与特点,推而广之,对这种或者主流的电动车用电机就会有深刻的体会了。

感谢之前龍が如く发的讨论帖《以第三代TOYOTA Prius为例,讨论电动汽车驱动系统》: http://bbs.simol.cn/thread-33596-1-2.html
很多原材料和基本信息都在这里了,我就从这些信息里面梳理,仿真,分析吧,力争在新年初的这个月里面做点贡献!

电机的基本信息见橡树岭的报告,主要参数性能摘录如下:


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[LV.3]偶尔看看III

发表于 2015-3-1 23:45 | 显示全部楼层
很多汽车驱动电机采用的每极每相槽数q=2,尤其以48槽8极为多,从各厂家的选择看,这个极槽配合比较适合汽车驱动电机。
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该用户从未签到

发表于 2015-3-2 10:41 | 显示全部楼层
新能源汽车电机这个槽极配合算是经典配合了!
大家现在拼的都是制造工艺和细微的产品优化!
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[LV.5]常住居民II

 楼主| 发表于 2015-3-2 22:39 | 显示全部楼层

从ORNL的结果看,这个电机的功率为60kW,电池电压为201.6V,经过boost电路将DC电压提升到650V。
电机最高转速13500rpm。 对转子来说是个挑战,尤其是离心力影响和轴承冷却。


上面说电机的转矩为205Nm,参照这个图,如果用MTPA算法,电机最大电流应该为250A,交流值基本上175Arms。

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[LV.3]偶尔看看III

发表于 2015-3-2 23:12 | 显示全部楼层
电机最高转速13500rpm不算很高,转子磁桥要分析设计的好的话,问题不大。THS电机内部油冷(外部水冷),电机轴承用变速箱油来润滑和冷却要比水冷电机轴承要好的多。水冷却电机的轴承是脂润滑的密封轴承,这种轴承的极限转速要比油润滑的开式轴承低很多。
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[LV.5]常住居民II

 楼主| 发表于 2015-3-3 21:15 | 显示全部楼层
本帖最后由 pat 于 2015-3-3 21:24 编辑

参考前面报告中所给的电机尺寸,基于Ansoft Maxwell 2D建立了一个模型,硅钢片、磁钢等材料参考那个经典的培训资料。这里就不赘述了。
值得一提的是,该与前两代电机相比,该电机绕组改成了双层短距绕组(τ=5/6),根据交流电机绕组理论,这样可以有效消除5,7次谐波,但对下线工艺和成本来说更复杂了。

所建模型和网格划分如下:

其中灰色为硅钢片,假设蓝色磁钢为N极。绕组分别用蓝、红、绿色表示A、B、C相。(个人习惯而已)
根据多年使用软件的经验,网格划分的好坏直接决定了计算速度和结果好坏,好多初学者反应Ansoft网格剖分很烂。其实不然,Ansoft网格划分自有其独到之处。对于动态计算,可以继承静态场自适应划分的结果,但有时候网格数较多,影响计算速度。
最佳的方法是自己手动划分,在磁钢和转子表面等磁场变化较大的地方最后剖密一些。


尤其对于气隙,因为是运动边界,最后都剖几层,可参考关于prius电机培训文档中关于cogging torque计算的那一章。这里就不花太多时间讲了。
只说一点:最后band边界上节点数是旋转步长的整数倍。比如本例中设定转速10000rpm,时间步长为0.0125ms,每个步长为0.75°,刚好每转10步为一个cogging torque周期。


设定仿真时长0.75ms,则刚好转子转过一极,理论上cogging torque波动6个周期。cogging torque最大值1.15Nm左右,明显是经过优化的结果。

三相反电势结果,齿槽谐波很明显,峰值接近600V。

三相电感和自感,可以看到,其实不是正弦的,所以我们看到的电机动态理论中把三相电感看成恒定值+二次正弦波是理想化的结果,实际上考虑饱和等因素更复杂,所以好的矢量控制是需要标定不同工作点的电感值的。

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在10000rpm的时候相反电势接近600,但是母线电压DC才650V,这反电势是不是太高了点?!  详情 回复 发表于 2015-11-11 10:14
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 楼主| 发表于 2015-3-3 21:32 | 显示全部楼层
本帖最后由 pat 于 2015-3-3 21:37 编辑

不太喜欢Ansoft后处理界面,所以可以导出数据自己处理。以前面的反电势和cogging torque为例,自己画图并补全另一半周期,同时算出线-线值,分别作FFT分解,结果如下:

可以看到,因为采用短距,所以5、7次谐波没有了,而通过Y-连接,相反应电势中3k(k=1,2,3...)次谐波也没有了。


相反应电动势的谐波总量为13%,而线反应电动势仅仅为4%。

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 楼主| 发表于 2015-3-3 21:57 | 显示全部楼层
再看看负载情况,假设线电流为150Arms,按照MTPA,电流角一般为-40°。算下来结果如下:

平均转矩207Nm,基本上就是Prius III的峰值扭矩,而此时转矩波动只有13.8Nm,对于不斜槽的电机来说是很小的。

再看看这时候的电感,无论数值还是波形都跟开路不一样了。所以说永磁电机的非线性很强,简单地用理想数学模型是存在很大局限性的。

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这个电流是正弦电流吗?  详情 回复 发表于 2015-7-25 10:31
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[LV.5]常住居民II

发表于 2015-3-4 09:00 | 显示全部楼层
能否从总体上介绍一下,为什么是8极?然后为什么是48槽,不是54槽,不是36槽,不是72槽?

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pat
这个学问就多了,不是三言两语能说完的。 如果是8对极配54,36槽,每极每相槽数为分数,磁阻转矩不够大。不利于提高电机转矩密度。 72配8倒是可以,但是这样的尺寸槽数太多下线困难,增加制造成本。  详情 回复 发表于 2015-3-4 23:43
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[LV.3]偶尔看看III

发表于 2015-3-4 15:46 | 显示全部楼层
楼主,能否附上电机的各部分磁路的磁密分布情况图。谢谢!{:soso_e183:}

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pat
看磁密没有意义。永磁电机必然有地方高度饱和。 比如下图是200Arms,-50°的结果 [attachimg]122526[/attachimg]  详情 回复 发表于 2015-3-4 23:31
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发表于 2015-3-4 20:39 | 显示全部楼层
pat 发表于 2015-3-3 21:57
再看看负载情况,假设线电流为150Arms,按照MTPA,电流角一般为-40°。算下来结果如下:

平均转矩207Nm ...

请给出详细的数据,我用Ansys Emag计算一下。

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pat
可以把不同电流,不同控制角都仿一下。利用Ansoft的optimetrics很方便。比如这里我将电流从25A~250A,0~-90°都算一下。 后处理可以看到不同电流,不同控制角对应的转矩及转矩波动范围。如果对感兴趣的点,也可以拷  详情 回复 发表于 2015-3-4 23:08
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[LV.5]常住居民II

 楼主| 发表于 2015-3-4 23:08 | 显示全部楼层
zengxiaodong 发表于 2015-3-4 20:39
请给出详细的数据,我用Ansys Emag计算一下。

可以把不同电流,不同控制角都仿一下。利用Ansoft的optimetrics很方便。比如这里我将电流从25A~250A,0~-90°都算一下。
后处理可以看到不同电流,不同控制角对应的转矩及转矩波动范围。如果对感兴趣的点,也可以拷出数据做傅里叶分析,看看转矩波动阶次。这个是产生噪音的一个来源。

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 楼主| 发表于 2015-3-4 23:14 | 显示全部楼层
本帖最后由 pat 于 2015-3-4 23:20 编辑

上面的结果很让人崩溃,这也是我不喜欢Maxwell后处理界面的原因,所以只好把数据导出来自己处理。这样就能看到不同电流下在不同控制角度对应的转矩及波动情况了。






总结一下所有点的平均转矩和波动水平,见下表。


绘出特性曲线,就可以看出在用多大电流,如何控制可以产生最大转矩了。


这个电机最大的优点就是100Nm(正常工作情况)电机的转矩波动很小,想必丰田是费了一番心思的。

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 楼主| 发表于 2015-3-4 23:31 | 显示全部楼层
dddjjjyyy888 发表于 2015-3-4 15:46
楼主,能否附上电机的各部分磁路的磁密分布情况图。谢谢!

看磁密没有意义。永磁电机必然有地方高度饱和。
比如下图是200Arms,-50°的结果

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黄博士,请问一下,看磁密为什么没意义呢,关于永磁同步电机或者永磁无刷电机的定子齿部和轭部磁密始终没有弄清楚,仿真电机空载磁密, 见过齿部1.2T,轭部0.8T 的 电机,也见过齿部1.65T,轭部有的地方1.5T,有的  详情 回复 发表于 2016-2-24 13:31
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 楼主| 发表于 2015-3-4 23:43 | 显示全部楼层
张老五 发表于 2015-3-4 09:00
能否从总体上介绍一下,为什么是8极?然后为什么是48槽,不是54槽,不是36槽,不是72槽?

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如果是8对极配54,36槽,每极每相槽数为分数,磁阻转矩不够大。不利于提高电机转矩密度。
72配8倒是可以,但是这样的尺寸槽数太多下线困难,增加制造成本。

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其实槽数不难理解,既然已经选择了8极,那24槽太少,72槽太多,42或54槽是分数槽,下线比较麻烦,所以选48槽是很正常的 那,为啥是8极,为啥不是6极或10极呢?8极是最优的方案么?  详情 回复 发表于 2015-3-5 08:22
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发表于 2015-3-5 08:22 | 显示全部楼层
pat 发表于 2015-3-4 23:43
这个学问就多了,不是三言两语能说完的。
如果是8对极配54,36槽,每极每相槽数为分数,磁阻转矩不够大。 ...

其实槽数不难理解,既然已经选择了8极,那24槽太少,72槽太多,42或54槽是分数槽,下线比较麻烦,所以选48槽是很正常的
那,为啥是8极,为啥不是6极或10极呢?8极是最优的方案么?
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[LV.4]常住居民I

发表于 2015-3-5 15:15 | 显示全部楼层
有个问题,用电流当激励源,那么最大电流是如何确定的?200A或者250A是一定就能达到的吗?

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pat
楼下说的对,对于单个电机可以不考虑电流,算出不同电流和控制角下的特性,配不用的控制器就出不同的性能。  详情 回复 发表于 2015-3-6 23:36
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[LV.3]偶尔看看III

发表于 2015-3-6 21:15 | 显示全部楼层
最大电流是控制器容量决定的,需要和控制器联合设计。
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[LV.5]常住居民II

 楼主| 发表于 2015-3-6 23:36 | 显示全部楼层
沙隆巴斯 发表于 2015-3-5 15:15
有个问题,用电流当激励源,那么最大电流是如何确定的?200A或者250A是一定就能达到的吗?

楼下说的对,对于单个电机可以不考虑电流,算出不同电流和控制角下的特性,配不用的控制器就出不同的性能。
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[LV.5]常住居民II

 楼主| 发表于 2015-3-9 00:05 | 显示全部楼层
本帖最后由 pat 于 2015-3-9 00:13 编辑

注意6楼图中转子表面处的小凹槽,这个凹槽可不是随便开的。有了这个凹槽电机的电磁性能得到了全面优化。

首先反电势变了,谐波会变大。



另外转矩波动普遍变小。


以200A的仿真结果为例,波动幅值明显增大,波形也变了。

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问一下这个电机的基本参数: 基速是多少,相应的频率是多少  详情 回复 发表于 2015-3-13 11:45

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