关键词：电动汽车;;起发一体机;;磁通切换永磁电机;;瞬态温度场;;稳态温度场;;冷却系统;;水道;;多物理场;;流体场
摘 要：近二十年来,磁通切换永磁(Flux-Switching Permanent-Magnet,简称FSPM)电机因其结构与性能的优势,是新能源电动汽车用驱动电机的一个重要发展方向。FSPM电机的定转子铁心都为双凸极结构,定子上均衡分布集中式电枢绕组线圈,转子上既无永磁体又无绕组。由于结构所带来的特有聚磁效应、绕组一致性与互补性等特点,使得在采用集中绕组及直槽转子的条件下,就可以获得正弦度较高的每相空载永磁磁链与空载感应电势,特别适合于对电机转矩与转速波动要求较高的交流驱动系统。此外,由于永磁体置于定子,使得FSPM电机高速运行时不存在永磁体脱落的风险,同时永磁体与定子铁心及外壳直接接触,有利于永磁体的冷却。基于上述优势,本文以一台应用于轻混型电动汽车起动与发电一体(Integrated Starter-Generator,ISG)的FSPM电机作为研究对象。基于时步有限元法计算FSPM电机的铁耗大小,将计算所得损耗作为热源导入电机三维有限元模型,仿真得到电机不同工况下的温升分布。在相同工况下,进行温升试验,所得测量结果与仿真结果进行对比,以验证所建温度场仿真模型的准确性。最后,分析FSPM电机现有冷却水道的性能,并提出冷却结构的优化设计方案。论文的主要研究内容包括如下部分:1、阐述本课题的研究背景与永磁电机绕组损耗计算、铁耗计算、永磁体涡流损耗计算、温度场计算、空冷冷却系统设计和液冷冷却系统设计的研究现状。2、考虑直流偏磁对电机铁耗的影响,基于时步有限元法计算电机铁耗,并将计算结果与有限元软件Maxwell和JMAG的铁耗仿真结果进行对比,验证其计算结果的准确性。通过有限元仿真得到电机永磁体和冷却机壳内的涡流损耗,依据经验公式计算电机转子的机械损耗,通过电机空载试验测量电机总损耗,验证损耗计算的准确性。3、利用FLUENT软件得到不同工况下电机各部件瞬态温度变化曲线和稳态温度分布。相同工况下,在混合动力平台上,进行电机温升实验,测量电机瞬时温度和稳态温度,将实验结果与仿真结果进行对比,验证仿真模型的准确性。4、结合电机现有的水冷结构,依据传热学原理推导出电机定子中心温度与冷却液流速间的关系,探究冷却水道入口流量对冷却结构性能的影响。在电机温升试验中通过变频水泵改变冷却结构入口流量,测量不同入口流量下电机的稳态温度分布,验证FLUENT仿真结果,并对冷却水道几何参数进行优化。
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