电动汽车用鼠笼式异步电机定子槽参数与温升研究

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鼠笼式异步电机(Squirrel Cage Induction Motor,SC-IM)具备结构简单、成本低、运行可靠、便于维护等优点,已成为低速、低功率电动汽车(如高尔夫球车、警用巡逻车等)驱动电机的首选。但是电动汽车运行过程中的频繁启停与变速要求电机具有较高的瞬时功率密度与较大的过载能力,使得电机损耗与温度迅速升高,从而导致运行可靠性的下降与寿命的缩短。因此研究如何降低SC-IM的运行损耗与温度对于电机的优化设计至关重要。本文以一台4kW的SC-IM为研究样机,对电机运行在电源电压工况下的损耗与温升等进行了分析和研究,并探讨了定子槽主要尺寸参数对损耗及温度的影响。在此基础上,提出了对定子槽主要尺寸参数的优化方案,通过仿真与实验验证了所提优化方案的正确性,为电动汽车用SC-IM的电磁、温度场优化设计提供了理论与工程参考。首先根据所研究样机的基本尺寸参数建立二维的电磁场模型,对电机中引起温升的各类损耗进行分析,主要考虑定转子铜耗与铁心损耗,基于电磁场理论及损耗产生机理计算了电源电压工况下电机的损耗分布,并分析电机内磁力线分布及磁密随时间的变化,确保模型建立与损耗计算的正确性。其次基于传热学与流体力学基本理论建立三维有限元温度场计算模型,并对电机内定转子与气隙间的复杂流场与温度场耦合问题进行了等效处理,同时根据电磁计算所得的损耗施加载荷并设置边界条件,仿真电机在电源电压下运行的稳态温度场,获得电机各部分的温度分布规律,为电机的性能优化奠定了基础。针对电机定子槽的槽口宽度、槽口高度、槽宽、槽肩角、槽半径、槽高,分别研究了每个参数对各种损耗以及整体温升的影响。利用田口实验法综合计算分析了各参数对损耗及温升的影响程度,在考虑到不影响槽满率及结构刚度的前提下确定了一组优化参数值,并仿真对比了优化前后电机的磁场、损耗及温度场分布,结果表明优化后各性能指标均有提升。最后根据所确定的优化方案制作样机一台并开展空载与负载实验。通过空载损耗分离实验,测出铁心损耗实验值。再通过负载实验得到稳态时电机的温度情况。仿真实验工况下的电机损耗与温升,将实验值与仿真值进行对比,二者的误差在合理范围内,验证了对SC-IM温度场计算方法及优化过程的正确性。
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