新能源扁线电机hairpin激光焊接头组织与性能分析

以新能源汽车扁线驱动电机为主体,探究了扁线电机制造过程中hairpin连接线的激光焊接工艺。通过焊点金相、高速摄像、拉力测试、硬度测试、扫描电镜等测试手段,验证了扁线电机连接线激光焊的制造工艺可行性和焊接质量可靠性。结果表明:最佳焊接工艺参数为:激光功率3000 W、焊接速度200 mm/s、离焦量0 mm,焊接轨迹为ϕ2.5 mm的圆形、轨迹重复次数为5。无保护气体条件下激光焊接hairpin,焊点内部会出现气孔。能谱测试表明,气孔主要由氧元素引起。金相结果显示,焊点内部气孔率为0.5%,最大气孔直径为0.1 mm。拉力测试表明,拉力可达1414 N,远超标准要求。显微硬度测试结果显示,不同焊接热输入下激光焊hairpin接头焊缝区域和热影响区域均有一定程度的软化现象,但对焊缝区域的软化影响更为明显。

Hairpin绕组电机电压分布仿真计算与绝缘优化

SiC逆变器驱动下Hairpin绕组电机承受高频、快速变化的复杂脉冲电应力,电机发生绝缘失效的可能性大为增加。为了解电机内部绕组的电压分布情况,对电机的绝缘可靠性做出评估,通过场路耦合有限元法对1台额定电压800 V的Hairpin绕组电机进行电压分布计算,得到了电机绕组中的电压分布规律。通过仿真和实测分析发现:电机的最大相地电压出现在三相绕组的入线端,数值为540V;匝间和相间电压最大值出现在绕组连接电路中串联顺序相距最远而空间上相邻的位置,分别为575V和923V;实测验证了计算结果的准确性,电压最大值处仿真与实测的误差为8%。基于仿真模型,发现30%的匝间或对地电容变化量对绝缘关键位置电压大小的影响不超过5%,并结合Dakin公式对电机的绝缘设计提出优化建议。以上结果可为Hairpin绕组电机的绝缘可靠性评估与绝缘设计提供借鉴。

高功率密度永磁同步电机多物理场设计与优化

针对额定功率50 kW、额定转速2050 r/min的高效率高功率密度永磁同步电机进行多物理场优化设计,包括电磁场、温度场和应力场的设计与仿真分析。为进一步提高功率密度,选用发卡绕组替代传统的圆线绕组;为改善反电动势的正弦度,相较于传统的径向充磁,选用了多段式Halbach阵列充磁方式。本文给出了高功率密度电机的设计流程和电磁参数优化过程,通过多物理场仿真表明,本文所设计电机能够同时满足电磁指标和各项温升和应力指标。

车用多层磁钢内置式永磁同步电机研究与设计

针对电动汽车驱动电机性能需求日益提升的现状,设计了一种车用发卡绕组多层磁钢内置式永磁同步电机,保证高功率密度、高效率的设计要求。利用有限元方法建立4种发卡绕组多层磁钢内置式永磁同步电机的二维模型,在转子分段斜极优化的基础上,比较4种电机的性能,探究多层磁钢结构中不同永磁体对电机性能的影响,选择最合适的结构进行后续多次优化;利用田口算法对电机磁钢尺寸设计进行优化,通过参数对优化目标影响的比重选出最优组合;对优化后的电机进行Halbach充磁,对每层磁钢分别利用同一角度充磁,进行参数化扫描寻优,选择最合适的一层充磁,并选择最合适的充磁角度及对应的充磁长度获取最优性能。结果表明:多次优化后的电机在保证较高平均转矩的基础上,转矩脉动与齿槽转矩大幅降低,可满足新能源汽车电机的性能需求。

SiC逆变器高频脉冲电压对Hairpin绕组绝缘安全的影响分析

针对碳化硅(SiC)逆变器高频高dv/dt脉冲激励下的Hairpin绕组高电应力容易造成绝缘损伤的问题,该文对一台电动汽车用Hairpin绕组永磁同步电机进行了绕组匝间绝缘的电压应力计算与安全分析。首先,提出考虑双导体边耦合效应的Hairpin绕组单匝线圈高频等效电路模型,提取电机绕组的高频分布参数,并基于场路耦合有限元方法建立Hairpin绕组的匝间电压计算模型;然后,得到SiC逆变器驱动下的绕组匝间绝缘电压应力,利用绕组匝间电压测试平台验证了模型与分析方法的正确性;最后,分析了不同匝间电压幅值、绝缘厚度、材料相对介电常数、匝间气隙长度等对气隙电场分布线的影响规律,以气隙电场分布线与Paschen曲线的关系为判据,给出了一种判断绕组绝缘是否发生放电的方法。

Visualization and Quantitative Evaluation of Eddy Current Loss in Bar-Wound Type Permanent Magnet Synchronous Motor for Mild-Hybrid Vehicles

This paper describes the conductor eddy current loss that occurs in a permanent magnet type synchronous motor with a distributed winding stator using a rectangular copper wire designed for mild hybrid system applications for small vehicles.Compared with the conventional round wire inserter method,the space factor can be improved and the coil-end length can be shortened by applying a so-called hairpin windings using a pre-formed into hairpin shape of bar conductor,and as a result,DC current resistance of the armature winding can be reduced.However,since the conductor cross-sectional area tends to increases,the conductor eddy current loss generated by the space harmonics linkage becomes too large to ignore.In order to study the reduction of the conductor eddy current loss,it is important to visualize the spatial leakage flux distribution which causes loss and finely analyze how the magnetic path is formed.Therefore,analysis of the conductor eddy current loss distribution generated in the bar-wound conductor is performed using the CAE model that faithfully reproduces the coil-end shape of the actual machine.Furthermore,it was qualitatively clarified what ratio of conductor eddy current loss at various driving points.Finally,the results of preliminary study on reduction of conductor eddy current loss are reported.

Hairpin扁线电机定子工艺方法比较分析

驱动电机定子绕组的发展趋势是采用扁平线,发卡式(Hairpin)结构是目前国内外的主流设计方案。基于多年的项目经验积累,重点介绍了Hairpin定子制造过程中的铜线去漆皮、线成型、扩口、扭头及焊接工艺,对不同的工艺实现方法加以对比分析,并给出了推荐的工艺方法。

油冷式扁线电机油路结构优化设计及温度场计算

油冷式扁线电机由于其高功率密度和高转矩密度的特点,被广泛应用于新能源汽车中,成为当今研究的热点。然而其复杂的油路结构可能会使冷却油分配不平衡,致使电机出现局部温度过高问题,严重时会影响整车的安全运行。为研究分析油路结构对于电机温度的影响,以一台额定功率为225 kW的油冷式扁线电机为研究对象,首先根据电机主要参数建立电机的有限元模型,计算分析电机损耗。然后建立电机三维温度场计算模型,求解温度场仿真边界条件,并对电机进行流体场及温度场仿真,基于仿真结果分析油路结构对电机温度场的影响。最后使用田口法优化电机油路结构,使电机内冷却油分配达到平衡,从而解决电机局部温度过高问题,对油冷式扁线电机的油路结构设计具有指导意义。

车用发卡式绕组永磁同步电机的设计与优化

针对电动汽车对电机高效率和高功率密度的要求,结合发卡式绕组和内置式V型磁极结构的优势,设计了一台发卡式绕组永磁同步电机。根据电机的特点和设计指标,确定了电机的定子槽型和转子磁极结构,利用有限元方法(FEM)建立电机的二维仿真模型,验证了初步设计的合理性。针对电机齿槽转矩和转矩脉动较大的问题,首先,分析了不同转子分段斜极方式和分段数对电机齿槽转矩和输出转矩的影响,其次,利用田口算法对转子外侧辅助槽进行设计,完成了对电机转子结构的优化。对比转子结构优化前后齿槽转矩、转矩脉动、空载反电势以及气隙磁密的变化,证明了转子优化设计的有效性。最后,对优化后电机的磁场、外特性曲线、效率Map以及转子机械强度进行分析,结果表明,电机的输出性能和结构强度满足设计要求。

新能源汽车发卡电机交流电阻研究

为研究新能源汽车发卡电机绕组交流电阻的影响因素,引入交流电阻系数,建立发卡交流电阻、涡流电阻的计算公式,并以8极48槽电机为例,分析电机转速、电流、发卡温度、磁钢、硅钢片性能、发卡截面尺寸、定子槽尺寸及发卡槽内位置等因素对发卡交流电阻的影响,并对比不同因素下的发卡电流密度分布。结果表明:转速是影响发卡电机交流电阻的最主要因素,发卡温度、定子硅钢片性能、发卡截面尺寸、定子槽尺寸及发卡槽内位置对发卡绕组交流电阻都有较大影响。

采用发卡绕组提升深槽电动机起动性能的仿真研究

针对电动机采用深槽转子后起动性能仍未能达到要求的问题,为最大化深槽电动机起动性能方面的优势,提出了将发卡绕组用于深槽电动机的设想。首先分析影响电动机起动性能的所有参数,再结合发卡电动机和深槽电动机的相同点排除部分参数,最终发卡绕组能确定提升起动性能的理论重点为定子槽漏抗和端部漏抗。采用有限元仿真对比的方法,首先设计一台低压大电流的深槽电动机,再根据发卡绕组的特点,在仿真设计中改变深槽电动机定子绕组形式和缩短端部长度,以此来模拟发卡绕组,然后运用软件ANSYS对两电动机进行基本性能和瞬态性能的有限元分析,最后对比仿真结果验证了之前的理论分析。