基于Maxwell的电动汽车轮毂电机电磁损耗特性分析

损耗特性分析#张 琪\"，雷良育\"，刘国辉\"，胡 峰\"，孙崇昆\"

(\".浙江农林大学工程学院，浙江临安 311300；

2.浙江兆丰机电股份有限公司，浙江杭州 311232)摘要：电动汽车轮毂电机经常要在复杂的运行工况和恶劣环境下运行，导致轮毂电机电流和内部电磁 损耗不断发生变化,对电机温升分析和可靠运行产生严重影响。以1台4kW轮毂电机为例，利用M-we0电 磁 分析

8

，建立轮毂电机的电磁 型并对电磁场进行计算。通过选取

和

和过 常见的流损耗同工况进行计算，分析了轮毂电机各部件的电磁损耗分

的上升

变化规律。由分析结果可知，定耗 ，随过

，

的变化不大； 生的 损耗可 不计;永磁

和过载的 工况产生的 ； 耗要受过 变化的 ， 损耗的比重最大，要 &研究 为轮毂电机温度场的分析和 的设计 重要的 &关键词：轮毂电机；电磁损耗分析；分布状态；变化规律中图分类号：TM 301.4 文献标志码：A 文章编号：1673-60(2019)08-0059-06Analysis of Electromagnetic Loss Characteristics of Electric Vehicle

In-Wheel Motor Baseh on Maxweh *ZHANG Qi1， LEI Liangyu1，2， LIU Guohui1， HU Feng1， SUN Chongkun1

(1. School of Engineering，Zhejiang A&F Uniyosity, Li>' an 311300，China;2. Zhejiang Zhaofeng Mechanicci and Electronic Co.，Ltd.，Hangzhou 311232，China)Abstract: Electric vehicle in-wheel motoo often operated in complex operating conditions and harsh

environmenti，resulting in constant changes of the curreni and internal electromagnetic losses of in-wheel motos. The

serious impact on the motos temperature rise analysis and reliable operation had happened. Taking a 4 kW in-wheel motos as an example，using MaxweH electromagnetic finite elemeni analysis software，the electromagnetic finite element model of the in-wheel motor was established，and the electromaanetic fieie was calculated. By choosing eighi

common working conditions oS acceleration and overload， the distribution oS electromaanetic losses and the law oS

numerical variation oS each component oS in-wheel motoe were analyzed. From the analysis results，it couH be seen

that the stator iron loss increased with the increase oS rotationae speed， but did not change with the increase oS

overload multiple. The core loss of rotor could be neglected. The eddy current loss of permanent magnet increased with

Iheincoeaseotacceeeoaion and oveoeoad aIIhesame ime， buIIheetecIotacceeeoaion condiion on iwassoongeo. Thecoppeeeosotwindingswasmainesateced bsIhechangeotoveeeoad mueipee， which accoun ed toeIheeaegesI

peopoeion otoaeeosand wasIhemain heaIsouece.An impoeanIeeteeencetoeIheanaessisotempeeaIueetieed and

Ihedesign otcooeingseucIueeotinwwheeemooewaspeovided.Key words: in-wheel motor ； electromagnetic loss analysis ； distriCution state ； variation law*基金项目：2013年杭州市重大科技创新项目(201320110A24)作者简介：张 琪(1994-)，男，硕士研究生，研究方向为永磁同步电机设计与研究&雷良育(1966-)，男，教授,博士后，硕士生导师，研究方向为机电检测与控制技术、车辆试验技术、电动汽车技术&—59 —研究与设计I EMCA电机与控剧定用2019,46 (8)0引言电动汽车用轮毂电机的运行工况

电机的工况要 行外，还要

(1) 去掉对电磁场分析

型，如电机轴、壳和绝缘材料；不大的相关模

工业(2) 只保留对电磁场分析 的 部复杂， 在 工况下运分,即电机

(3)

、 、永磁体和 ；的过载和

的

的的

要求和简化成导条形式。和 行

机

的 ，

工况，并 电动汽车用轮毂电根 电机的实际工作形式，给电机施和负载，再设置对应的边界

、 相应的 和工 电机的散熬电源激励，然后赋予电机各部分的材料属性，从

轮温过 使电机烧毁，严重 建立电机电磁场有限元分析模型，如图1所>。毂电动汽车行驶稳定性& 电机运行时产 生的热量主要 电磁损耗，电磁损耗的变化*性决 电机温升的快慢和 5'6+o因此，对轮毂电机电磁损耗的 大小、分区域和变化

* 进行准确的分析 重要的研究价值。本文以1台4 *W轮毂电机为例， 该电机的电磁分析 型并对电机的电磁场进行行驶的4种工况和过

计算。选取平路 坡图1电机电磁仿真模型行驶的4种工况，即对8种工况进行损耗的分析

和计算。由此得出轮毂电机整体损耗的

2轮毂电机铁耗分析轮毂电机铁耗

、

在交变磁场中和变化 ，为电机的温度场分析和温升特性变化 分析 重要的 。生。电机 损耗主要由磁滞损耗、涡流损耗

1轮毂电机的基本参数和有限元模和附加损耗组成， 耗在电机损耗中所 「型的建立本文所研究的4 kW轮毂电机的基本参数如 表1所示。该电机为

较大，是电机的主要损耗之一。目前对铁耗的

计算主要采用的是Bertotti等提出的铁耗分离理

论⑺。该理论根 耗产生方式的不同，将 耗分开计算，然后再进行

出总损耗。

永磁同步电机，在电磁分析模型时损Maxwell 1 分析

耗分离理论的铁耗计算方法8+为8Fe 二 8h ：8e ： 8ee =< +7皿)%=

需要对电机实际的模型 进行简化。表1电机基本参数名称*(1)参数值式中：8e----------总铁心损耗；功率/kW472额定电压/V额定转矩/(N・m)8：----铁心磁滞损耗；605508—％ 流损耗；8e——

/( r-min_1 )磁极数附加损耗；22槽数定子厚度/mm径/mm2139.2297.82707h------磁滞损耗系数；/—交变电流频率；Bq——电机磁场磁

7-------涡流损耗系数；；转子内径/mm径 Vmm气隙长度/mm永磁体材料永磁 厚 Vmm2681钱铁硼(NdFeB)57------附加损耗系数。2. 1额定工况下轮毂电机铁耗分析2. 1. 1 额定工况下的电磁场分析极弧系数0.92为了计算轮毂电机在 工况下的铁心损—60 —电机与披制应用2019,46 (8)研究与设计I EMCA耗，必须对电机额定工况下的电磁场进行准确的

分析， 分

损耗也较小， 的损耗大小介 者之间。分析工具准确地分析出磁场的。 工况下的磁场分 图如从图3( b)可 出，电机稳定运行时转子铁心损

耗 分布在磁密较大部位&图 4 的 、 耗变化 线可 ， 工

图2所示。-2.306 6|2.018 31.729 91.441 61.153 38.9 7x10-15.766 5x10-12.883 2x10-12.293 0x10-8B/T况下轮毂电机

0.%，

的铁耗 45 W，而的铁耗则为200 mW， 耗 为 的铁耗的的耗 小&丈的损耗

心磁通交变的频率较小，仅为0.34 He，因此，在 定负载运行时，

耗的比重图2额定工况下的磁场分布云图由图2可 出， 工况下 的磁通 较大,在 部

部位出现磁密大2.3 T的 和现象,原因是电机带负载运

行时， 线圈通电产生电枢反应,使得磁场产

生畸变，最靠近永磁体的 化较大，局部

小。2. 1. 2额定工况下的铁耗分析部分磁密变生饱和现象。 的磁 i分布较 ， 出 和现象， 的磁密电机铁耗主要 耗系数、磁 和磁场交变频率

3( a)可

的。图3所示为轮毂电机稳定运行出，

损耗最大部位出现在

的 工况下 和 损分 图。从图

，从 圈 部位向内的辄部 变小。原因2.2 8种工况下铁耗计算与分析经仿真计算， 在 工况下的损耗常小，可 不计，因此仅计算

工况下的总损耗即可。

在行驶，平路

工况是在负载不变的情况下只 变，而过的工况是在 不变的情况下只有负载改变。经过计算分析可得8种工况下的轮毂电机定

耗，计算 损耗 较小，

，变化较为

如表2所示。表2可，在电机 较 ，电机定子铁

损耗

变化。

的， 过 变化的 较小， 基本 损耗损耗耗—61 —要受磁密交变的频率、磁 和 量的 &

变化 的磁 交变 率的变化对

的

图3额定工况下定子和转子损耗分布云图较大，而过 的大电流 磁场电枢反应，进 生的磁 变化对 较小，因此变化

较小&研究与设计I EMCA表2 8种工况下轮毂电机定子铁耗计算结果

工况种类0.3

16.5电机与控剧定用2019,46 (8)4035M30/

W2520睜1垢5與10

5

W耗0.727.345.065.71.01.31.2倍负载1.5倍负载45.445.946.2图6 工况下永磁 流损耗变化曲线1.8 负2.0 负46.3电机 槽口对应区域，因为 槽效应，磁场生气隙磁场分布不 和磁场高次3轮毂电机永磁体涡流损耗分析3・1永磁体涡流损耗的计算原理因为永磁同步电机

制象，从而在靠近槽口的永磁体区域产生较高的损 耗分布，所

小槽

小永磁 流损耗的方法之一。(PWM)的方法进行供电驱动的，所 电 产 生电流的 和 ，使永磁 生涡流损耗;并

图6的 流损耗变化曲线可知,轮毂电机

稳定运行 为 42 W&工况下的永磁 流损耗平 〕槽 的气隙磁导变化、绕组使永磁

磁动势的 分 生涡流损3.3 8种工况下永磁体涡流损耗计算与分析经过计算得

8OM7O

/6OW5O4O3O2O1OO

耗。就损耗 ， 电流 的永磁永磁体在不同工况下涡流损损耗 绝大部分， 原因 的损耗所相对较小*9+&永磁 流损耗的计算公

式为Pe=I?耗的变化曲线，如图7、图8所示。L

( 2)厚垢與>耀系

式中：＞m——永磁体的

J——永磁体的电流

；；转速倍数!----永磁体的电导率。3. 2永磁体涡流损耗的仿真计算图7不同转速倍数下永磁体涡流损耗变化曲线对 工况下的永磁 流损耗进行分析, 截取轮毂电机稳定运行

耗的分布如图5所示。通过仿真

的永磁涡流损图7为不同 线，图8为不同过

下永磁 流损耗变化后处理下永磁 流损耗变，最计算所得的 工况下永磁 的 流损耗变化

化曲线。可永磁体的涡流损耗不仅随大， 过 的

线如图6所示。从图5可，永磁体的涡流损耗主要分布在(W-m-3)I 1.0000 X106I 7.8571 X 105I 5.7143 X105I 3.5714X105-1.4286X105损耗/

大损耗 130 W&过载产生的永磁体涡流损耗总量比转速变化图 5! 工况永磁 流损耗分 图—62 —电札与；S制应用2019,46 (8)研究与设计I EMCA生的永磁 流损耗总量要大，但永磁 流损耗的增长 要大于过

流损耗流5轮毂电机整体损耗计算结果分析对电动汽车2种典型运行工况下的电机各部 分电磁损耗进行分析后,将所得的损耗图

损耗的增长

大的 较大，

，因此永磁

较快时，永磁体温升 快。4 8种工况下的轮毂电机绕组铜耗

表示出来，

o242

部分损耗变化规并进行对比研究，如图9和图10所示。eow6 埶 忑8o丑

4o 2o00分析电机在运行

内产生的损耗又称为铜耗,在内

理定子铁损耗 亦绕组铜耗

鲫永磁体涡流损耗 乞总损耗电机 的功率损耗。永，每相

磁同步电机铜耗 基本铜耗和附加损耗* 10+&本的电(3)研究的轮毂电机是三相对称

= 3I2 R

流和电阻相同，则电机基本铜耗的计算公式为式中：I——电机

R——每项

0.3倍 0.7倍 1.0倍 1.3倍额定转速倍数图9平路 工况电机损耗

50o

45o40o35o30o25o20o15o10o5oo

分布的相电流；的相电阻&睡定子铁损耗 应绕组铜耗乞总损耗的附加损耗主要由交变磁场、漏磁场

和 流

磁场所 在导体表

& 电机在运行时的交变磁，产生

场使导 的电流分布不 应，电，导表面电流：增&绕大，导电 ，从导致损耗功率

的附加损耗计算复杂 小型电机通常不 加对

耗的

较小，故对的增工1.2倍 1.5倍 1.8倍 2.0倍过载倍数计算。图10过 工况电机损耗 分布轮毂电机在 负 况下，

较小,基本与1.0

图9可，电动汽车在平路

驶时,电机

工况下行况下的 耗相同，如表3所示;而轮毂电机在

矩工作区，转矩和电流近似成过 况下，电机需要大电流驱动,电机损耗与绕

，所 动电流 的 耗

组电流成平方 关系，故电机铜耗的加基本不变，

磁 流损耗

在约87 W&电机 损耗和永的

， 者的 。当电机以2.0倍负 运行时，铜耗 283.43 W,电机如果长

在大过 下的最大 相应的 耗小。电机在平路工作， 成 耗过大，电机温升过W耗工况下的最大总损耗是在1.3 下，其值电机的 使 &表3 8种工况下绕组铜耗计算结果

工况种类为 223.3 W&图10可知，电动车处于过载爬坡工况下行

驶时，电机

矩过 ，为 出较大转0.3倍转速0.7倍转速87.0087.20矩，需要较大的驱动电流，

升。2.0倍过 283.43 W,损耗

电机铜耗的急电机的铜耗已经 丨了1.0倍转速1.3倍转速1.2倍负载1.5倍负载1.8倍负载2.0 负87.5187.60较大， 温升急剧上升。 耗过 变化的 较小，基本87.48125.97196.83保持不变。永磁 流损耗根据过 的增加& 电机 2.0过 下运行时，电机 损耗 459.73 W， 平路 工况下行驶的最大损耗的两倍以上,较大的过—63 —283.43研究与设计I EMCA电机与控剧定用2019,46 (8)起的损耗过高，

电机的使

成较大电机温升,从毂电机冷却结构设计时需着重考虑绕组位置的冷

，因此在电机温升分析和方式。【参考文献】:1 :李勇，徐兴，孙晓东，等•轮毂电机驱动技术研究概

设计时应该着重 生过高温度的解决方法。6结语本文以4 kW电动汽车用轮毂电机样机为

况及发展综述[J] •电机与控制应用,2017,44(6)：

1., 电磁仿真 型，分析 工况:2 :崔刿楷，程文杰，肖玲，等.10 kW超高速永磁电机

瞬态温度场计算:J] •电机与控制应用,2018,

下轮毂电机电磁场分 ，并平路 工况下的4种工况和 和 变化

过载下的4种工况为研究基45(2) : 90.，研究了轮毂电机各部件的电磁损耗分

，得出以下结论：(1) 轮毂电机的

「态* 3 +张文，郑晓7,吴新振•多相感应电机三维电磁分析与损耗计算:J+.电工技术学报,2018,33(增刊2)：

331.损耗主要来源于定子铁* 4 :安忠良，徐作为,兰玉华，等•异步起动永磁同步电耗，

耗过小，只 耗的0.%，可以不计。 区域的损耗较大， 和机铁耗分析及计算*J].微电机,2016,49(5)： 6.* 5 +张洪亮•永磁同步电机

损耗与暂态温度场研区域的损耗较小，主要 &

升的

耗

磁场分布区域的影， 过究* D] •哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.* 6 :李立毅，张江鹏,闫海媛，等•高功率密度电机三维升 升，因为 耗要受磁场交变频率的

温度场计算及导热优化研究* J+ •中国电机工程学

报,2016,36(13) : 32.较小。和。涡流损耗主要

生的永磁

(2) 永磁体的涡流损耗同 过 的

* 7 :孙晓波，孟大伟,杨小妮中寸旋风机叶轮转矩脉动对电机损耗和效率影响* J] •电机与控制学报,2018,

22(9) : 40.在定槽口区域,减小槽 流损耗的有流损耗总量比转速快。* 8 :唐任远•现代永磁电机:理论与设计* M]中匕京:机械工业岀版社,2000:18-19.方法&过

变化产生的永磁 流损耗总量大，但的

* 9 :江从喜，赵兰萍,杜旭之，等•基于整车工况的电动的涡流损耗的

(3)

汽车轮毂电机散热分析* J+ •中国机械工程,2016,

耗过

的 生的铜耗

较大,27(13) : 1839.因为过 动电流的 ，使得* 10]王晓远，贾珍珍,高鹏中卜转子轮毂电机电磁场-温内 电流 方的 在增场的耦 分析* J] •天津大学学报(自然科收稿日期：2019-03-26，所 长较快。 耗在轮毂电机总的电，因此在后期轮

学与工程技术版),2014,47( 10) : 8.磁损耗所 较大，要

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