点击蓝字 关注我们
需求
目标是设计高功率密度、高效率、低成本的永磁同步电机满足美国能源部提出的FreedomCAR 2020计划的指标(见表1)。主要挑战指标包括：最大转速14000rpm，恒功率30kW@20%~100%速度范围，20%速度@55kW峰值功率运行18s，10%~100%转速20%额定转矩以上效率大于95%，105℃冷却水入口，额定电压325Vdc，功率密度(以最高速度)约为目前技术水平的两倍，激进的成本目标@10万件大规模生产。
设计方案
12槽/10极、分瓣集中绕组定子结构、SPOKE转子，无磁桥。
结构分析
为确保转子结构完整性(安全性)，特别是最高速度14000rpm。需要进行应力、转子动力学、寿命分析。
所有转子零件的应力都不超过表四所述所用材料的应力极限，设计合格。
【图8】第一阶临界速度24000 r/min，远远高于14000 r/min的上限电机转速。【图9】零件设计处于无限的寿命区域内。
电磁分析
开路磁场分析
磁场云图：
14000rpm反电势曲线：
退磁和短路分析
退磁分析评估是在负d轴注入2倍、3倍、4倍额定和短路电流，同时考虑磁钢最高工作温度180℃，观察磁钢工作点。以磁密0值作为退磁判据。
损耗分析
磁钢涡流损耗，用了三维场进行仿真，每片厚度2mm，每一片之间间隔0.1mm。从仿真结果看，轴端一片磁钢的涡流损耗最大。
定转子铁心损耗，对不同区域和速度做了铁损分析，从结果看，定子轭铁损对速度最不敏感。
绕组铜耗分析，考虑了趋肤效应；所选择的绕组铜线尺寸在14000rpm造成的交流损耗小于10%。
考虑其他导体的涡流损耗，包括：轴、转子冷却管、定子冷却套。
对电机定子铁芯与机架连接螺栓的电损耗进行了定量计算，上图中的U型槽设计是有讲究的，磁路不能把螺栓完全包裹住，以降低损耗。
电机性能
热分析
转子冷却
转子冷却系统方案
精确计算转子不同区域不同转速的损耗，然后计算不同转速下转子最高温度。
定子冷却
定子设计了3种冷却结构并进行分析，冷却水套机壳，定子中加冷却水管，端部喷淋。
原型机测试
原型机
测试
测试系统
效率map
另外，原文中还测试了绝缘电阻、机械损耗、风摩损耗、反电势、短路、转矩波动、满载等，还做了3种冷却系统的原理样机测试，详见原文。
上表对测试数据和需求进行了对比，可以看出这个设计在功率密度和效率方面能满足美国能源部提出的FreedomCAR 2020计划指标。
原文：《Advanced High-Power-Density Interior PermanentMagnet Motor for Traction Applications 》——Ayman M. EL-Refaie, Fellow, IEEE, James P. Alexander, Steven Galioto, Patel B. Reddy, Member, IEEE,Kum-Kang Huh, Member, IEEE, Peter de Bock, and Xiochun Shen
来源：玩转电机设计
感谢阅读
文末惊喜
邀您入电机行业群
第一步：关注“龙成电机”公众号
长按二维码
第二步：后台回复关键词“入群”或点击下方菜单栏（如图）
【免责声明】文章为作者独立观点，不代表龙成电机立场。如因作品内容、版权等存在问题，请于本文刊发30日内联系龙成电机进行删除或洽谈版权使用事宜。