前言：本站為你精心整理了新能源汽車電子水泵電機設(shè)計探究范文，希望能為你的創(chuàng)作提供參考價值，我們的客服老師可以幫助你提供個性化的參考范文，歡迎咨詢。

摘要：汽車電子泵是新能源汽車等新型水循環(huán)系統(tǒng)的動力來源，永磁無刷直流電機是汽車電子泵的主電機，這類電機以后也會逐漸成為汽車的主流配置。在發(fā)展過程中，因為各種各樣的局限性，再加上外部環(huán)境的影響，一般市面上的電子水泵電機效率并不好，僅僅只能達到34%左右。而且它的利用效率也不足70%。這些不理想的數(shù)據(jù)也制約著電機的發(fā)展。所以，進一步研究提升電子水泵電機的設(shè)計方案，探究有效提高效率的方法就具有重要意義。對專用水泵電機的電磁結(jié)構(gòu)進行了有限元分析和多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，給出了電磁結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：直流電機；電子水泵；電磁

1引言

汽車電子泵是發(fā)動機熱平衡系統(tǒng)的能量來源，其基本原理是循環(huán)泵提前充水，發(fā)動機將電能轉(zhuǎn)化為機械能。泵體中的水瞬間從排水口處排出，泵體內(nèi)部行程短暫的真空期。這時，產(chǎn)生的壓力差將出水口的水壓進離心泵。這個過程循環(huán)進行，水不斷的從出水口到離心泵，再從離心泵到出水口，就形成了相對穩(wěn)定的動態(tài)平衡。市場上最常見的水泵專用電機是永磁無刷直流電機，目前還沒有專門的軟件和系統(tǒng)的方法來研究高效電子水泵發(fā)動機。如圖1所示，一般的電子水泵由離心泵、驅(qū)動電機和控制電路組成。

2永磁無刷直流電機的理論研究

我國汽車電子水泵專用電動機的設(shè)計剛剛起步，大多數(shù)企業(yè)主要依靠經(jīng)驗進行電動機的設(shè)計和分析。從理論層面推導(dǎo)影響電機狀態(tài)的因素更加符合科學(xué)，這是設(shè)計電動機的科學(xué)有效前提。根據(jù)電氣工程中的粘性阻尼理論，在將電機多個參量經(jīng)過數(shù)學(xué)運算后，最終得出了電動機電磁力矩和電磁效率的多元函數(shù)表達式。通過分析表達式的組成成分，找到其中影響電動機性能的因子找。

2.1建立電磁轉(zhuǎn)矩和電磁效率的函數(shù)模型

經(jīng)過分析，最終選擇Y連接的三相電機來構(gòu)造直流電機模型，將工程中默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)參量和已知的標(biāo)定量帶入原有公式中，使用符號mh來代表永磁體的厚度，使用L來代表鐵芯的長度，用p表示級數(shù)，得出電磁力矩公式：上式中，使用3c代表和電感有關(guān)的數(shù)、使用wavl來表示平局半匝長，eδ表示氣隙從公式可以得到，對電機電磁轉(zhuǎn)矩的影響因子有上面六個未知參量。

2.2電機性能影響因素的數(shù)學(xué)分析

上式太過于復(fù)雜，為了方便研究，將上式中的所有常數(shù)加以定義，5123ε=?3.9×10,ε7,=ε=?3015,，5123ε=?3.9×10,ε7,=ε=?3015,，114ε=3.359×10,，56ε=21,ε=20，則avT的表達式可以寫為：

3電磁結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計

3.1永磁無刷直流電機電磁結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計

首先，在粘性阻尼法的基礎(chǔ)上，通過MATLAB編程對發(fā)動機進行初步設(shè)計，緊接著就將MATLAB得到的結(jié)果應(yīng)用于rmxprt發(fā)動機，在進行參數(shù)的仿真模擬時，選擇更加合理的參數(shù)對電機的整體性能進行分析，最終盡可能得到最優(yōu)的電機參數(shù)。

4電機轉(zhuǎn)子的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計研究

在matlab仿真后，使用RMXPRT將得到的參數(shù)進行進一步的優(yōu)化處理，再處理完初始參數(shù)后，將電機的額定轉(zhuǎn)速設(shè)定在2800轉(zhuǎn)。這個時候電機工作狀態(tài)下最高的效率可以達到73%，這已經(jīng)完全滿足轉(zhuǎn)矩的設(shè)計要求。經(jīng)過實驗證實，轉(zhuǎn)子軛部的磁通密度是稍大于轉(zhuǎn)子齒輪的，并且個過渡點都存在極靴。在磁密過飽和現(xiàn)象中，電機的故障是在初始參數(shù)設(shè)置后表面安裝的轉(zhuǎn)子都是經(jīng)過單獨配置的。在對電機轉(zhuǎn)子的多目標(biāo)優(yōu)化時，這部分進行了專門的設(shè)計，目的就是盡可能的提升電機的效率。同時，其他缺陷也得到了糾正。同時也對永磁直流電動機的轉(zhuǎn)子進行了rmxprt分析，都期望能過達到最理想的結(jié)果。

5電子水泵試驗

在前期虛擬仿真的基礎(chǔ)上，本實驗以BMWn52發(fā)動機冷卻的原pirborg電子水泵為測試環(huán)境。水泵定子鐵芯與殼體內(nèi)壁緊密對齊，并配有專用密封膠，為保證其防塵性、水密度和散熱性，不適合拆卸。為了保證對轉(zhuǎn)子設(shè)計和優(yōu)化更加全面，試驗方案是更換轉(zhuǎn)子，試驗是在皮爾博格電子水泵條件下進行的。

5.1轉(zhuǎn)子的設(shè)計

轉(zhuǎn)子的組成部分不復(fù)雜，主要由轉(zhuǎn)子軸和永磁體兩部分組成。設(shè)置0.68的極弧系數(shù)是為了使試驗條件盡可能接近模擬，因此應(yīng)使用73%的板狀永磁體的徑向弧角90度。永磁材料為n35h，這種材料的耐高溫效果好，最高可以耐受溫度能達到120度，所以完全可以承受熱平衡系統(tǒng)產(chǎn)生的高溫。轉(zhuǎn)子軸的三維效果圖如圖2所示。

5.2實驗條件和方法

專門用于進行汽車?yán)鋮s實驗的操作臺是冷卻水泵試驗臺。這個專業(yè)的測試系統(tǒng)很適用于汽車?yán)鋮s水泵的性能測試和評價，為汽車?yán)鋮s水泵的測試結(jié)果提高了可靠的理論依據(jù)。這個試驗操作臺配有流量計、壓力的頭部測量系統(tǒng)、各種球閥、電磁閥、水復(fù)示器、SPS調(diào)節(jié)器以及直流參數(shù)的測量系統(tǒng)等轉(zhuǎn)置。通過厚厚的絕緣層，可以盡最大可能的還原實際工作情況的溫度，并且可以實地觀測到運行過程中的各項參數(shù)。圖示3是操作實驗臺。實驗過程中，首先將球閥和電磁閥手動打開，將出水端的球閥完全打開，再接通電源，將穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)在12V，配置限制電流為20安培。然后就可以進行界面的配置。這個時候的運行情況是正常的，電子泵的工作情況穩(wěn)定，電子泵的最大量測試結(jié)束。這之后將排氣管端的調(diào)節(jié)球閥慢慢關(guān)掉，這是通過的流量逐漸變小，入口和出口兩端的壓力差逐漸變大，揚程也在變大，可以得到揚程變化，流量也變化，當(dāng)完全關(guān)閉排氣管時，揚程最大，并且流量最小。

5.3結(jié)果分析

基于多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果對表面相關(guān)轉(zhuǎn)子零件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，測試電子水泵的運行狀態(tài)和對環(huán)境的耐久性。更換新轉(zhuǎn)子后，電動水泵的性能得到改善，物理試驗結(jié)果與仿真結(jié)果接近。

6結(jié)束語

對泵機結(jié)構(gòu)進行了市場調(diào)研和分析，在對水泵發(fā)動機結(jié)構(gòu)進行綜合分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)了水泵發(fā)動機的總體優(yōu)點和不足，并提出了水泵發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩和功率的設(shè)計要求。在原有阻尼理論的基礎(chǔ)上，直流無刷電機的電磁轉(zhuǎn)矩和電磁效率的公式被推導(dǎo)出來，經(jīng)過對表達式的分析，確定影響電磁轉(zhuǎn)矩的干擾因素，尋求科學(xué)的解決方法，這給之后的進一步優(yōu)化進程奠定了堅實的基礎(chǔ)。根據(jù)粘滯阻尼法，編制了發(fā)動機設(shè)計計算和性能評價程序，并在rmxprt中進行了電磁結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計。觀察性能參數(shù)，并根據(jù)這些趨勢、發(fā)動機設(shè)計要求和設(shè)計經(jīng)驗調(diào)整參數(shù)。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，在汽車電子水泵的設(shè)計研究中，軟件仿真結(jié)果和實驗得到的數(shù)據(jù)相差很小。這就成功證實了所設(shè)計的研究方法的科學(xué)性。為泵機工程的快速電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計和其他永磁無刷直流電機的建設(shè)提供了可靠的參考。

作者:趙地 陳閣 李翔翼 單位:江鈴汽車股份有限公司