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2012届未来电力与能源系统国际会议
微型电动汽车用感应电动机的研究
程树康，李翠平，柴峰，龚海龙
哈尔滨工业大学电气工程系
哈尔滨，中国
摘要
微型电动车的电动机采用几十个蓄电池作为电源，具有低电压、大电流。因此，本文对电动机的损耗和温升问题进行了研究，计算了小型电动汽车用不同感应电动机的损耗，研究了转子材料和气隙长度对电机性能的影响。分析表明，与铜鼠笼转子的电机的效率是大大的高于铝转子电机。两个空冷和水冷感应电机进行了温度的升高，说明电机绕组温升高于其他部分，和水冷电机温升低于空气冷却电机。为了验证理论分析的结果，设计并加工了四台样机（铝转子、铜鼠笼转子、风冷、螺旋槽机）。在这些电机上进行了测量效率和温度升高的实验。实验结果证明了理论分析的正确性。
关键词：微型电动车；感应电机；铝转子；铜转子；温升
1。介绍
能源匮乏与环境污染是当代汽车工业发展面临的两大挑战
[ 1 ]。电动汽车作为一种高效节能、无污染、理想的“零排放”车辆近年来受到越来越多的关注。近年来，随着电力电子技术和控制技术的飞速发展，微型电动汽车得到了迅猛的发展。然而，由于微型电动汽车价格昂贵，推广小型电动汽车仍存在一定的难度。微型电动汽车有体积小、能耗大、使用方便、价格低廉等优点一直是当今电动车领域的研究热点。
电机驱动与控制系统是电动汽车的核心。异步电动机具有结构简单，价格低廉，易于维护，更广泛的恒功率运行范围等在电动汽车领域的广泛应用。它要求电动汽车的电机驱动系统不仅具有高的启动转矩和宽的恒定功率范围的变速，但也具有高效率，在所有的速度范围
[ 2 ]。微型电动车采用蓄电池作为感应电动机供电。低电源电压导致一个大的电机电流，大电流导致电机高温升高和损耗。损失增加，效率降低。温度升高对电机的性能、绝缘性能和使用寿命有很大影响，如何降低电机损耗和温升，提高电机效率和运行可靠性，已成为小型电动汽车电机设计的关键。
针对小型电动汽车电机低电压、大电流的特点，探讨了如何降低电动机损耗和温升，提高电机效率。
2。微型电动汽车用感应电动机的磁特性分析
损失分析
电机损耗主要包括定子绕组铜损耗、铜（或铝）转子绕组损耗、铁芯损耗、机械损耗和附加损耗3。方程（1）如下所示：
P=PCu1 PR2 PFe pFW Pn (1)
P总损失；pcu1是定子绕组铜损；PR2是转子损耗（铝损失或铜损）；PFe是铁芯损耗；PFW是机械损失；Pn是杂散损耗。定子绕组pcu1铜损耗、转子损耗PR2和电流的平方是电阻值成正比。方程（2）和方程（3）如图所示：
在给定功率和电压的情况下，增大导线直径可以减小定子绕组的铜损耗。然而，增加的线直径由插槽填充因子的限制。所以很难计算出正确的机械损失PFW。一般参考现有电机参数并根据经验公式计算。由于机械损失对效率的影响一般较小，我们暂时不考虑。铁损包括涡流损耗和磁滞损耗。采用叠片结构的定子铁芯和转子铁心可大大减小涡流损耗。转子损耗与电流平方成正比。
定子旋转磁场产生转子电流。转子电流不易受电机电压变化的限制。如果转子电阻下垂，转子的损失将减少。降低转子电阻是降低电机损耗的有效措施。
转子材料对电机性能的影响
转子材料决定转子电阻。选择低电阻率可有效降低转子电阻。由于铜的电阻率是铝的一半，采用铜转子感应电机可以大大降低转子损耗，从而提高电机效率。
为了研究铜转子和转子铝对电机的性能影响，本文进行了仿真计算铝和铜转子采用额定电压34的电压（直流48v电压反向电压），频率50Hz，额定功率4KW，定子30槽、26槽，转子磁路计算和磁链模拟的转子斜槽电机。感应电机（通过将Y2电机获得原型）铝转子和转子铜制造。
表1显示了铝转子和铜转子电机的磁路计算性能。
表1:铝转子和铜转子电机性能及所有损失比较
从表1，当其他条件和转子的材料的不变只是改变铜，电机的定子和转子的损失都将减少。这是因为当输出功率和电压是一定的，定子电流下降导致减少损失。表1表明，定子相电流减小到49.9A从52.4A如下。电机效率从81.7%增加到86.3%。很明显，改变转子材料可以大大提高电机的效率。
为了进一步计算计算的准确性，利用磁通软件建立电机的有限元。图1显示电机。图2显示了一个周期波形的定子电流，这是从电机的铝和铜转子额定负载。
图1: 异步电动机有限元网格图
图2: 铜、铝转子电机定子电流
从图2看，铝转子电机额定负载时定子电流高于铜鼠笼转子感应电动机，结果与计算结果相吻合。
气隙长度对电机性能的影响
感应电机的气隙长度是电机设计中的重要参数。气隙长度不仅影响电机损耗，而且影响电机功率因数。气隙长度过大会使励磁电流增大，功率因数降低。气隙长度太小会使机械生产困难。为了分析气隙长度对电机性能的影响，本文采用磁路计算和磁链仿真相结合的方法，对铜转子感应电机在不同气隙长度下的电流和功率参数进行了对比分析。表2显示 不同气隙长度的磁路计算结果。
表2：不同气隙长度电机的性能比较
表2中，随着气隙长度的增加，励磁电流明显增大，功率因数降低。由于气隙长度的增加导致气隙磁阻。电动机的效率下降了一点。定子电流和铜损耗增大，但放大不大。
由于气隙长度的增大导致气隙长度的增大。电动机的效率下降了一点。转子电流和铜损耗增大，但放大不大。
为了进一步计算计算的准确性，建立了斜槽转子磁链模型，采用五层模型模拟斜槽转子。图3显示了如下模型。如图4所示，从下一个周期的电流波形在不同的空气间隙长度。如图5所示是空载励磁电流波形。
图3：斜槽转子感应电动机模型
图4：不同气隙长度的定子相电流波形
图5：不同气隙长度的空载相电流波形
从图4和图5可以看出，随着气隙长度的增加，定子相电流不发生变化。空载电流随气隙长度的增加而增加。由于空载相电流几乎等于励磁电流，表明气隙长度对励磁电流有较大影响，结果与计算结果相吻合。此外，从表2，随着气隙长度的增加，热负荷也增加。在电机设计中，需要考虑功率因数，热负荷和机械生产是选择合理的气隙长度。0.45mm作为
本文选择的原型气隙长度。
此外，选用透气性好、损耗小的硅钢片，有利于电机设计中铁损的降低。转子斜槽结构会降低谐波和转矩脉动的有效。
- 电机冷却结构设计
感应电动机应用于微型汽车具有低电压大电流的特点。一方面电机损耗增大，另一方面大电流导致电机温升。温度升高会影响电机的性能、绝缘性能和使用性能
因此，如何降低温度升高，保证合理的温度范围，以及如何提高电机运行的可靠性成为电机设计的又一关键问题。
电机的换热主要包括热传导和对流换热。根据热传导理论，稳态热传导微分方程，方程（4）
（4）
在方程（4）Ȝ是物体的导热系数，t是物体的温度（ć），和QV是单位体积的产热率。从（4），我们知道传导传热的热传导率成正比。为保证电机运行的安全性，大型电机常采用定子铁芯和转子对空冷或氢冷却结构的通风换气。小电机发热量少，定子和转子的通风设置增加了加工过程的复杂性和难度。因此，一般采用电机的冷却结构。水的导热性大于空气，所以水冷却结构更有利于降低电机温度。
通过建立带翅片的风冷电机的热回路模型和带螺旋槽的水冷电机，分析了电机各部分的温升。该模型如图6所示。在图6中，P1，P2和PFe是定子铜耗，转子铜损和铁损分别。R11、R12、热电阻R4的定子铁心和定子绕组，定子铁心和转子，定子铁心和外壳。R2、R3、R5在转子的端面热电阻，在定子的端，在定子绕组端部。R6是脚的表面热电阻。由于电机绕组的热生产率是最严重的，我们主要分析槽绕组。
- 空冷电机模型[ 9 ] （b）水冷电机模型
图6：电机热回路分析模型
图7：电机各部分冷却方式的温度曲线
图7显示了风冷电机和水冷电机的槽绕组、端绕组和定子铁芯的温度升高曲线。在图7中，waterew，watersw，wateryoke分别代表端绕组温度、槽绕组和水冷电机定子铁芯轭，和windewˈwindswˈwindyoke分别代表端绕组温度、槽绕组和冷却电机定子铁芯轭。图7表明，在空气冷却电机的槽绕组，端部绕组和铁芯的温度升高显着高于水冷电机。空气冷却电机的槽和端绕组温度升高相等，而在水冷电机中，端部绕组的温度升高高于槽绕组。定子铁芯连接电机壳体。由于水的导热系数大于空气的导热系数，所以水冷电机的温升低于风冷电机。绕组的热量通过定子的槽、槽和齿的绝缘传递给铁芯和外壳，然后热量被风（漂浮的空气）或水带走。该水冷结构可有效降低电机温升，提高电机运行的可靠性，延长电机的使用寿命。
4。实验分析
电机效率试验
为了进一步验证计算的准确性，我们对加工铝和铜转子的电机进行了测试。测试包括铝转子感应电机，铜转子感应电机，安川变频器Varispeed G7，测功机magtrolhd-825，功率分析仪WT3000在等。测试平台如图8所示。图9显示了铝转子和铜转子电机在不同转速和转矩时电机效率的分布情况。
图8：电机效率测试平台
（a）铝转子电机效率分布 （b）铜转子电机效率分布
图9：电动机效率分布
图9（a）和（b），铜转子电机的有效面积明显大于铝转子。当转速较快时，铜转子的电机效率很高，约87%，在一些单独的点可以达到90%。而铝转子高效区集中在高转速、大扭矩区（电机的额定转矩为13nm），和效率约为82%。因此，改变转子笼的材料从铝到铜可以大大提高电机的效率。
电机温度试验
电机温度的实验包括空冷和水冷铜转子感应电动机拖动电机，扭矩传感器jn338-50nm，安川变频器Varispeed G7，Telemecanique Inverter Altivar 58和功率分析仪WT3000在。实验平台如图10所示。温度是由热电阻wt100埋在电机槽测量，端部绕组和定子铁心的轭。当我们测量，电机的速度是2880rmp和电机的转矩为10nm，槽绕组的温度曲线，端部绕组和铁心轭
定子的如图11所示，其中waterew，watersw，wateryoke分别代表端绕组温度、槽绕组和水冷电机定子铁芯轭，和winewˈwinswˈwinyoke分别代表端绕组温度、槽绕组
风冷电机定子铁芯的轭铁。图11说明了水冷电机的所有部分的温度都高于风冷电机。在空气冷却电机，绕组温度高于铁芯和绕组温度槽，端部绕组相同，而在水冷电机最高温度发生在绕组端部，和铁芯的温度远低于绕组。以上结果与理论分析相符。
图10：电机温度测试平台 图11：电机各部分冷却方式的温度曲线
从以上的分析中，由于低电压和对汽车用感应电机电流大等优点，可有效提高铜转子电机的效率，并利用水冷电机降低电机温度，提高了电机运行的可靠性更有用
5。结论
通过磁路计算和数值模拟，研究了转子材料和气隙长度对不同电机性能的影响。结果表明，铜笼转子电机的效率比铝笼转子电机高5%。气隙长度对励磁电流的影响很大，即随着气隙长度的增加，热负荷和励磁电流增大。因此，减小气隙长度有助于降低励磁电流，提高功率因数，但要注意减小间隙长度可能会带来困难
机械加工。对于带空气冷却铝转子的电机和带有铜转子的电机，实验结果表明，后者电机的效率和有效面积均高于前电机。数值模拟和实验也表明
水冷电机的温升低于风冷电机
参考文献
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