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摘要：汽车电子泵是新能源汽车等新型水循环系统的动力来源，永磁无刷直流电机是汽车电子泵的主电机，这类电机以后也会逐渐成为汽车的主流配置。在发展过程中，因为各种各样的局限性，再加上外部环境的影响，一般市面上的电子水泵电机效率并不好，仅仅只能达到34%左右。而且它的利用效率也不足70%。这些不理想的数据也制约着电机的发展。所以，进一步研究提升电子水泵电机的设计方案，探究有效提高效率的方法就具有重要意义。对专用水泵电机的电磁结构进行了有限元分析和多目标优化设计，给出了电磁结构的设计方案。
引言
汽车电子泵是发动机热平衡系统的能量来源，其基本原理是循环泵提前充水，发动机将电能转化为机械能。泵体中的水瞬间从排水口处排出，泵体内部行程短暂的真空期。这时，产生的压力差将出水口的水压进离心泵。这个过程循环进行，水不断的从出水口到离心泵，再从离心泵到出水口，就形成了相对稳定的动态平衡。市场上最常见的水泵专用电机是永磁无刷直流电机，目前还没有专门的软件和系统的方法来研究高效电子水泵发动机。如图1所示，一般的电子水泵由离心泵、驱动电机和控制电路组成。
图1 电子水泵的剖面效果图
永磁无刷直流电机的理论研究
我国汽车电子水泵专用电动机的设计刚刚起步，大多数企业主要依靠经验进行电动机的设计和分析。从理论层面推导影响电机状态的因素更加符合科学，这是设计电动机的科学有效前提。根据电气工程中的粘性阻尼理论，在将电机多个参量经过数学运算后，最终得出了电动机电磁力矩和电磁效率的多元函数表达式。通过分析表达式的组成成分，找到其中影响电动机性能的因子找。
2.1 建立电磁转矩和电磁效率的函数模型
经过分析，最终选择Y连接的三相电机来构造直流电机模型，将工程中默认的标准参量和已知的标定量带入原有公式中，使用符号mh来代表永磁体的厚度，使用L来代表铁芯的长度，用p表示级数，得出电磁力矩公式：
得到的电磁效率的公式
上式中，使用3c代表和电感有关的数、使用lwav来表示平局半匝长， eδ表示气隙从公式可以得到，对电机电磁转矩的影响因子有上面六个未知参量。
2.2 电机性能影响因素的数学分析
上式太过于复杂，为了方便研究，将上式中的所有常数加以定义，ε1=−3 .9× 1 05, ε 2=7,，ε3 =−3 015,， ε4 = 3.359×1 011，ε5 = 21,ε 6= 20，则Tav的表达式可以写为：
同理，令ε7=300，则 emη的表达式可以写为：
3.1 永磁无刷直流电机电磁结构的参数化设计
首先，在粘性阻尼法的基础上，通过MATLAB编程对发动机进行初步设计，紧接着就将MATLAB得到的结果应用于rmxprt发动机，在进行参数的仿真模拟时，选择更加合理的参数对电机的整体性能进行分析，最终尽可能得到最优的电机参数
电机转子的多目标优化设计研究
在matlab仿真后，使用RMXPRT将得到的参数进行进一步的优化处理，再处理完初始参数后，将电机的额定转速设定在2800转。这个时候电机工作状态下最高的效率可以达到73%，这已经完全满足转矩的设计要求。经过实验证实，转子轭部的磁通密度是稍大于转子齿轮的，并且个过渡点都存在极靴。在磁密过饱和现象中，电机的故障是在初始参数设置后表面安装的转子都是经过单独配置的。在对电机转子的多目标优化时，这部分进行了专门的设计，目的就是尽可能的提升电机的效率。同时，其他缺陷也得到了纠正。同时也对永磁直流电动机的转子进行了rmxprt分析，都期望能过达到最理想的结果。
电子水泵试验
在前期虚拟仿真的基础上，本实验以BMW n52发动机冷却的原pirborg电子水泵为测试环境。水泵定子铁芯与壳体内壁紧密对齐，并配有专用密封胶，为保证其防尘性、水密度和散热性，不适合拆卸。为了保证对转子设计和优化更加全面，试验方案是更换转子，试验是在皮尔博格电子水泵条件下进行的。
5.1 转子的设计
转子的组成部分不复杂，主要由转子轴和永磁体两部分组成。设置0.68的极弧系数是为了使试验条件尽可能接近模拟，因此应使用73%的板状永磁体的径向弧角90度。永磁材料为n35h，这种材料的耐高温效果好，最高可以耐受温度能达到120度，所以完全可以承受热平衡系统产生的高温。转子轴的三维效果图如图2所示。
图2 转子零件设计
5.2 实验条件和方法
专门用于进行汽车冷却实验的操作台是冷却水泵试验台。这个专业的测试系统很适用于汽车冷却水泵的性能测试和评价，为汽车冷却水泵的测试结果提高了可靠的理论依据。
这个试验操作台配有流量计、压力的头部测量系统、各种球阀、电磁阀、水复示器、SPS调节器以及直流参数的测量系统等转置。通过厚厚的绝缘层，可以尽最大可能的还原实际工作情况的温度，并且可以实地观测到运行过程中的各项参数。图示3是操作实验台。
图3 水泵性能实验台
实验过程中，首先将球阀和电磁阀手动打开，将出水端的球阀完全打开，再接通电源，将稳压电源调节在12V，配置限制电流为20安培。然后就可以进行界面的配置。这个时候的运行情况是正常的，电子泵的工作情况稳定，电子泵的最大量测试结束。这之后将排气管端的调节球阀慢慢关掉，这是通过的流量逐渐变小，入口和出口两端的压力差逐渐变大，扬程也在变大，可以得到扬程变化，流量也变化，当完全关闭排气管时，扬程最大，并且流量最小。
5.3 结果分析
基于多目标优化结果对表面相关转子零件进行结构设计，测试电子水泵的运行状态和对环境的耐久性。更换新转子后，电动水泵的性能得到改善，物理试验结果与仿真结果接近。
结束语
对泵机结构进行了市场调研和分析，在对水泵发动机结构进行综合分析的基础上，总结了水泵发动机的总体优点和不足，并提出了水泵发动机转速、扭矩和功率的设计要求。
在原有阻尼理论的基础上，直流无刷电机的电磁转矩和电磁效率的公式被推导出来，经过对表达式的分析，确定影响电磁转矩的干扰因素，寻求科学的解决方法，这给之后的进一步优化进程奠定了坚实的基础。
根据粘滞阻尼法，编制了发动机设计计算和性能评价程序，并在rmxprt中进行了电磁结构的参数化设计。观察性能参数，并根据这些趋势、发动机设计要求和设计经验调整参数。
经过实验发现，在汽车电子水泵的设计研究中，软件仿真结果和实验得到的数据相差很小。这就成功证实了所设计的研究方法的科学性。为泵机工程的快速电磁结构设计和其他永磁无刷直流电机的建设提供了可靠的参考。
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