汽车不对称磁极优化分析永磁电机通过田口方法

文摘

为了提高永磁同步电动机的气隙磁通密度,降低齿槽转矩,小说与非对称磁极结构提出了汽车。基于并联磁路的特点,建立了磁通路径图。建立了等效磁路模型的等效磁路法。使用田口方法是一个多目标优化算法。气隙磁通密度的总谐波失真是第一个优化目标。第二个和第三个优化目标是齿槽转矩和输出转矩的平均值,分别。转矩脉动是一个约束条件。优化的参数组合是通过田口方法。有限元仿真分析和样机试验进行的优化电机结构。结果表明,气隙磁通密度的总谐波失真是减少36.7%与初始结构进行比较。 The cogging torque is reduced by 26.0%. And the average output torque is increased by 4.8%.

1。介绍

电动汽车在世界各地得到了广泛的关注,因为节能和环境保护的优越性。作为电动汽车的核心技术之一,驱动电动机系统已成为重要组成部分。高功率密度、高效率、宽调速范围已经成为当前的研究方向。目前,电动汽车的驱动电机包括感应电机,直流电机,永磁同步电机(永磁同步电动机)。永磁同步电动机已经成为最具潜力的驱动电动机由于其高功率密度等优点,效率高,结构简单1,2]。

根据相对位置的永磁转子铁心,永磁同步电动机可以分为表面山类型和内部类型。内部类型可分为三种类型:径向类型、切线类型和混合类型。永磁体的磁化方向是不同的。目前,室内永磁同步电动机在工业工程中得到了广泛的应用。许多汽车戴姆勒等公司、丰田和比亚迪有他们的电动汽车广泛应用室内永磁同步电动机3,4]。

然而,永磁同步电动机的气隙磁通密度波形类似于一个方波。它有许多更高的谐波。和高齿槽定位转矩不利于输出性能(5]。

针对以上缺点,国内外学者对输出性能的影响进行了研究和不同磁极形状。它决定,气隙磁通密度和齿槽转矩是深受磁极的形状的影响。适当的磁极形状可以提高气隙磁通密度,减少齿槽定位转矩(6,7]。丰田内部永磁同步电动机采用v形结构和切向式普锐斯混合动力汽车。橡树岭国家实验室提出了u形电机结构。气隙磁通密度提高,减少了齿槽转矩。但永久磁铁的数量增加8]。偏压磁极和改变极弧系数还可以提高电机的性能(9- - - - - -11]。在[12),外缘的磁铁表面提高气隙磁场永磁同步电动机山被切断。但这使制造业的过程更加困难。它可以导致磁场突然变化。为优化方法,国内学者提出了田口方法,多目标优化(13,14]。它可以减少实验的数量和提高效率。但传统的田口方法有相同数量的水平值。很难获得最好的优化解决方案。和最优汽车结构不能获得。

为了提高气隙磁通密度和齿槽转矩,本文提出一种永磁同步电动机结构不对称的磁极。建立了等效磁路模型。和有效磁通由等效磁路分析方法。转子结构改善。优化目标是选择。一些关键参数选择优化变量。使用田口方法,提出了一种多目标优化方案。和一个二维有限元法和原型试验是用于验证。

2。电动机结构和磁路分析

2.1。电机的结构

本文提出了永磁同步电动机结构不对称的磁极。其三维结构如图1。这是一个内部饰与8波兰人和12槽永磁同步电动机。其绕组集中绕组。每一个磁极的都是单层安排。磁极的形状类似“ 。“每个磁极结合两块稀土永磁材料。它们的厚度和长度是不同的。相关的结构参数如表所示1。

2.2。电动机有效流量分析

本文以传统的v形结构,比较结构。每个有效磁通两个极电动机结构进行了分析。图2显示了磁通路径的比较图。可以看出,传统的v形结构的有效磁通是一个单一路径。它是由两个相邻永磁体提供。不对称的有效磁通磁极结构包括两个并行路径。提供的路径是一个长期的永久磁铁。和另一个路径是由两个相邻永磁体。

磁通路径的原理图如上所示。两个电机的等效磁路模型结构建立,分别用等效磁路法。他们在图所示3。

在图3,和磁动势。它们分别提供的永久磁铁和短的永久磁铁。是直轴电枢反应的组件。和的内部等效磁导长永磁和短的永久磁铁,分别。长之间的磁导永磁转子铁心。之间的磁导短永磁转子铁心。漏磁导的永久磁铁。和漏磁导的永久磁铁。气隙磁导。是定子的磁导的牙齿。定子轭磁导的。是转子铁心的磁导长永磁和空气之间的差距。和是短之间的转子铁心永磁性能的气隙。是之间的转子铁心的磁导长和短永久磁铁。是总磁路的磁通。它是由长时间运行和短永磁提供。是有效的磁通。和是长永磁和短的漏磁通永磁,分别。

在图3 (b),是一个额外的等效磁路模型中的磁通量。而且它只出现在一个不对称的磁极结构。和并行连接。用于表示的总磁导吗 , , , ,和 。

根据叠加原理,符合下列条件:

用于表示的总磁导吗和 。它满足下列条件: 最重要的是,使用非对称结构磁极可以减少总在磁路磁导。其总有效磁通不仅仅是一个传统的v形结构,如果磁动势是相同的。

3所示。电机结构优化

为了获得一个更好的电机几何形状,本文做了一些改进转子结构。转子边缘的形状改变。辅助槽转子内部使用。气隙的长度会变得不均匀。参数优化的一种合适的优化方法。选择和额定操作点的性能进行研究和分析。

3.1。优化思想和优化方法

改变气隙长度的方法用于本文。气隙长度变得不均匀。和有效磁通方向调整。具体办法如下。辅助槽转子内部使用。它能增强磁化能力,减少转动惯量。辅助槽和一个永久磁铁之间的距离 。转子的外缘改变偏心。偏心距离是 。用直线连接的偏心圆。它的长度是 。它可以消除尖角外缘,如图4。

上述改进方法可以提高气隙磁通密度波形。预期的波形的原理图可以表示在图5。它比初始正弦结构。

本文使用田口方法来优化参数。田口方法首次提出了Genichi田口博士是日本质量管理专家。它是一个局部优化方法基于正交实验。它可以快速确定多目标的组合优化与最少的实验。的基本设计过程如下:(1)根据需求确定优化目标(2)确定优化变量和相应的水平值(3)建立正交试验矩阵(4)使用有限元方法解决矩阵正交试验(5)分析每个优化变量的影响,确定最优参数(6)验证有限元分析的优化结果

3.2。确定优化目标和优化变量

本文使用田口方法优化气隙磁通密度波形,齿槽转矩,转矩的输出。它必须确保转矩波动不会增加。因此,气隙磁通密度的总谐波失真(THD)是第一个优化目标。齿槽转矩( )是第二个优化目标。输出转矩的平均值( )是第三个优化目标。转矩脉动是一个约束条件。它要求(THD和减少和尽可能多的增加。和转矩波动不会增加。

此外,被选为优化变量 。 被选为优化变量 。和被选为优化变量 。三个优化变量的初始值(2 6.5 4)。在此基础上,选择适当的值作为水平值。和优化参数和水平值如表所示2。特别是,“没有”意味着没有辅助槽。

3.3。正交试验设计和解决方案

优化目标,优化变量和相应的水平值决定。水平值的数量并不是完全相同的。传统的标准正交试验矩阵无法建立。根据田口方法的实验设计原理,建立了非标准正交试验矩阵如表所示3。

每个实验的额定操作点性能可以通过二维有限元分析计算方法。正交实验结果如表所示4。拉力的计算公式见公式(3)。和的计算见公式(5)。可以通过仿真分析。 在哪里基波的有效价值,高次谐波的有效价值,和分别输出扭矩的最大值和最小值。他们可以通过仿真分析。

3.4。结果处理和分析

在前面的小节中,每个实验的结果得到的二维有限元法。实验结果的总体平均值可以通过公式计算(5)。结果如表所示5。

可以计算每一个优化变量的平均值,分别在一定程度的价值。举一个例子,平均价值时可以通过以下公式优化变量选为1级。 同样,THD的平均值, ,和可以参照上述公式的计算方法。和近似的结果, ,和如表所示6、表7和表8,分别。

如果一个单一的目标是优化的,优化组合可以选择表6、表7和表8。为了优化(THD, A4, B1,可以选择和C2。优化 ,结合A4、B2和C3可以选择。和A4, B3, C3可以选择优化 。

有必要分析每个优化变量的影响进行多目标优化。根据前面的计算,可以通过公式计算比例(7)。 在哪里每一个优化目标的值是在一定水平;是每个优化目标的平均值;是水平的数量,党卫军是优化变量的方差在一定的性能。和计算结果如表所示9。

在上面的,田口方法的实验结果优化进行了分析。和每个变量的影响的比例的优化目标。可以看出,优化变量三个优化目标有很大的影响。(THD和时最小的四级被选中。和是最大的。优化变量有很大的影响吗 。因此,优化变量选择2级。和优化变量有一个小的影响每一个优化目标和选择三级。换句话说,偏心距离是8毫米。直线的长度是6.5毫米。和辅助槽和一个永久磁铁之间的距离是4.5毫米。

4所示。仿真分析和实验验证

4.1。有限元仿真分析

根据上述优化方案,得到优化后的电机结构和设计。结构如图6。和静态磁场分析如图7。

优化电机结构分析有限元模拟。气隙磁通密度波形图和谐波分析比较和分析8。优化后的波形满足除外波形。

齿槽定位转矩的比较如图9。和输出转矩比较如图10。与二维有限元法仿真分析,可以计算出近似是28.9%。的是284.3 mN∙m。和是13.7 N∙m。

从图可以看出10这一得到了改进。和输出转矩波动的范围减少。转矩波动率( )代表输出转矩的转矩脉动。它的计算如下: 它可以计算出优化前的41.1%以上的公式。和优化后是24.7%。它减少了16.4%。

性能优化前后对比图所示11。与优化前相比,降低了36.7%。是减少了26.0%。和是增加了4.8%。

4.2。原型制造和实验

为了验证仿真分析的有效性,优化生产后的转子结构。这是显示在图12。原型是组装和放置在一个齿轮扭矩测试实验平台。齿槽转矩测试平台如图13。

齿槽转矩的实验曲线如图14。最大值为280.8 mN∙m。它类似于模拟值。最大的摩擦力矩是346.8 mN∙m。

为了获得最大转矩和不对称的磁极永磁同步电动机的效率,有必要测试电动机的特性曲线。测功器试验平台的原型是放在一个完整的负载测试。这是显示在图15。获得和电动机的特性曲线如图16。

在图16,电动机的最大速度是每分钟5000转。最大输出扭矩为62 N∙m。和最大效率超过90%。

5。结论

本文提出了一种新型非对称磁极为汽车永磁同步电动机。建立了等效磁路模型。许多改善了转子结构。使用田口方法获得每个优化变量的最优解。结合有限元分析和模型试验,验证了结构和优化方法的有效性。此外,一些结论是如下:(1)这部小说不对称磁极永磁同步电动机具有平行有效磁通。与传统的v形结构相比,总透过降低。和有效磁通增加内容(2)田口方法用于优化电机结构。非标准矩阵建立了正交试验。实验的原始54集18所取代的组合实验。实验的数量明显减少。和有限元法验证了该方法的有效性(3)转子的偏心距离的总谐波失真影响最大的气隙磁通密度和平均输出转矩。偏心距离和直线的长度都对齿槽转矩的影响。比例约50%(4)与优化前的性能相比,总谐波失真的气隙磁通密度降低36.7%。齿槽转矩是下降了26.0%。平均输出扭矩增加了4.8%。和输出转矩脉动是降低16.4%

数据可用性

所有数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本研究工作是部分支持由中国国家自然科学基金(批准号51975340和51975340)。

引用

1. w·曹公元前Mecrow g·j·阿特金森,j·w·班尼特·d·j·阿特金森,“电机技术的概述用于更多的电动飞机(MEA),“IEEE工业电子产品卷,59号9日,第3531 - 3523页,2011年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. 郭y l·史,w·张,c .文平和k Byung II,”研究3/6-phase集成起动发电机绕组切换增程器电动汽车,”国际会议上电力电子与《亚洲,第2497 - 2492页,2019年。视图:谷歌学术搜索
3. 许r和c秦”,发展电动汽车的现状和发展前景,及其驱动电动机,”南方电网技术,10卷,不。71年,第86 - 82页,2016年。视图:谷歌学术搜索
4. 你们美国,”迭代的设计和性能分析通量滑模观测器的永磁同步电动机无传感器控制驱动器,”ISA事务卷,94年,第264 - 255页,2019年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. 刘k和j .徐”纯电动汽车驾驶摩托、生命周期评价”Acta Scientiae Circumstantiae。,36卷,不。9日,第3463 - 3456页,2016年。视图:谷歌学术搜索
6. x Liu h·陈,j .赵,a . Belahcen”研究室内永磁同步电动机的性能和参数用于电动汽车,”IEEE工业电子产品,卷63,不。6,3533 - 3545年,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. w·胡,x, y, du, l .史和g .刘”分析模型混合励磁和内部气隙磁场的永磁电机电动物流车辆,”IEEE访问,8卷,第148249 - 148237页,2020年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. 问:李,c .太阳,t .粉丝,x,, y,“转子磁极优化设计双层室内永磁机的电动汽车,“电机和控制,24卷,不。9日,56 - 64,2020页。视图:谷歌学术搜索
9. w .任”,室内永磁转矩脉动补偿技术机器使用不对称v形转子配置”电子工业协会的年会,第8749 - 8744页,北京,中国,2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. 问:陈,g, g . Liu w·赵l . Liu和z林,“减少转矩脉动竞选IPM电机通过降低交互性MMF,”IEEE工业电子产品,卷65,不。11日,第8531 - 8520页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. w . Ren,徐问:问:李,l .周”减少齿槽定位转矩和转矩脉动在室内点机器与不对称v形转子设计,“IEEE磁学,52卷,不。7日,1 - 5,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. f·柴,p .梁、y .贝聿铭和s . Cheng“磁铁形状优化表面贴装永磁电机减少谐波铁损,”IEEE磁学,52卷,不。7日,1 - 4,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. j .他李g . r .周,王,“优化永磁球形电机基于田口方法,”IEEE磁学,52卷,不。2、1 - 7,2020页。视图:谷歌学术搜索
14. c .夏l .郭z, t·史和h·王,“永磁腔优化设计减少室内永磁机的铁损失,”IEEE磁学,51卷,不。12日,1 - 9,2015页。视图:谷歌学术搜索

版权

版权©2021 Wenchao Zhang et al。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。