基于電熱雙向耦合的磁通切換外轉(zhuǎn)子電機的設計方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于磁通切換電機技術領域，具體是基于電熱雙向耦合的磁通切換外轉(zhuǎn)子 電機的優(yōu)化設計方法。
【背景技術】
[0002] 驅(qū)動電機是電動車的關鍵動力部件之一，其性能的優(yōu)劣直接影響整車的驅(qū)動性 能，要求其具體高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度、高效率以及寬調(diào)速范圍等性能，以滿足電動汽車 頻繁加減速、爬坡、高速巡航等不同工況的運行要求。
[0003]磁通切換永磁電機被應用在電動汽車領域中，磁通切換永磁電機相鄰定子之間嵌 有切向交替充磁的永磁磁鋼，一方面，通過聚磁效應實現(xiàn)了較高的轉(zhuǎn)矩和功率密度，另一方 面，與傳統(tǒng)永磁無刷電機相比，其轉(zhuǎn)子上既無永磁磁鋼也無繞組，使得電機結(jié)構簡單，適合 高速運行的同時又有利于散熱，能滿足電動汽車頻繁加減速、重載爬坡、高速續(xù)航等不同運 行工況的要求。中國專利號201310173635. 7的文獻中提出了一種六相磁通切換型永磁電 機，轉(zhuǎn)子結(jié)構與開關磁阻電機相似，無繞組無永磁磁鋼，僅由硅鋼片疊壓形成，保留了普通 三相磁通切換型電機高功率密度和高效率的固有特點，由于采用六相繞組的特殊設計，相 比三相電機在同等功率等級要求下對功率變換器的要求有所降低，使得影響較大的空間諧 波次數(shù)增大，且幅值下降，進而降低了轉(zhuǎn)矩脈動的幅值。中國專利號201410781916. 5的文 獻中提出了一種適用于增程式電動汽車的磁通切換永磁電機，內(nèi)外轉(zhuǎn)子均為凸極結(jié)構，定 子鐵芯采用Η形模塊化設計，定子中嵌入交替切向充磁的永磁磁鋼，電樞繞組至于定子槽 中；該電機相比傳統(tǒng)的單層氣隙磁通切換具有更高的轉(zhuǎn)矩和功率密度；由于存在內(nèi)外兩層 氣隙，使得該電機可以有效地將傳統(tǒng)磁通切換電機定子齒的過飽和部分的永磁磁能轉(zhuǎn)換為 外磁場，從而可以降低定子齒的飽和程度，還能有效的提高電機的轉(zhuǎn)矩輸出能力和提高電 機的功率密度。但是，上述兩種電機均建立在傳統(tǒng)設計方法的基礎之上。所謂傳統(tǒng)設計方 法是指在設計過程中，電機的輸出功率、平均輸出轉(zhuǎn)矩等電機性能是在只考慮到環(huán)境室溫 情況下而進行設計得出的。然而，隨著電動汽車的急速發(fā)展，電動汽車的運行環(huán)境越來越 惡劣，例如頻繁急加速、重載爬坡等工況，較大的電樞電流會使得繞組溫度在短時間內(nèi)快速 升高，同時，電機中永磁磁鋼的工作性能對溫度十分敏感，溫度上升會使永磁磁鋼工作點偏 移，甚至會造成永磁磁鋼的不可逆退磁，最終導致電機驅(qū)動性能下降。
[0004] 因此，如何獲得一種考慮溫度對電機驅(qū)動性能的影響的電機設計方法成為當前電 動汽車領域中亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有電機在設計時未考慮溫度對驅(qū)動性能影響的問題，提 供一個基于電熱雙向耦合的磁通切換外轉(zhuǎn)子電機的設計方法，引入電熱雙向耦合分析方法 以補償溫度對電機驅(qū)動性能所帶來的影響，滿足電動汽車的驅(qū)動性能要求。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：選定電機的輸出功率Ρ2、額定功率Ρ、 額定轉(zhuǎn)速n、電機效率ri、電機軸長la、定子極數(shù)ps、轉(zhuǎn)子極數(shù)b、電機漏磁系數(shù)kd、斜槽系數(shù)ks、電機線負荷1及氣隙磁通密度最大值Bg _這些參數(shù)；計算出電機的初始定子極弧系數(shù) Cs、初始轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)Cp初始永磁體極弧cpm、初始定子槽口極弧Cslc]jp初始定子內(nèi)徑Dsi; 利用Maxwell軟件建立電機的環(huán)境溫度下的二維電磁場模型，利用Maxwell軟件仿真出電 機的平均輸出轉(zhuǎn)矩!《、鐵芯損耗PFe和永磁磁鋼渦流損耗P并計算出銅耗I\u，其特征是還 包括以下步驟：
[0007] A、結(jié)合Fluent軟件建立三維溫度場模型，將鐵芯損耗PFe、永磁磁鋼渦流損耗匕和 銅耗1^導入到三維溫度場模型，仿真得到電機運行達到穩(wěn)定時的溫度Tn;
[0008] B、計算出電機在溫度為1；時刻下的剩余磁通密度MTn)和為內(nèi)稟矯頑力H" (Tn)， 更新環(huán)境溫度下的永磁磁鋼退磁曲線，獲得電機在溫度??；下的永磁磁鋼退磁曲線，將更新 后溫度Τη下的永磁磁鋼退磁曲線數(shù)據(jù)反饋到所述二維電磁場模型，獲得溫度Τη下的二維電 磁場模型；
[0009] C、利用Maxwell軟件仿真出電機在溫度Τη下的平均輸出轉(zhuǎn)矩Teni(Tn)、鐵芯損耗 PMTn)、永磁磁鋼渦流損耗P$n)并計算出銅耗P^Tn)，將鐵芯損耗PMTn)、永磁磁鋼渦流損耗 P$n)和銅耗Ρ^Τη)導入到三維溫度場模型中，得到電機運行達到穩(wěn)定時的溫度Tn+1;
[0010] D、比較溫度T，Tn+1，當不滿足條件|Tn-Tn+1|彡。時，。是溫度設計精度，則更 新溫度!；下的永磁磁鋼退磁曲線，獲得電機在溫度Tn+1下對應的永磁磁鋼退磁曲線，再得到 溫度Tn+1下對應的平均輸出轉(zhuǎn)矩ΤΜση+1)、鐵芯損耗PMTn+1)、永磁磁鋼渦流損耗Ι\ση+1)和銅耗 Ρ^η+1)、并再次導入到三維溫度場模型中，得到電機運行達到穩(wěn)定時的溫度τη+2，再將溫度 τη+2進行比較，如此循環(huán)直至滿足條件；當滿足條件|τη-τη+1|彡。時，則先仿真出電機在溫 度τη+1下的平均輸出轉(zhuǎn)矩ΤΜση+1)，再判斷平均輸出轉(zhuǎn)矩1；"^+1)是否等于平均輸出轉(zhuǎn)矩τΜ，
n^DjPC=m2cs修正所述初始定子內(nèi)徑Dsi和所述初始定子極弧系數(shù)cs，得到優(yōu)化后 的定子內(nèi)徑Dsia(;mpdP定子極弧系數(shù)csa(;mp)，mJPm2分別為優(yōu)化后的定子內(nèi)徑Dsia(;mp)和定 子極弧系數(shù)cs(temp)的修正系數(shù)，k=m' ·m2。
[0011] 在得到優(yōu)化后的定子內(nèi)徑Dsiaanp)和定子極弧系數(shù)Csaanp)后，計算出優(yōu)化后的平均 輸出轉(zhuǎn)矩TM(temp):
[0013] 在得到優(yōu)化后的平均輸出轉(zhuǎn)矩ΤΜαΜρ)之后，對初始轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)q和初始永磁磁 鋼極弧cpm進行優(yōu)化為：
，.（^是最終轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)，c_是最終永磁磁鋼 極弧。
[0014] 本發(fā)明采用上述技術方案后具有的有益效果是：
[0015] 1、本發(fā)明考慮到溫度對電機材料的影響導致溫度對電機驅(qū)動性能的影響，尤其是 對永磁磁鋼材料的影響，引入電熱雙向耦合分析方法，通過反復迭代反饋分析得到傳統(tǒng)設 計方法忽略的溫度因素所帶來的影響。利用雙向耦合分析可以得到修正因子，其作用是補 償溫度對電機驅(qū)動性能所帶來的影響，以解決傳統(tǒng)設計方法中忽視溫升對電機驅(qū)動性能所 帶來的影響以至于不能滿足電動汽車的驅(qū)動性能要求的問題，使電機運行在復雜工況也能 滿足要求。
[0016] 2、本發(fā)明在設計過程中與電機的結(jié)構參數(shù)相關聯(lián)，通過獲得的電機的修正因子來 優(yōu)化電機的定子內(nèi)徑和定子極弧系數(shù)，從而修改電機尺寸，通過結(jié)合設計所需的電機驅(qū)動 性能的要求和材料成本，得到考慮溫度因素最優(yōu)的電機設計。
[0017] 3、本發(fā)明利用二維有限元模型和三維溫度場模型，建立電磁場-溫度場的多物理 場聯(lián)合仿真模型，利用有限元可以縮短設計時間、降低設計成本、提高計算精確度，具有設 計簡單、操作簡單、工作效率高等優(yōu)點。
[0018] 4、本發(fā)明利用雙向耦合的多物理場聯(lián)合仿真方法，可以實時計算出不同工況下電 機的驅(qū)動性能。
【附圖說明】
[0019] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0020] 圖1是磁通切換外轉(zhuǎn)子電機的徑向截面結(jié)構示意圖；
[0021] 圖2是基于電熱雙向耦合的磁通切換外轉(zhuǎn)子電機的設計流程圖；
[0022] 圖3是在20°C溫度下永磁磁鋼的內(nèi)稟退磁曲線；
[0023] 圖4是本發(fā)明與傳統(tǒng)設計方法設計的平均輸出轉(zhuǎn)矩對比較圖；
[0024] 圖5是用本發(fā)明方法設計的電機的平均輸出轉(zhuǎn)矩圖。
[0025] 圖中：1.轉(zhuǎn)子；2.定子；3.電樞繞組；4.非導磁轉(zhuǎn)軸；5.永磁磁鋼。
【具體實施方式】
[0026] 如圖1所不，三相12/22極磁通切換外轉(zhuǎn)子電機的結(jié)構為：由轉(zhuǎn)子1、定子2、電樞 繞組3和非導磁轉(zhuǎn)軸4組成，轉(zhuǎn)子1固定套接在非導磁轉(zhuǎn)軸4上，隨非導磁轉(zhuǎn)軸4旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn) 子1和定子2均為凸極結(jié)構，轉(zhuǎn)子1既無繞組也無永磁磁鋼5,僅由硅鋼片疊加而成。定子 2的定子槽口成"V"型，并且12塊切向交替充磁的矩形永磁磁鋼5內(nèi)嵌于定子2上，電樞繞 組3環(huán)繞與定子2上。
[0027] 針對圖1所示的磁通切換外轉(zhuǎn)子電機，本發(fā)明結(jié)合不同溫度下的永磁磁通退磁曲 線，也就是表示永磁磁鋼5的磁感應強度隨磁場強度改變的曲線，基于電熱雙向耦合分析 方法，通過反復的迭代反饋分析得到傳統(tǒng)設計方法忽略的溫度因素所帶來的影響，確定出 電機的修正因子，在此基礎上進行定子內(nèi)徑和定子極弧系數(shù)的優(yōu)化設計。其中的電熱雙向 耦合方法是一種基于電磁場和溫度場的多物理場聯(lián)合仿真模型獲得反饋值的方法。如圖2 所示，具體包括以下步驟：
[0028] 步驟1 :根據(jù)磁通切換外轉(zhuǎn)子電機的實際設計需求，選定磁通切換外轉(zhuǎn)子電機的 額定功率P、額定轉(zhuǎn)速η和電機效率q等參數(shù)。
[0029] 按傳統(tǒng)設計方法選定電機的輸出功率Ρ2、額定功率Ρ、額定轉(zhuǎn)速η、電機效率η、電 機軸長la、定子極數(shù)ps、轉(zhuǎn)子極數(shù)b電機漏磁系數(shù)kd、斜槽系數(shù)ks (本發(fā)明中ks= 1)，電機 線負荷1及氣隙磁通密度最大值Bg _這些參數(shù)。這些參數(shù)在接下來的優(yōu)化設計過程中不 再進行優(yōu)化。
[0030] 根據(jù)選定的參數(shù)，計算電機的初始尺寸，即計算出電機的初始定子極弧系數(shù)cs、初 始轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)(^、初始永磁體極弧cpni、初始定子槽口極弧csklt和初始定子內(nèi)徑DS1，計算 公式如下：
[0034] 步驟2 :根據(jù)電機的額定功率P、額定轉(zhuǎn)速n、電機效率η、輸出功率P2、電機軸長 la、定子極數(shù)P、轉(zhuǎn)子極數(shù)Pp電機漏磁系數(shù)kd、斜槽系數(shù)ks、電機線負荷As及氣隙磁通密度最 大值Bg_和步驟1計算出的初始定子內(nèi)徑DS1、初始定子極弧系數(shù)cs、初始轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)a 和初始永磁磁鋼極弧cpni，利用Maxwell軟件建立該磁通切換外轉(zhuǎn)子電機在環(huán)境溫度（20°C) 下的二維電磁場模型。
[0035] 步驟3 :針對二維電磁場模型，基于Maxwel1軟件對電機進行電磁性能仿真和電磁 性能分析。分析基于環(huán)境溫度（20°C)下的永磁磁鋼退磁曲線，如圖3所示，橫坐標表示磁 場強度H，縱坐標表示磁感應強度B。當Η= 0時，永磁磁鋼退磁曲線與縱坐標相交處的數(shù) 值是為剩余磁通密度IVf直；當Β= 0時，永磁磁鋼退磁曲線與橫坐標相交的數(shù)值為內(nèi)稟矯 頑力1值。
[0036] 利用Maxwell軟件對電機仿真出電機的平均輸出轉(zhuǎn)矩、鐵芯損耗PFjP永磁磁 鋼渦流損耗匕。再利用公式計算出銅耗Pra，計算公式如下：
[0037] Pcu=ml2R (4)
[0038] 式中，m為電機相數(shù)，R為每相繞組的有效電阻值，I為繞組中相電流的有效值。
[0039] 步驟4 :采用電機軸長la、定子極數(shù)ps、