无刷复合结构电机系统的优化设计方法

无刷复合结构电机系统的优化设计方法
【专利摘要】本发明涉及一种无刷复合结构电机系统的优化设计方法，包括建立无刷爪极双转子电机的数学模型，对电机的参数及性能分析；建立电机的三维有限元模型，分析电机内部的电磁场分布情况，计算出电机的参数及性能，采用二维等效有限元模型来仿真三维有限元模型，分析转矩密度和齿槽转矩与无刷爪极双转子电机主要结构参数之间的关系，然后采用有限元仿真方法给定样机参数确定方法，测试实验样机的功能。无刷爪极双转子电机作为无刷复合结构电机系统的一部分，解决了刷复合结构电机内转子绕组严重发热和需要电刷滑环馈电的问题。
【专利说明】无刷复合结构电机系统的优化设计方法

【技术领域】
[0001] 本发明属于汽车电机【技术领域】，具体涉及一种无刷复合结构电机系统的优化设计 方法。

【背景技术】
[0002] 能源危机和环境污染是制约传统汽车发展的两大难题。世界范围内，经济发展导 致汽车拥有量快速增长，汽车交通所带来的石油消费量大幅上升，导致本已有限的石油储 藏资源日益减少。另一方面，汽车排放的尾气中含有二氧化碳、甲焼W及氧化亚氮等温室气 体，制造了严重的废气污染，加速了全球的气候变暖。问题的出现促使人们运用一系列技术 手段改进现有的汽车驱动系统，提高汽车的燃油经济性，降低汽车的排放水平，因此新型电 动汽车的开发成为了近年来汽车领域的研究热点。
[0003] 目前研发的各种电动汽车主要分为H个类型，即纯电动汽车、混合动力汽车W及 燃料电池汽车。其中纯电动汽车能够实现零排放，但受蓄电池能量密度的限制，一次充电行 驶里程较短，只能在短程、低速的城市中也及社区间使用。燃料电池汽车具有很大的发展 潜力，但目前成本过高，其氨氧燃料供应系统还存在着有待解决的技术问题，暂时难W产业 化。而混合动力汽车利用电力辅助驱动，可W弥补内燃机驱动存在的固有缺点，使汽车能源 在各种运行工况下都能够得到优化利用，是当前技术水平下汽车节能减排的理想方案。
[0004] 复合结构电机是针对混合动力车领域的最先进类型一混联式混合动力方案，提 供一种具有原理先进性和方案实用性的新型解决途径。该技术方案采用具有两个不同转速 输出轴的复合结构电机来调节发动机和主减速器之间的转速差和转矩差，使内燃机运行在 高效率区域，从而达到较好的节能效果。本文研究的无刷爪极双转子电机是一种新型结构 电机，不同于传统电机具有一个定子和一个转子，它具有一个定子与两个转子，可W与另一 台电机配合组成无刷复合结构电机。可W解决过去有刷复合结构电机方案存在的内转子绕 组严重发热和需要电刷滑环馈电的问题，提高电机的实用性，使所在系统成为有望投产的 混合动力新传动机构。
[0005] 复合结构电机是两台电机的高度集成，如图1，该种电机作为一种新兴的混联式混 合动力系统的核也部件，能够分配内燃机和蓄电池的能量流动，达到提高车辆燃油经济性 和降低尾气排放的目的。目前国际上对有刷复合结构电机的研究已趋于成熟，已有的研究 工作证明了该方案的可行性和先进性，但也表明该方案存在内转子绕组严重发热和需要电 刷滑环馈电的问题。


【发明内容】

[0006] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种无刷复合结构电机系统的优化设计方 法。
[0007] 本发明的技术方案是：一种无刷复合结构电机系统的优化设计方法，包括如下步 骤；步骤一：建立无刷爪极双转子电机的数学模型；步骤二：无刷爪极双转子电机的参数及 性能分析；步骤H ;建立无刷爪极双转子电机的H维有限元模型，分析电机内部的电磁场 分布情况，计算出电机的参数及性能，包括空载磁密的分析、空载反电动势的分析、漏磁系 数和电抗参数的计算；步骤四：简化无刷爪极双转子电机的H维有限元模型，采用二维等 效有限元模型来仿真H维有限元模型，使二维有限元模型在每段磁通路径上具有与H维模 型相同的磁阻和磁动势；步骤五；采用解析方法分析转矩密度和齿槽转矩与无刷爪极双转 子电机主要结构参数之间的关系，然后采用有限元仿真方法分析永磁转子结构、极对数、结 构尺寸、气隙长度和爪极形状对电机转矩性能的影响，给定样机参数确定方法。步骤六：分 析电机功率因数、电机损耗及效率，功率因数的分析包括永磁体尺寸、绕组面数和输入电流 的分析。步骤走：测试实验样机的功能，若测试数据满足性能指标则结束，如果不满足，返回 步骤二。所述步骤一包括两步，第一步；简化无刷爪极双转子电机的结构，忽略磁路饱和、磁 滞和润流影响，磁路为线性忽略齿槽效应及换相过程的影响，忽略频率和温度对绕组的影 响；第二步：分析系统结构并建立数学模型。所述步骤二包括磁路参数分析、磁通与电磁转 矩的分析和电抗参数分析。所述步骤四的二维等效有限元模型包括：等效爪极、等效定子绕 组、等效定子铁也。所述步骤五中样机参数为样机对极为6对、尺寸比选择为4. 5、内外层 气隙长度均取值0. 8mm、爪尖极弧系数的取值范围为0.广0. 4、爪根极弧系数的取值范围为 广1. 1。所述步骤走中功能测试包括：空载反电动势测试、齿槽转矩测试、空载损耗及效率测 试、电流相角对功率因数的影响的测试和转速调节功能的测试。
[0008] 本发明有如下积极效果；本发明给出了无刷爪极双转子电机的结构参数优化方 法，作为无刷复合结构电机系统的一部分，解决了刷复合结构电机内转子绕组严重发热和 需要电刷滑环馈电的问题。更多的，从基本电磁理论出发对功率因数问题进行了理论分析， 在此基础上，探讨了永磁体尺寸、绕组面数和输入电流对功率因数的影响，提出了改善功率 因数的有效方法。之后给出了电机各种损耗的计算方法，并进一步分析了额定工作状态下 电机的效率和功率密度情况，为样机的设计制造W及在电动车中应用提供了理论依据。

【专利附图】

【附图说明】
[0009] 图1为本发明【具体实施方式】无刷复合结构电机的结构图； 图2为本发明【具体实施方式】的无刷爪极双转子电机的实验平台系统框图。

【具体实施方式】
[0010] 下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的【具体实施方式】如所涉及的各构件 的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及 操作使用方法等，作进一步详细的说明，W帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术 方案有更完整、准确和深入的理解。
[0011] 本发明的无刷复合结构电机是无刷爪极双转子电机，无刷爪极双转子电机是基于 爪极电机原理提出的，它在分析方法与研究问题上与传统爪极电机存在很多的相同点。该 电机与常规径向磁通电机有着较大的不同，它依靠爪极的作用将电机中的径向磁通转换为 轴向磁通，因而电机的主磁通路径在空间上呈现H维分布，而且整个电机的漏磁场分布情 况也比较复杂。特殊结构使得该种电机的运行机理和设计方法与常规电机相比差异很大。 爪极电机的拓扑结构研究经历了一个不断探索的发展之路，逐步形成了丰富多样的结构体 系。根据励磁形式不同，爪极电机主要分为H种类型即：电励磁爪极电机、永磁爪极电机和 混合励磁爪极电机。
[0012] 无刷爪极双转子电机可W与不同结构的传统电机相配合，构成无刷复合结构电机 方案。该方案既可W实现内燃机转矩转速独立控制，又能解决当前困扰业内的绕组发热和 需要电刷滑环馈电的问题。
[0013] 本发明的方法步骤如下： 步骤一、无刷爪极双转子电机的数学模型 第一步、简化假设 为简化分析，推导无刷爪极双转子电机的数学模型时假设： (1) 忽略磁路饱和、磁滞和润流影响，磁路为线性； (2) 电机H相绕组对称，各绕组轴线在空间上互差12(f电角度，所产生的磁动势沿气 隙正弦规律分布； (3) 忽略齿槽效应及换相过程的影响； (4) 忽略频率和温度对绕组的影响。
[0014] 无刷爪极双转子电机H段结构之间存在空隙，因此各相绕组之间彼此独立，没有 互感存在，它的a, b，C相绕组虽不在同一平面上，但从功率和转矩的角度上可W看成是同 一平面上不存在互感的H相整距绕组。
[0015] 无刷爪极双转子电机各相绕组在空间上不位于同一平面内，通电之后形成的脉振 磁动势无法形成合成旋转磁动势，但是合成的的电磁转矩方程仍然和传统永磁电机的电磁 转矩方程一样。当系统负载运行时，无刷爪极双转子电机和转矩调节电机分别在爪极转子 上产生电磁转矩，并与负载转矩共同作用，维持爪极转子的稳态运行。此外，永磁转子受到 内燃机输出转矩的拖动W及无刷爪极双转子电机电磁转矩的制动作用，两种转矩共同维持 永磁转子的稳态运行。
[0016] 第二步、系统结构 无刷爪极双转子电机所在的混合动力系统结构如1所示，整个系统由内燃机、无刷爪 极复合电机、逆变器、电池及控制系统等构成。其中无刷爪极复合电机包含了由第一定子、 爪极转子、第一永磁转子组成无刷爪极双转子电机W及由第二永磁转子、第二定子组成的 转矩调节电机。无刷爪极复合电机安装在内燃机和主减速器之间，第一永磁转子与内燃机 相连，爪极转子与第二永磁转子通过转轴共同连接到主减速器上，主减速器再输出转矩给 车轮。
[0017] 步骤二、无刷爪极双转子电机的参数及性能分析 无刷爪极双转子电机内部的磁通方向呈现H维分布，包括周向、径向和轴向，而且与所 有爪极电机一样，无刷爪极双转子电机的漏磁通比较复杂，漏磁路径较多，该使得无刷爪极 双转子电机的磁路结构与常规结构电机有较大的区别，因此有必要对该电机的磁路模型及 解析公式进行重新分析。
[0018] 所述参数及性能分析包括磁路参数分析、磁通与电磁转矩的分析和电抗参数分 析。
[0019] 1、磁路参数分析： 无刷爪极双转子电机的等效磁路模型较传统电机的磁路模型更为复杂，而求解等效磁 路模型的准确性，在很大程度上取决于各种磁阻的计算。
[0020] 所述各种磁阻的计算包括；爪极磁阻的计算、膝部磁阻的计算、定子铁也辆部磁 阻的计算、定子铁也端部磁阻的计算、内外层气隙磁阻的计算、爪极与爪极之间漏磁阻的计 算、定子端部之间的漏磁阻的计算和永磁体之间的漏磁阻的计算。
[0021] 2、磁通与电磁转矩的分析 与永磁外转子爪极电机磁路图相比，无刷爪极双转子电机的磁路图增加了一层气隙， 额外的空气间隙将减小气隙磁通密度和转矩，为了维持正常的气隙磁通，设计时要尽可能 降低主磁路磁阻。由于漏磁路径较多，要尽可能降低漏磁，同时为保证气隙磁通，也需要适 当提高永磁体磁势。
[0022] 分析表明；电磁转矩的大小除了与相数、极对数、绕组的面数和电枢电流等因素有 关外，还和电机的直轴和交轴磁路磁阻、永磁体磁势有关。给定输入的直轴和交轴电流分 量，便可计算得到电机的电磁转矩。该种计算转矩方法无需电磁场计算，在磁路计算中易于 实现，为设计电机提供了方便，但是它的准确度决定于各参数计算的准确度。
[0023] 3、电抗参数分析 无刷爪极双转子电机有着和普通永磁同步电机不同的磁路结构，与传统的永磁同步电 机相比，无刷爪极双转子电机增加了一个空气间隙，同时它还有着不同的绕组形式和更复 杂的漏磁通路径，所W原有的参数计算公式已经不再适合。因此，有必要对电机的电抗参数 特性进行分析。
[0024] 虽然电抗参数的解析计算式可W通过等效磁路磁阻的解析式导出，但解析式中铁 磁材料的磁阻不是一个常量，而是随着磁通密度的改变而变化，在近似计算时，可W假定： 铁磁材料磁导率y = 。
[002引分析表明；与普通永磁同步电机不同，无刷爪极双转子电机的电枢反应电抗与频 率成正比关系，所W在额定转速工作时，当电机设计极数增加，电抗也相应增加。经过分析， 该主要是由于环形绕组结构使得无刷爪极双转子电机绕组磁动势幅值正比于每相串联面 数，而普通永磁同步电机绕组的磁动势幅值正比于每极每相下的有效串联面数，磁动势公 式的区别导致了电抗公式的不同。
[0026] 步骤H、无刷爪极双转子电机的H维有限元分析 无刷爪极双转子电机主磁路在空间为H维分布，同时爪极结构使其漏磁路十分复杂而 且漏磁通占的比例偏大，该些都增加了电磁计算的复杂性。而H维电磁场仿真分析能够较 准确地计算爪极电机内部的电磁场分布情况，从而准确地计算出电机的参数及性能。
[0027] 包括；空载磁密的分析、空载反电动势的分析、漏磁系数的计算和电抗参数的计 算。
[0028] 1、空载磁密的分析 空载情况下，有两个不同的典型时刻，无刷爪极双转子电机磁通密度矢量的分布情况。
[0029] 1)永磁磁极与爪极的中也线重合是电机运行中的一个典型时刻，此时电机主磁路 呈最小磁阻性，永磁励磁磁通经爪极和定子铁也形成闭合回路，链过定子绕组的主磁通最 大。
[0030] 2)永磁磁极与爪极间隙重合是电机运行中的另一典型时刻，此时永磁体上产生的 励磁磁通基本通过相邻的爪极块自行闭合，链过定子绕组的磁通接近为零。
[0031] 2、空载反电动势的分析 空载反电动势是永磁电机的一项重要指标，它对电机的稳态和动态性能都有较明显的 影响。当无刷爪极双转子电机的永磁转子相对爪极转子旋转时，电机的内外层气隙磁密分 布随时间而变化，同时每相绕组所交链的磁通也随着时间而变化，变化的磁通在绕组线圈 中感应出变化的电动势。
[0032] 分析表明；与常规永磁同步电机相似，无刷爪极双转子电机的空载反电动势随相 对转速基本上呈正比增加。
[0033] 2、漏磁系数的计算 漏磁系数是永磁电机的一个重要设计参数。漏磁系数的计算，对电机永磁体工作点的 确定、磁路的准确计算W及结构的优化设计具有重要意义。对于磁路结构相对简单的电机， 可W利用解析法来计算等效漏磁系数，而对于具有复杂结构的电机，为了了解有效磁通能 够占多大比例，需要通过H维电磁场计算得到该参数值。
[0034] 分析表明：无刷爪极双转子电机的电枢漏磁系数和永磁体漏磁系数都比较大。永 磁体漏磁系数较大意味着永磁体的利用程度较低，会导致电机永磁体用量的增加；而电枢 漏磁系数大则标志着电枢漏磁通较大，会造成电枢漏抗的增大，从而导致电机的功率因数 偏低。
[00巧]3、电抗参数的计算 电抗参数是设计电机和分析电机性能的基础。虽然解析法可W得到电抗参数的表达 式，但电抗受转子结构、气隙长度、磁路饱和等因素的影响，难W用解析方式精确表达，只有 借助于有限元分析方法，才能够得到较准确的电抗值。
[0036] 步骤四、无刷爪极双转子电机的简化建模 H维有限元模型网格剖分数多，一个模型的计算就需要耗费很多的计算时间，难W满 足工程设计的需要，因此有必要在计算准确的前提下研究更为简单的有限元模型。
[0037] 所述简化建模是在H维场模型的基础上，采用二维等效有限元模型来仿真无刷爪 极双转子电机。
[0038] 二维等效有限元模型的建立来源于对H维模型的等效变换。等效变换时采用的原 则是使二维模型在每段磁通路径上具有与H维模型相同的磁阻和磁动势，该样可W就可W 使变换前后的模型在各项性能上基本一致。
[0039] 根据等效变换原则，无刷爪极双转子电机的二维等效有限元模型包括： (1) 等效爪极 爪极为最常见的爪极形状，爪极面对永磁转子一侧形状为梯形，爪极径向截面同样是 梯形。在确定二维等效爪极模型时，可W假设爪极经过合理设计，各处磁通密度相差不大， 那么可W取H维爪极轴向中截面作为二维模型的等效爪极面. (2) 等效定子绕组 无刷爪极双转子电机的环形集中绕组可W等效成类似于普通永磁同步电机的整距绕 组。在二维等效模型中，线圈安放在沿圆周方向均匀分布的开口槽中，槽数设置等于永磁转 子极数。同时，由于环形绕组在每对极磁路中产生的磁动势等于每相串联绕组的磁动势，为 保证变换前后的磁动势相同，二维模型绕组的每槽导体数设置等于H相模型绕组的每相串 联面数N。
[0040] (3)等效定子铁也 在二维等效模型中，无刷爪极双转子电机的定子端部可W等效成为扇形形状的定子 齿。为了使等效前后铁也的磁阻相同，二维等效模型中的铁也齿保持与H维模型相同的齿 磁路长度，同时，定子铁也齿对应的圆也角由决定。

【权利要求】
1. 一种无刷复合结构电机系统的优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤一：建立无刷爪极双转子电机的数学模型； 步骤二：无刷爪极双转子电机的参数及性能分析； 步骤三：建立无刷爪极双转子电机的三维有限元模型，分析电机内部的电磁场分布情 况，计算出电机的参数及性能，包括空载磁密的分析、空载反电动势的分析、漏磁系数和电 抗参数的计算； 步骤四：简化无刷爪极双转子电机的三维有限元模型，采用二维等效有限元模型来仿 真三维有限元模型，使二维有限元模型在每段磁通路径上具有与三维模型相同的磁阻和磁 动势； 步骤五：采用解析方法分析转矩密度和齿槽转矩与无刷爪极双转子电机主要结构参数 之间的关系，然后采用有限元仿真方法分析永磁转子结构、极对数、结构尺寸、气隙长度和 爪极形状对电机转矩性能的影响，给定样机参数确定方法， 步骤六：分析电机功率因数、电机损耗及效率，功率因数的分析包括永磁体尺寸、绕组 匝数和输入电流的分析， 步骤七：测试实验样机的功能，若测试数据满足性能指标则结束，如果不满足，返回步 骤二。
2. 根据权利要求1所述的无刷复合结构电机系统的优化设计方法，其特征在于：所述 步骤一包括两步，第一步：简化无刷爪极双转子电机的结构，忽略磁路饱和、磁滞和涡流影 响，磁路为线性忽略齿槽效应及换相过程的影响，忽略频率和温度对绕组的影响；第二步：分析系统结构并建立数学模型。
3. 根据权利要求1所述的无刷复合结构电机系统的优化设计方法，其特征在于：所述 步骤二包括磁路参数分析、磁通与电磁转矩的分析和电抗参数分析。
4. 根据权利要求1所述的无刷复合结构电机系统的优化设计方法，其特征在于：所述 步骤四的二维等效有限元模型包括：等效爪极、等效定子绕组、等效定子铁心。
5. 根据权利要求1所述的无刷复合结构电机系统的优化设计方法，其特征在于：所述 步骤五中样机参数为样机对极为6对、尺寸比选择为4. 5、内外层气隙长度均取值0. 8mm、爪 尖极弧系数的取值范围为〇. 1~〇. 4、爪根极弧系数的取值范围为1~1. 1。
6. 根据权利要求1所述的无刷复合结构电机系统的优化设计方法，其特征在于：所述 步骤七中功能测试包括：空载反电动势测试、齿槽转矩测试、空载损耗及效率测试、电流相 角对功率因数的影响的测试和转速调节功能的测试。
【文档编号】G06F17/50GK104331573SQ201410662615
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月19日 优先权日:2014年11月19日
【发明者】许其山, 曾庆平 申请人:芜湖杰诺瑞汽车电器系统有限公司