一种基于CAE的动力汽车用电机的模拟优化方法与流程

本发明涉及电机优化设计领域，尤其涉及一种基于cae的动力汽车用电机的模拟优化方法。

背景技术：

目前，电机作为一种能量转换工具被广泛用于交通、工业、航空等场所，已成为国家现代化建设不可缺少的一部分，随着日益严峻的能源政策，开发高性能、低成本的电机成为迫切需求，传统电机设计方案往往采用尺寸等比例放大、基于等效磁路计算的方式，这样带来计算时间长、算不准、无法全面优化电机提升性能的问题。

动力汽车用电机是指以车载电源为动力，动力汽车用电机利用电机驱动车轮行驶，动力汽车用电机符合道路交通、安全法规各项要求。由于对环境影响相对传统汽车较小，动力汽车的前景被广泛看好，但当前技术尚不成熟。电源为动力汽车的驱动电动机提供电能，动力汽车用电机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。

特别地，动力汽车用电机可以驱动轮轨来传递牵引力和制动力，振动和噪声较大，车辆用户体验不好，因此，在设计动力汽车用电机时，不仅需要满足一般电机的条件，还要满足振动噪声低这一条件。

因此，提供一种基于cae的动力汽车用电机的模拟优化方法。

技术实现要素：

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的基于cae的动力汽车用电机的模拟优化方法，利用cae仿真技术，对电机的进行全方位、多角度优化设计，不仅满足一般电机的条件，还满足振动噪声低的条件，采用参数联动、扫描特征等方式，大大缩短开发周期，节省人力物力。

根据本发明的一个方面，提供一种基于cae的动力汽车用电机的模拟优化方法，包括以下步骤：

提供虚拟电机；

对虚拟电机进行静态电磁场分析，根据静态电磁场计算模型计算虚拟电机的静态电磁参数；

对虚拟电机进行瞬态电磁场分析，根据瞬态电磁场计算模型计算虚拟电机的瞬态电磁参数；

判断虚拟电机的静态电磁参数和瞬态电磁参数是否均在电磁参数阈值范围内；

若是，则对虚拟电机进行振动噪声分析，根据振动噪声计算模型计算振动噪声，并判断该振动噪声是否在振动噪声阈值范围内，若是，则存储电机初始参数，作为电机设计参数设计电机。

进一步地，上述基于cae的动力汽车用电机的模拟优化方法，还包括：

对虚拟电机进行热分析，根据温升计算模型计算虚拟电机温升；

判断虚拟电机温升是否均在温升阈值范围内；

若是，则存储电机初始参数，作为电机设计参数设计电机；若否，则调整电机初始参数，直到虚拟电机温升在温升阈值范围内为止。

进一步地，虚拟电机的构建具体如下：

导入电机三维模型；

定义电机各组成部件的厚度、尺寸和材料；

添加电机各组成部件的连接单元。

进一步地，电机初始参数包括：外径尺寸、轴向尺寸、定子侧的槽型数据、轭部数据、材料数据，绕组侧的绕组线径、绕组布线方式、匝数、跨距、并联支路数、每槽层数，同步电机的转子侧磁钢形状、磁极排布、隔磁桥、冲片、辅助槽数据，异步电机的转子槽型或转子绕组以及材料数据，定子侧谐波电流注入方式，使用定子斜槽或转子斜槽方式。

进一步地，虚拟电机的静态电磁参数包括气隙磁密和漏磁系数，静态电磁参数阈值范围包括气隙磁密阈值范围和漏磁系数阈值范围。

进一步地，当虚拟电机为永磁虚拟电机时，表贴式虚拟电机的漏磁系数阈值范围为1.0～1.05，表面插入式虚拟电机的漏磁系数阈值范围为1.0～1.15，内置式转子虚拟电机的漏磁系数阈值范围为1.0～1.3。

进一步地，气隙磁密阈值范围为0.6～1t。

进一步地，当虚拟电机的励磁为电励磁时，不对虚拟电机进行静态电磁场分析。

进一步地，虚拟电机的瞬态电磁参数包括转矩、反电势、热负荷和效率，瞬态电磁参数阈值范围包括转矩阈值范围、反电势阈值范围、热负荷阈值范围和效率阈值范围。

根据本发明的另一方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

本发明与现有技术相比具有以下的优点：

本发明的基于cae的动力汽车用电机的模拟优化方法，利用cae仿真技术，对电机的进行全方位、多角度优化设计，不仅满足一般电机的条件，还满足振动噪声低的条件，采用参数联动、扫描特征等方式，大大缩短开发周期，节省人力物力。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的基于cae的动力汽车用电机的模拟优化方法步骤图。

图2为本发明实施例的计算机设备的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

图1是本发明的基于cae的动力汽车用电机的模拟优化方法步骤图，如图1所示，本发明提供的基于cae的动力汽车用电机的模拟优化方法，包括以下步骤：

提供虚拟电机；

对虚拟电机进行静态电磁场分析，根据静态电磁场计算模型计算虚拟电机的静态电磁参数；

对虚拟电机进行瞬态电磁场分析，根据瞬态电磁场计算模型计算虚拟电机的瞬态电磁参数；

判断虚拟电机的静态电磁参数和瞬态电磁参数是否均在电磁参数阈值范围内；

若是，则对虚拟电机进行振动噪声分析，根据振动噪声计算模型计算振动噪声，并判断该振动噪声是否在振动噪声阈值范围内，若是，则存储电机初始参数，作为电机设计参数设计电机，若否，则调整电机初始参数，直到振动噪声在振动噪声阈值范围内为止；

若虚拟电机的静态电磁参数和瞬态电磁参数不在电磁参数阈值范围内，则调整电机初始参数，直到虚拟电机的静态电磁参数和瞬态电磁参数均在电磁参数阈值范围内，再对虚拟电机进行振动噪声分析。

振动噪声计算模型可以为lw＝lp+10lga/a0

其中，lw为a计权平均声功率级；lp为平均声压级；a0为基准面积，a0＝1m^2；a为采用半球面法、半椭球面法或等效矩形包络面法三种测量方法之一得到的面积。

电机振动的分析方法还可以如下进行：

通过电磁分析软件获得电机气隙径向电磁力，并导出excel格式。以ansoftmaxwell电磁分析软件为工具，获得径向气隙磁密(br)、切向气隙磁密(bt)、径向电磁力(fr)的方法为：

br＝bx*cosθ+by*sinθ

bt＝by*cosθ-bx*sinθ

上述式子中bx为气隙磁密x轴分量，by为气隙磁密y轴分量，θ为柱坐标中xy面的夹角。μ0＝1.25663706143592e-006。

在ansoftmaxwell中利用场计算器编辑公式，其中br的编辑方法为：

quantity→b→scal？→scalarx→function→phi→trig→cos→*(乘)→quantity→b→scal？→scalary→function→phi→trig→cos→*(乘号)→+(加)。

其中bt的编辑方法为：

quantity→b→scal？→scalary→function→phi→trig→cos→x(乘)→quantity→b→scal？→scalarx→function→phi→trig→cos→*(乘号)→-(减)。

在上述br、bt编辑完成后，编辑fr,其方法为：

br→br→*→bt→bt→*→-→constant→mu0→number→2→*→/(除号)。

利用上述公式可以得到径向电磁力的时间和空间数据数据，将数据已excel形式导出备用。

利用matlab将导出excel进行二维傅里叶分解，获得气隙力密度阶磁及频率情况。

获得径向电磁力傅里叶结果方法为：

a＝load('data.csv')；将data.csv数据载入到矩阵a

b＝fftshift(fft2(a))；对矩阵a进行二位傅里叶分解，并将变换后的图像频谱中心从矩阵的原点移到矩阵的中心，将分析结果保存到矩阵b中。

c＝abs(b)；对矩阵b求幅值并保存到c中。

n＝length(c(：；1))-a；

f＝1：n-1；

m＝length(c(1，：))；

g＝1：m-1；

d＝c(f，g)；

k＝d/(b*c)；

mesh(k(1：d，1：e))；

xlabel('力波频率(hz))')；

ylabel('力波阶次')；

title(‘电机气隙力密度分布情况’)；

代码中加黑部分根据实际数据更改数值。

评估6阶以下电磁力，从电机振动噪声角度看，各阶次各频率电磁力越小越好。

其中，电机初始参数包括：外径尺寸、轴向尺寸、定子侧的槽型数据、轭部数据、材料数据，绕组侧的绕组线径、绕组布线方式、匝数、跨距、并联支路数、每槽层数，同步电机的转子侧磁钢形状、磁极排布、隔磁桥、冲片、辅助槽数据，异步电机的转子槽型或转子绕组以及材料数据，定子侧谐波电流注入方式，使用定子斜槽或转子斜槽方式。

振动噪声在振动噪声阈值范围内时，调整以下电机初始参数：定子侧谐波电流注入方式、使用定子斜槽或转子斜槽方式、转子侧磁极排布、辅助槽数据。

振动噪声阈值范围随着旋转电机型号的不同和额定功率的不同而变化，具体的振动噪声阈值范围参见gb/t100693-2006。

虚拟电机的静态电磁参数包括气隙磁密和漏磁系数，静态电磁参数阈值范围包括气隙磁密阈值范围和漏磁系数阈值范围。其中，气隙磁密阈值范围为0.6～1t，漏磁系数阈值范围为1.0～1.3，具体地，当虚拟电机为永磁虚拟电机时，表贴式虚拟电机的漏磁系数阈值范围为1.0～1.05，表面插入式虚拟电机的漏磁系数阈值范围为1.0～1.15，内置式转子虚拟电机的漏磁系数阈值范围为1.0～1.3。静态电磁场计算模型包括气隙磁密计算模型和漏磁系数计算模型。

气隙磁密计算模型b＝φ/s，其中，b为气隙磁密，φ为气隙磁通，s为磁通面积。

漏磁系数计算模型为σ＝φm/φδ，其中，σ为漏磁系数，φm为磁极表面的磁通，φδ为气隙处极距的磁通，φm＝bm·sm，bm为磁极表面的磁密，sm为磁极表面的面积，φδ＝bδ·sδ，bδ为气隙处极距的磁密，sδ为气隙处极距的面积。

当虚拟电机的励磁为电励磁时，不对虚拟电机进行静态电磁场分析。

虚拟电机的气隙磁密不在气隙磁密阈值范围内时，调整以下电机初始参数：定子侧的槽型数据，例如槽口宽度、槽高度、槽沿圆周均布数量、轭部长度参数；转子侧隔磁桥的尺寸大小、磁钢的极弧系数、辅助槽的布置尺寸范围。

虚拟电机的漏磁系数不在漏磁系数阈值范围内时，调整以下电机初始参数：转子侧隔磁桥的尺寸大小、磁钢的极弧系数、辅助槽的布置尺寸范围。

进一步地，虚拟电机的瞬态电磁参数包括转矩、反电势、热负荷和效率，瞬态电磁参数阈值范围包括转矩阈值范围、反电势阈值范围、热负荷阈值范围和效率阈值范围。其中，转矩阈值范围根据实际需求而定，例如，可以设置为额定转矩为100n·m，最大转矩为250n·m；反电势阈值范围具体如下：电机额定点反电势与输入电压之比在0.85～1.1之间；热负荷阈值范围根据不同的绝缘等级而变化，例如，绝缘等级为h时，热负荷阈值范围为5000～8000a²/cm·mm²；效率阈值范围根据实际需求而定，例如，可以设置为最高效率95％，高效区占比80％-90％。

瞬态电磁参数计算模型包括转矩计算模型、反电势计算模型、热负荷计算模型和效率计算模型。

转矩计算模型为t＝j*v/r，其中，t为转矩，j为转动惯量，v为线速度，r为转动半径。

反电势计算模型为e＝u-ir，其中，e为反电势，i为电流，r为电机内阻。

热负荷计算模型为ot＝ai，其中，ot为热负荷，a为线负荷，i为电密，电密＝电流/线的截面积。

线负荷的定义如下：

其中，ia为绕组电流；na为绕组总导体数；a为绕组并联支路数；d为定子内径。

效率计算模型为η＝p÷p1×100％，p为电动机输出功率(即额定功率)，p1为电动机输入功率。另外，三相交流异步电动机的效率：η＝p/(√3*u*i*cosφ)，p为电动机轴输出功率，u为电动机电源输入的线电压，i为电动机电源输入的线电流，cosφ为电动机的功率因数。

虚拟电机的齿槽转矩不在齿槽转矩阈值范围内时，调整以下电机初始参数：定子侧的槽型数据，例如槽口宽度。

虚拟电机的启动转矩不在启动转矩阈值范围内时，调整以下电机初始参数：转子槽型，例如转子槽沿转子圆周均匀分布数量、槽宽度、槽高度。

虚拟电机的最大转矩不在最大转矩阈值范围内时，调整以下电机初始参数：转子槽型，例如转子槽沿转子圆周均匀分布数量、槽宽度、槽高度。

虚拟电机的稳态转矩不在稳态转矩阈值范围内时，调整以下电机初始参数：转子侧磁钢形状，例如磁钢长度。

虚拟电机的反电势不在反电势阈值范围内时，调整以下电机初始参数：定子侧的槽型数据、轭部数据、材料数据，绕组侧的绕组线径、绕组布线方式、匝数、跨距、并联支路数、每槽层数，同步电机的转子侧磁钢形状、磁极排布、隔磁桥、冲片、辅助槽数据，异步电机的转子槽型或转子绕组以及材料数据，定子侧谐波电流注入方式，使用定子斜槽或转子斜槽方式。

虚拟电机的热负荷不在热负荷阈值范围内时，调整以下电机初始参数：定子侧的槽型数据、轭部数据、材料数据，绕组侧的绕组线径、绕组布线方式、匝数、跨距、并联支路数、每槽层数，同步电机的转子侧磁钢形状、磁极排布、隔磁桥、冲片、辅助槽数据，异步电机的转子槽型或转子绕组以及材料数据，定子侧谐波电流注入方式，使用定子斜槽或转子斜槽方式。

虚拟电机的效率不在效率阈值范围内时，调整以下电机初始参数：定子侧的槽型数据、轭部数据、材料数据，绕组侧的绕组线径、绕组布线方式、匝数、跨距、并联支路数、每槽层数，同步电机的转子侧磁钢形状、磁极排布、隔磁桥、冲片、辅助槽数据，异步电机的转子槽型或转子绕组以及材料数据，定子侧谐波电流注入方式，使用定子斜槽或转子斜槽方式。

参见图1，上述基于cae的动力汽车用电机的模拟优化方法，还包括：

对虚拟电机进行热分析，根据温升计算模型计算虚拟电机温升；

判断虚拟电机温升是否均在温升阈值范围内；

若是，则存储电机初始参数，作为电机设计参数设计电机；若否，则调整电机初始参数，直到虚拟电机温升在温升阈值范围内为止。

其中，温升阈值范围根据不同的绝缘等级而变化，例如，绝缘等级为h时，温升阈值范围设置为绕组温度小于150℃。

温升计算模型为θ＝(r2-r1)/r1*(235+t1)+t1-t2(k)，其中，r2为试验结束时的绕组电阻，ω；r1为试验初始时的绕组电阻，ω；t1为试验初始时的绕组温度(一般指室温)，℃；t2为试验结束时的冷却介质温度(一般指室温)，℃。

虚拟电机的温升不在温升阈值范围内时，调整以下电机初始参数：绕组侧的绕组线径、绕组布线方式、匝数、跨距、并联支路数、每槽层数，例如，链式绕组、同心式绕组、叠绕组、波绕组、单双层绕组、正弦绕组的选取，并联支路数的选取，线径、匝数、跨距的选取。

其中，虚拟电机的构建具体如下：

导入电机三维模型；

定义电机各组成部件的厚度、尺寸和材料；

添加电机各组成部件的连接单元。

本发明的基于cae的动力汽车用电机的模拟优化方法，利用cae仿真技术，对电机的进行全方位、多角度优化设计，不仅满足一般电机的条件，还满足振动噪声低的条件，采用参数联动、扫描特征等方式，大大缩短开发周期，节省人力物力。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

本实施例中，根据所述基于cae的动力汽车用电机的模拟优化方法集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

图2为本发明实施例提供的计算机设备的示意图。本发明实施例提供的计算机设备，包括存储器201、处理器202及存储在存储器201上并可在处理器202上运行的计算机程序，所述处理器202执行所述计算机程序时实现上述各个基于cae的动力汽车用电机的模拟优化方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤s11、根据电机初始参数构建虚拟电机。步骤s12、对虚拟电机进行静态电磁场分析，计算虚拟电机的静态电磁参数。步骤s13、对虚拟电机进行瞬态电磁场分析，计算虚拟电机的瞬态电磁参数。步骤s14、判断虚拟电机的静态电磁参数和瞬态电磁参数是否均在电磁参数阈值范围内。步骤s15、若是，则对虚拟电机进行振动噪声分析，计算并判断振动噪声是否在振动噪声阈值范围内，若是，则存储电机初始参数，作为电机设计参数设计电机。步骤s16、对虚拟电机进行热分析，根据温升计算模型计算虚拟电机温升。步骤s17、判断虚拟电机温升是否均在温升阈值范围内。步骤s18、若是，则存储电机初始参数，作为电机设计参数设计电机；若否，则调整电机初始参数，直到虚拟电机温升在温升阈值范围内为止。

所述计算机设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述计算机设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，所述示意图2仅仅是计算机设备的示例，并不构成对计算机设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述计算机设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所述处理器可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述计算机设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个计算机设备的各个部分。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述计算机设备的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(smartmediacard,smc)，安全数字(securedigital,sd)卡，闪存卡(flashcard)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。