新能源汽车高功效同步电机的优化设计方法
【专利摘要】本发明涉及一种新能源汽车高功效同步电机的优化设计方法，包括建立永磁同步电机铁耗计算模型，研究磁密变化，得到不同次谐波磁场对应的磁滞损耗和空载铁耗；从定子、转子和永磁体三方面对车用永磁同步电机的负载杂散损耗进行理论分析和有限元求解，抑制永磁体涡流损耗；分析电机的水冷系统，分析参数配合对高效区范围、弱磁性能的影响，设计样机的转子结构形式、极槽配合和空载反电动势，并测试样机。本发明通过对磁场特性的分析、磁滞损耗、涡流损耗等到的分析，准确计算不同转子结构和极槽配合下的转子损耗和永磁体涡流损耗的大小和分布，找到抑制转子损耗和永磁体涡流损耗的有效措施。
【专利说明】新能源汽车高功效同步电机的优化设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于汽车电机【技术领域】，具体涉及一种新能源汽车高功效同步电机的优化 设计方法。
【背景技术】
[0002] 随着全球气候变暖和能源问题日益严重，新能源汽车的开发受到各国政府、汽车 制造商和科研院所的高度重视，纷纷制定电动汽车研制计划，掀起全球范围内的电动汽车 开发热潮。永磁同步电机由于其结构简单、效率高、调速性能良好等一系列优点受到行业 的广泛关注。近年来，永磁材料和电机设计技术的发展也为其应用提供了良好基础。截止 2010年，在美国销售的混合动力汽车中大约有90%以上的汽车都采用永磁同步电机驱动。 与日本、欧美等国相比，我国在车用永磁同步牵引电机技术方面还有很大差距，相关技术还 没完全掌握，限制了我国汽车工业及其相关行业的发展，为此对该类型永磁同步电机展开 深入研究具有重要意义。
[0003] 由于电磁磁场分布的复杂性和影响因素的多样性，电机铁耗历来是电机界的一大 难题。随着计算机技术和数值分析技术的发展，电机铁耗分析方法也有了很大提高，其中最 成熟的当属有限元法。借助这一现代化的分析手段，可以计及不同因素对铁耗的影响，从而 有针对性的提出抑制措施，以弥补传统铁耗分析方法的不足。但由于铁耗影响因素众多，而 且目前还缺少考虑高频高饱和状态下的铁耗计算模型，采用有限元方法多台电机进行详细 计算分析，总结修正系数具有重要意义。
[0004] 为了实现车用永磁同步电机的高功率密度，电机的高速化是一个重要方向。随着 转速的提高，各类谐波磁场在转子中的交变频率也逐渐增大，引起转子和永磁体损耗增大 而发热严重，影响电机运行的可靠性。不同转子结构和极槽配合的转子损耗和永磁体涡流 损耗有很大差别，如何准确计算不同转子结构和极槽配合下的转子损耗和永磁体涡流损耗 的大小和分布，找到抑制转子损耗和永磁体涡流损耗的有效措施，成为一个很具现实意义 的课题。
【发明内容】
[0005] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种新能源汽车高功效同步电机的优化设 计方法。
[0006] 本发明的技术方案是：一种新能源汽车高功效同步电机的优化设计方法，包括如 下步骤：步骤一：建立永磁同步电机铁耗计算模型，包括磁滞损耗计算的修正系数和涡流 损耗计算模型，研究磁密变化，通过对不同部位磁密随时间变化关系曲线进行傅立叶变换 分析，再考虑其频率的影响，便可得到不同次谐波磁场对应的磁滞损耗和空载铁耗；步骤 二：从定子、转子和永磁体三方面对车用永磁同步电机的负载杂散损耗进行理论分析和有 限元求解，计算负载杂散损耗，通过分段永磁体的长度或者宽度，远离2. 3倍透入深度，抑 制永磁体涡流损耗；步骤三：先对车用永磁同步电机的水冷系统进行结构分析对比，之后 对机内空气的流动性能进行流体场分析，在前面分析的基础上针对样机不同工况下的温度 特性进行仿真分析，得出此类电机冷却系统设计和热性能计算分析方面的规律；步骤四： 结合车用永磁同步电机的控制方法对永磁同步电机的电磁设计计算方法以及参数配合对 高效区范围、弱磁性能的影响进行了详细分析，设计样机的转子结构形式、极槽配合和空载 反电动势，并测试样机。所述步骤一包括：第一步、采用有限元方法对永磁同步电机在正弦 波电压供电和变频器供电下的电机磁场分布进行了分析；第二步、分析电机的空载铁耗并 进行实验测试；第三步、在第一步和第二步的基础上，得到空载铁耗增加率与供电电压调制 比的关系，综合考虑气隙磁密谐波幅值、电机极槽配合的电机空载铁耗最小化的气隙磁密 优化判断依据，给出不同极槽配合下的最优极弧因数和8极48槽结构转子外圆最优辅助 槽位置。所述步骤一的空载铁耗，通过优化气隙磁密抑制空载铁耗、从气隙磁场谐波入手， 建立以电机空载铁耗最小为优化目标的气隙磁密优化依据：
【权利要求】
1. 一种新能源汽车高功效同步电机的优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤一：建立永磁同步电机铁耗计算模型，包括磁滞损耗计算的修正系数和涡流损耗 计算模型，研究磁密变化，通过对不同部位磁密随时间变化关系曲线进行傅立叶变换分析， 再考虑其频率的影响，便可得到不同次谐波磁场对应的磁滞损耗和空载铁耗； 步骤二：从定子、转子和永磁体三方面对车用永磁同步电机的负载杂散损耗进行理论 分析和有限元求解，计算负载杂散损耗，通过分段永磁体的长度或者宽度，远离2. 3倍透入 深度，抑制永磁体涡流损耗； 步骤三：先对车用永磁同步电机的水冷系统进行结构分析对比，之后对机内空气的流 动性能进行流体场分析，在前面分析的基础上针对样机不同工况下的温度特性进行仿真分 析，得出此类电机冷却系统设计和热性能计算分析方面的规律； 步骤四：结合车用永磁同步电机的控制方法对永磁同步电机的电磁设计计算方法以及 参数配合对高效区范围、弱磁性能的影响进行了详细分析，设计样机的转子结构形式、极槽 配合和空载反电动势，并测试样机。
2. 根据权利要求1所述的新能源汽车高功效同步电机的优化设计方法，其特征在于， 所述步骤一包括： 第一步、采用有限元方法对永磁同步电机在正弦波电压供电和变频器供电下的电机磁 场分布进行了分析； 第二步、分析电机的空载铁耗并进行实验测试； 第三步、在第一步和第二步的基础上，得到空载铁耗增加率与供电电压调制比的关系， 综合考虑气隙磁密谐波幅值、电机极槽配合的电机空载铁耗最小化的气隙磁密优化判断依 据，给出不同极槽配合下的最优极弧因数和8极48槽结构转子外圆最优辅助槽位置。
3. 根据权利要求1所述的新能源汽车高功效同步电机的优化设计方法，其特征在于， 所述步骤一的空载铁耗，通过优化气隙磁密抑制空载铁耗、从气隙磁场谐波入手，建立以电 机空载铁耗最小为优化目标的气隙磁密优化依据：
4. 根据权利要求3所述的新能源汽车高功效同步电机的优化设计方法，其特征在于， 所述步骤一的空载铁耗还包括优化极弧因数减小空载铁耗和优化转子外圆减小空载铁耗。
5. 根据权利要求1所述的新能源汽车高功效同步电机的优化设计方法，其特征在于， 所述步骤二中使分段后的永磁体的长度或者宽度，远离2. 3倍透入深度的具体步骤为：具 体方法是首先对永磁体表面交变磁密进行谐波分析，并采用解析公式对各次谐波所产生的 损耗进行计算，其次在对主要谐波源进行抑制基础上综合考虑其它次谐波损耗，从而实现 永磁体损耗的最小化。
6. 根据权利要求5所述的新能源汽车高功效同步电机的优化设计方法，其特征在于， 所述步骤二的具体步骤为： 第一步：从定子磁动势分析着手，推导出永磁同步电机定子电流所产生的定子负载杂 散损耗解析表达式，得出转子损耗的主要影响因素； 第二步：采用有限元法对多台永磁同步电机的负载杂散损耗进行了计算和实验测试， 总结得到负载杂散损耗有限元计算结果的修正系数； 第三步：从麦克斯韦方程出发，推导出永磁体涡流损耗解析表达式。
7. 根据权利要求1所述的新能源汽车高功效同步电机的优化设计方法，其特征在于， 所述步骤三具体为： 第一步：采用流体场分析软件对电机水冷系统的散热系数进行分析计算，得到不同水 流速度下水道的散热系数，通过曲线拟合得到了散热系数随水流速度的定量关系； 第二步：采用流体场分析软件对机内空气的流动特性进行了详细分析，计算结果表明 端部空气流动性能较差，绕组端部散热可当做自然散热处理； 第三步：在第一步和第二步的基础上对水冷型车用永磁同步电机进行稳态和瞬态温度 场计算，得出损耗实时修正的瞬态温度场计算方法以及损耗修正算法。
8. 根据权利要求1所述的新能源汽车高功效同步电机的优化设计方法，其特征在于， 所述步骤四具体为： 第一步：分析车用永磁同步电机与传统正弦波电压供电电机运行方式不同点之后，给 出矢量控制车用永磁同步电机设计应该先计算电流、后计算电压的计算方法； 第二步：分析电机参数配合对电机高效区和弱磁性能的影响，选取最优的永磁磁链； 第三步：根据以上步骤设计样机的结构参数及结构形式、极槽配合和空载反电动势，结 构参数和结构形式包括定子内外径、轴向长度和转子结构，并测试样机的性能。
【文档编号】H02P21/00GK104319969SQ201410662612
【公开日】2015年1月28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