电动汽车用低铁耗可变磁通永磁记忆电机稳健性设计方法与流程

所属
技术领域：
本发明属于电机稳健性设计领域，具体涉及电动汽车用低铁耗可变磁通永磁记忆电机稳健性设计。
背景技术：
：电动汽车用永磁同步电机要求电机具有较宽的运行转速范围。对于普通永磁同步电机来说，为使电机运行在较高转速，需为电机施加较高的负d轴电流以削弱永磁体磁链。电机运行转速越高，所需施加的负d轴电流越大，这一方面使电机中的永磁体容易产生不可逆去磁，另外，较大的负d轴电流也使电机的铜耗和铁耗加大，降低电机的运行效率。为避免这些问题，一种可控磁通的永磁记忆电机被提出。可变磁通永磁记忆电机具有较宽的运行转速范围，当其运行于较高转速时，电机中气隙磁场基波及其谐波分量的交变频率较高，使得电机的定、转子铁耗较大。较大的定、转子铁耗一方面使电机的效率降低，另一方面使电机温升升高，限制电机功率密度的提升。另外由于永磁体位于相对封闭的空间，其散热条件差，永磁体可能会发生不可逆去磁，致使电机的电磁性能下降。通过对电机的空气隔磁槽结构进行改进，电机内磁场的谐波含量会被有效降低，进而使电机内的定、转子铁耗有效降低，不仅提高了电机的运行效率还保证了电机工作的安全性和可靠性。目前对电机进行优化的方法分为全局优化设计方法及局部优化设计方法，全局优化设计方法包括遗传算法、模拟退火方法和禁忌搜索等智能优化算法，全局优化设计方法能将所有的不确定因素都包括在优化目标中，但具体目标函数的建立非常复杂，实现计算所需的花费很大，计算时间很长；局部优化设计方法包括复合形法、单纯法、登山法等确定性方法，这些局部性优化设计方法对于单目标优化有很好的收敛效果，却不能实现多目标优化设计。而由日本著名质量管理学家taguchig博士于上世纪70年代创立的taguchi法是一种科学、有效的稳健性设计方法，其属于局部优化设计方法，但与上述提到的局部优化设计方法所不同的是能够实现多目标优化设计，通过建立正交表，能在最少的试验次数内搜索出多目标优化设计时的最佳组合。taguchi法自提出以来，其在计算科学及工程应用方面均取得长足进步，除此之外，在电机设计与控制领域，taguchi法同样取得显著成效。技术实现要素：本发明的目的是提出一种电动汽车用低铁耗可变磁通永磁记忆电机结构稳健性设计方法。技术方案如下：一种电动汽车用低铁耗可变磁通永磁记忆电机稳健性设计方法，包括下列步骤：(1)确定电动汽车用可变磁通永磁记忆电机结构。(2)确定采用taguchi法为电动汽车用低铁耗可变磁通永磁记忆电机结构稳健性设计的方法；(3)改进可变磁通永磁记忆电机的空气隔磁槽结构，在u型永磁体腔两侧接近转子铁心表面的空气隔磁槽处增加空气隔磁槽拓展结构，其中，空气隔磁槽拓展结构在转子极靴中的尖点被定义为拓展结构的顶点；(4)以空气隔磁槽拓展结构顶点到转子圆心的距离、空气隔磁槽拓展结构顶点与磁极中心线之间的夹角、空气隔磁槽拓展结构顶点所对边的宽度、空气隔磁槽拓展结构顶点所对边的位置作为优化变量；以去磁电流脉冲作用下的磁链、铁耗以及充磁电流脉冲作用下的铁耗最小为优化目标；以充磁电流脉冲作用下可变磁通永磁记忆电机的磁链相比普通永磁同步电机下降不超过5％作为约束条件，利用taguchi法对空气隔磁槽改进结构进行优化。进一步，步骤(4)进行优化的步骤如下：1)优化变量的个数即为因素数，确定各因素的水平个数和对应的取值，建立可控因素水平表，根据因素数及水平个数建立合适的正交表；2)分别在充磁电流脉冲和去磁电流脉冲下，根据建立的正交表，分别对每一组试验进行有限元分析，得到在充磁电流脉冲及去磁电流脉冲下各组试验所对应的电机铁耗及磁链的值；3)将得到的各组试验的结果进行平均值分析，得到电机铁耗及磁链随各优化变量各水平的变化情况，进而在充磁电流脉冲及去磁电流脉冲下分别得到使去磁电流脉冲作用下的磁链、铁耗最小以及充磁电流脉冲作用下的铁耗最小的各优化变量所取水平值的组合；4)在平均值分析的基础上对正交试验得到的结果进行方差分析，得到各个优化变量对电机铁耗及磁链影响的相对重要性程度，并根据步骤3)中得到的分别使去磁电流脉冲作用下的磁链、铁耗最小以及充磁电流脉冲作用下的铁耗最小的各优化变量所取水平值的组合，最终得到兼顾各优化目标的优化变量所取水平值的组合，即空气隔磁槽改进结构的最终优化设计方案；5)根据步骤4)得到的空气隔磁槽改进结构的最终优化方案，对可变磁通永磁记忆电机的空气隔磁槽结构进行改进，并对改进后的可变磁通永磁记忆电机进行有限元分析，得到电机铁耗及磁链的值，将充磁电流脉冲作用下记忆电机磁链的值与普通永磁电机的磁链值进行对比，若满足约束条件的要求，则确定空气隔磁槽改进结构的最终优化方案，若不符合要求，则重复步骤(3)～(4)重新进行空气隔磁槽改进结构优化方案的选取。本发明对可变磁通永磁记忆电机的空气隔磁槽结构进行改进，并利用taguchi法对改进结构进行优化，通过对电动汽车用低铁耗可变磁通永磁记忆电机结构的稳健性设计来减小去磁电流脉冲作用下的磁链、铁耗及充磁电流脉冲作用下的铁耗且兼顾充磁电流脉冲作用下磁链不显著减小的最优改进结构。具有如下有益效果：1、本发明改进了电动汽车用可变磁通永磁记忆电机的空气隔磁槽结构，有效降低了气隙磁场中的谐波分量，使得电机铁耗明显降低；2、利用taguchi法对空气隔磁槽改进结构进行了优化，分析了电机铁耗及磁链随各优化变量取值的变化情况以及各个优化变量对电机铁耗及磁链影响的相对重要性程度，进而得到电动汽车用低铁耗可变磁通永磁记忆电机的最终优化设计方案，使得去磁电流脉冲作用下的磁链、铁耗及充磁电流脉冲作用下的铁耗有大幅减小，同时使充磁电流脉冲作用下磁链没有较大的下降。附图说明图1空气隔磁槽结构改进前的可变磁通永磁记忆电机转子结构图。图2空气隔磁槽结构改进后的可变磁通永磁记忆电机转子结构图。图3空气隔磁槽改进结构的优化变量示意图。具体实施方式下面结合实施例和附图对本发明做进一步详述。以一台电动汽车用可变磁通永磁记忆电机为例来进行低铁耗可变磁通永磁记忆电机结构稳健性设计，电机的参数如表1所示。表1内转子电机参数参数符号数值单位额定转速nn3000r/min极对数p4--槽数q48--转子气隙处半径rra64mm气隙长度δ1mm定子轭处半径rsy100mm铁心长度l140mm钕铁硼永磁体剩余磁密brndfeb1.125t钕铁硼永磁体矫顽力hcndfeb886ka/m铝镍钴永磁体剩余磁密bralnico0.6t铝镍钴永磁体矫顽力hcalnico40ka/m(1)确定电动汽车用可变磁通永磁记忆电机结构，如图1所示；(2)确定采用taguchi法为电动汽车用低铁耗可变磁通永磁记忆电机结构稳健性设计的方法；(3)改进可变磁通永磁记忆电机的空气隔磁槽结构，在u型永磁体腔两侧接近转子铁心表面的空气隔磁槽处增加类似三角形的空气隔磁槽拓展结构，如图2中所示，通过增加空气隔磁槽拓展结构可以有效减小磁场分布中的谐波含量，进而有效降低电机的铁耗；(4)利用taguchi法对空气隔磁槽改进结构进行优化，确定优化变量、优化目标及约束条件。以拓展的空气隔磁槽结构顶点到圆心的距离，如图3中的“a”所示，拓展的空气隔磁槽结构顶点与磁极中心线之间的夹角，如图3中的“b”所示，拓展的空气隔磁槽结构顶点所对边的宽度，如图3中的“c”所示，拓展的空气隔磁槽结构顶点所对边的位置，如图3中的“d”所示，作为优化变量；以充磁电流脉冲作用下可变磁通永磁记忆电机的磁链相比普通永磁同步电机下降不超过5％作为约束条件；(5)优化变量的个数即为因素数，即因素数为4，选取各优化变量的水平数为3，并根据电机的几何结构参数确定各优化变量的取值范围，进而确定各优化变量各水平的取值，建立可控因素水平表，如表2所示。根据优化变量个数及各变量的水平数建立正交表l9(34)，如表3所示；表2可控因素水平表表3l9(34)正交表试验次数abcd1ιιιι2ιiiiiii3ιiiiiiiiii4ιιιiiiii5ιιiiiiiι6ιιiiiιii7iiiiiiiii8iiiiiiiii9iiiiiiiii(6)根据建立的正交表，分别在充磁电流脉冲及去磁电流脉冲下，对每一组试验进行有限元分析，得到在充磁及去磁电流脉冲下各组试验所对应的电机铁耗及磁链值，如表4～表5所示；表4充磁电流脉冲下试验结果试验次数ψf(wb)pfe(w)10.09913382.420.1001391.430.1026412.540.09938350.09892379.860.1011399.570.09744370.180.1006396.990.1009398.6表5去磁电流脉冲下试验结果试验次数ψf(wb)pfe(w)10.0246569.7320.0273347.8730.0336961.140.024871.2450.0298868.260.025998.8270.0253483.2280.02523106.790.02787118.4(7)将得到的各组试验的结果进行平均值分析，所得结果如表6～表7所示，由表中数据可得到充、去磁电流脉冲下电机铁耗及磁链随各优化变量各水平的变化情况，进而得到分别使去磁电流脉冲作用下的磁链、铁耗及充磁电流脉冲作用下的铁耗最小的各优化变量所取水平值的组合；表6充磁电流脉冲下电机铁耗及磁链在各因素各水平下的平均值表7充磁电流脉冲下电机铁耗及磁链在各因素各水平下的平均值通过表6的平均值分析结果可以得到在充磁电流作用下，变量a的取值越大，即拓展的空气隔磁槽顶点越接近转子铁心表面，定子磁链值越大，但同时电机的铁耗也越大；变量b的取值越大，即拓展的空气隔磁槽顶点越远离磁极中心线，电机的定子磁链越大，但同时电机的铁耗也越大；变量c的取值越大，即拓展的空气隔磁槽顶点所对边的宽度越大，电机的定子磁链越小，同时电机的铁耗也越小；变量d的取值越大，即拓展的空气隔磁槽顶点所对边的位置越远离转子铁心表面，电机的铁耗逐渐增大，同时电机的定子磁链也呈增大趋势。通过表7的平均值分析结果可以得到在去磁电流作用下，变量a的取值越大，即拓展的空气隔磁槽顶点越接近转子铁心表面，定子磁链值越大，同时电机的铁耗越小；变量b的取值越大，即拓展的空气隔磁槽顶点越远离磁极中心线，电机的定子磁链越大，同时电机的铁耗呈增大趋势；变量c的取值越大，即拓展的空气隔磁槽顶点所对边的宽度越大，电机的定子磁链越大，同时电机的铁耗越小。由表6及表7中的平均值分析结果可以得到使各优化目标最优的各变量所取水平的组合。其中，充磁电流作用下，使电机铁耗最小的各变量所取水平的组合为a(iii)b((i)c(iii)d(i)；去磁电流作用下，使定子磁链最小的各变量所取水平的组合为a(iii)b(i)c(i)d(ii)，使电机铁耗最小的各变量所取水平的组合为a(i)b(ii)c(iii)d(ii)。(8)在平均值分析的基础上对正交试验得到的结果进行方差分析，得到各个优化变量对电机铁耗及磁链影响的相对重要性程度，如表8～表9所示。并根据步骤(7)中得到的分别使去磁电流脉冲作用下的磁链、铁耗及充磁电流脉冲作用下的铁耗最小的各优化变量所取水平值的组合，最终得到兼顾各优化目标的优化变量所取水平值的组合，即空气隔磁槽改进结构的优化方案；表8充磁电流脉冲下方差计算结果表9去磁电流脉冲下方差计算结果由平均值分析结果得到充磁电流作用下，使电机铁耗最小的各变量所取水平的组合为a(iii)b(i)c(iii)d(i)；去磁电流作用下，使定子磁链最小的各变量所取水平的组合为a(iii)b(i)c(i)d(ii)，使电机铁耗最小的各变量所取水平的组合为a(i)b(ii)c(iii)d(ii)。使三个优化目标最优的各优化变量所取水平的组合各不相同，进一步根据表8及表9中方差分析的结果可知，充磁电流作用下各变量对电机铁耗影响的相对重要性程度从大到小依次为bdac；去磁电流作用下，各优化变量对定子磁链影响的相对重要性程度从大到小依次为cbad，对电机铁耗影响的相对重要性程度从大到小依次为adbc。由方差分析的结果可得，变量a对去磁电流作用下铁耗的影响最大，因此变量a的水平取使去磁电流作用下电机铁耗最小的水平，即a(i)；变量b对充磁电流作用下铁耗的影响最大，因此变量b的水平取使充磁电流作用下电机铁耗最小的水平，即b(i)；变量c对去磁电流作用下定子磁链的影响最大，因此变量c的水平取使去磁电流作用下定子磁链最小的水平，即c(i)；变量d对去磁电流作用下及充磁电流作用下电机铁耗的影响程度相同，但由表8及表9可以得到，因素d对去磁电流作用下电机铁耗的影响程度更大，因此变量d的水平取使去磁电流作用下电机铁耗最小的水平，即d(ii)。综上所述，得到记忆电机的最终优化方案为a(i)b(i)c(i)d(ii)。表10优化前后永磁记忆电机性能对比电磁性能普通永磁电机初始记忆电机优化后记忆电机去磁时磁链(wb)0.039790.024880.02456去磁时铁耗(w)207.5130.871.37充磁时磁链(wb)0.10080.10190.09963充磁时铁耗(w)407.7406.5387.4(9)根据步骤(8)得到的空气隔磁槽改进结构的最终优化方案对可变磁通永磁记忆电机的转子结构进行改进，并对改进后的永磁电机进行有限元分析，得到电机铁耗及洗脸的值，如表10所示。采用优化后的低铁耗可变磁通永磁记忆电机的铁耗有效降低，其中去磁电流作用下，电机铁耗降低了45.44％，充磁电流作用下，电机的铁耗也降低了4.7％。同时，在相同的去磁电流作用下，优化后的低铁耗可变磁通永磁记忆电机的定子磁链明显降低，进而可以扩展电机的运行转速范围。在相同充磁电流作用下，优化后的低铁耗可变磁通永磁记忆电机的定子磁链与普通永磁同步电机相比略小，仅减小了1.16％，满足约束条件的要求。因此该优化方案即为空气隔磁槽改进结构的最终优化方案。当前第1页1 2 3