一种考虑多工况的漏磁可变式永磁同步电机及其低振噪优化设计方法

技术领域

本发明属于电机设计领域，涉及一种永磁同步电动机的低振动噪声优化设计方法。

背景技术

近年来，随着新能源汽车的快速发展，永磁同步电机以其功率密度高、效率高等特点在电动汽车领域得到了广泛的应用。然而，电动汽车不断变化的行驶环境和多变工况对电机及其驱动系统提出了多项更高的性能要求。传统永磁电机的永磁磁势相对恒定，气隙磁场难以调节，因此弱磁升速比较困难，限制了电机的调速范围。因此，可满足不同工况运行需求的漏磁可变式永磁同步电机受到国内外人士越来越多的关注。通过对磁障和永磁结构的针对性设计，漏磁可变式永磁同步电机具有重载无漏磁和轻载多漏磁的特点，可辅助实现低速大转矩，高速恒功率，满足电动汽车多变工况的运行需求。

但值得注意的是，随着驱动电机逐渐向高功率密度和轻量化方向发展，电机的振动和噪声问题日益突出，严重影响了乘客的驾驶体验。为此，学术界对电机系统的振动和噪声问题进行了大量的研究。经研究发现，气隙中径向电磁力所引起的电磁振动是永磁电机振动噪声的主要因素。为了抑制电机的振动噪声，文献“Investigation of SkewingEffects on the Vibration Reduction of Three-Phase Switched Reluctance Motors”(公开发表于IEEE Transactions on Magnetics,2015,51(9):1-9)提出通过使定子斜槽和转子斜极的方式，来降低径向电磁力的幅值，从而抑制电机的振动噪声，但此方法忽略了单步法产生的轴向不平衡力。后来傅林等人对该方法进行了改进，提出了分步倾斜法和人字形倾斜法来解决轴向不平衡力问题(文献“Reduction of vibration and acoustic noisein permanent magnet synchronous motor by optimizing magnetic forces,”J.SoundVibrat.,vol.429,pp.193–205,Sep.2018)。此外，也有人提出通过注入补偿电流、PWM脉宽调制技术等方法来抑制电机的振动噪声。

然而，与传统电机不同，对漏磁可变式永磁同步电机而言，磁场调节为主要工作原理，而电动汽车处于复杂多变的运行工况，由于磁场大幅度变化，其振动噪声问题也尤为突出。而这些传统抑制电机振动和噪声的方法不仅适用性不足(单一工况)，且往往会导致电机输出转矩能力的降低，所以难以直接套用于漏磁可变式永磁同步电机。

因此，如何同时实现漏磁可变式永磁同步电机在不同工况下的低振动噪声和高输出转矩是一个热点且具有挑战性的问题。

发明内容

本发明的目的是在于解决传统只考虑单一工况下的低振动噪声优化设计方法所存在的上述一系列问题，提出了一种考虑多工况的漏磁可变式永磁同步电机低振动噪声优化设计方法，能够在保证电机宽调速、高转矩性能的同时，有效抑制电机的振动噪声。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种考虑多工况的漏磁可变式永磁同步电机低振噪优化设计方法，包括如下步骤：

步骤1)分析永磁电机在不同工况下的磁路分布，得到永磁可变漏磁通，通过调节永磁漏磁通量的变化来实现电机在不同工况下的转矩、宽调速范围、低振动噪声的需求；

步骤2)引入可变漏磁结构，实现漏磁可控，给出电机的初始结构；

步骤3)推导该漏磁可变式永磁同步电机的径向电磁力函数，分析电机在不同工况下的电磁振动特点，得出最低非零阶电磁力等性能的相关数据；

步骤4)评估电机关键参数对电磁性能的影响程度，确定关键设计变量变化范围，并依据电动汽车的实际运行模式，选定典型工况，并评估电机在不同工况下对性能的需求，确定变量目标，制定约束条件；

步骤5)通过多目标遗传算法确定电机最终的设计变量尺寸，在保证电机基础电磁转矩性能的同时，实现电机在不同工况下的低振噪设计。

进一步，步骤1)中，分析永磁电机在不同工况下的磁路分布时，根据电机的磁路走向，给出了简化的d，q轴等效磁路，q轴可变漏磁磁阻R

其中，N是电枢绕组匝数，R

当电机处于重载情况下时，通过式(2)，需要在q轴电流增大的同时，获得较大的q轴漏磁磁阻R

进一步，步骤2)中的可变漏磁结构，为实现漏磁可控在转子侧q轴上开有圆角三角形磁障6和弧形磁障7，与V型永磁体构成两块漏磁区域，实现V型永磁体自漏磁和极间漏磁，同时为避免永磁体无效漏磁，在d轴V型永磁体间增设了弧形磁障8。

进一步，步骤3)中，引入漏磁结构的影响，推导漏磁可变式永磁同步电机在不同工况下的径向电磁力函数，

考虑漏磁变化影响下的径向电磁力函数F

式中，f

进一步，步骤5)中，分工况确定低振动噪声优化设计的关键变量和优化目标，依据新欧洲电动汽车的实际驾驶周期，电动汽车的运行工况可分为四个运行区域：低速重载运行区域、频繁启动运行区域、正常行驶运行区域，以及高速巡航运行区域；结合电机的工作特性，通过其速度、转矩图，选取典型工况，如“额定负载”、“高速轻载”的工作点：A(1.0n

进一步，低振噪优化设计的方法流程，根据电机的工作原理和结构特征，确定额定工况下变量：x

本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：

1、本发明引入漏磁可变式电机结构，设计了一款分区域漏磁可控的永磁同步电机，当电机处于“低速重载”工况下时，q轴永磁体极间磁桥区域和自漏磁区域区域饱和，永磁体极间漏磁和自漏磁降低，d轴有效磁通增加，提高转矩输出能力；当电机处于“高速巡航”工况下时，q轴永磁体极间磁桥区域和自漏磁区域磁阻降低，永磁体极间漏磁和自漏磁增加，有效磁通减少，削弱气隙磁场，不仅提高电机调速范围，也削弱了电磁力幅值，缓解了电机的振动噪声问题。

2、本发明考虑了电机在多个工况下的振动噪声问题，并根据电机在不同工况下的运行需求进行低振噪优化设计，解决了传统优化方法考虑不周(单一工况)、耗时多、优化结果不可靠等问题，为具有多运行模式的电机的低振噪设计提供了一般性的方法。

3、本发明引入多变量多目标的遗传算法，能够在保证基础电磁性能的同时，直接有效地抑制电机的振动噪声，提高电机整体设计的优化效率。

附图说明

下面根据附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；

图1是本发明一种考虑多工况的漏磁可变式永磁同步电机的低振噪优化设计方法的流程图；

图2电机交直轴等效磁路示意图；

图3是本发明漏磁可变式永磁同步电机的径向截面结构图及其磁路流向(a)电机拓扑结构(b)不同工况下的磁路流向；

图4是电机在不同工况下的径向电磁力谐波的时空分布图；

图5是电机转子的局部结构放大示意图和转速、转矩区域图(a)转子侧局部放大图(b)转速、转矩运行区域图；

图6是基于多目标优化遗传算法而得到的典型工况下的优解参数集合(a)额定工况(b)高速轻载(c)不同工况下的参数集；

图7是低振噪优化设计前后的性能效果对比图(a)额定工况下输出转矩(b)高速轻载下输出转矩(c)额定工况下振动加速度(d)高速轻载下振动加速度；

图中：1.定子；2.转子；3.电枢绕组；4.一字型钕铁硼永磁体；5.V型钕铁硼永磁体；6.圆角三角形磁障；7.q轴弧形磁障；8.d轴弧形磁障；9.转轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1，低振噪优化设计的方法流程图。Step1：首先要确定待优化的设计变量对象及其约束范围，其次依据转速、转矩图选取典型工作点，然后基于不同工况的运行需求确定优化目标和约束条件。Step2：对设计变量和性能之间进行扰动性分析，对高扰动变量做进一步的遗传算法，对低扰动变量采用确定性优化设计的方式，最后得出典型工况下的优解集合。Step3：对两工况下的优解集合进行取交，选取候选点，再进行性能评估，最终确定优化后的设计变量的尺寸。

以下提供本发明的一个实施案例：

步骤1：参见图2，该漏磁可变式永磁同步电机的d、q轴等效磁路示意图，其中d、q轴磁通路径显示在不同的转子位置。通过等效磁路法分析传统永磁电机的磁路图，给出考虑漏磁可变的永磁同步电机的等效磁路，q轴可变漏磁磁阻R

其中，N是电枢绕组匝数，R

当电机处于重载情况下时，需要大的电枢电流以及较高的永磁有效磁势，来保证电机的转矩输出能力。通过式2，需要在q轴电流增大的同时，获得较大的q轴漏磁磁阻R

步骤2：参见图3(a)，基于步骤1的漏磁可变原理，本发明提供一款漏磁可变式永磁同步电机，主要包括外定子1，内转子2，转轴9，其中外定子上绕有电枢绕组3，内转子上内嵌有4对极一字型钕铁硼永磁体4和V型钕铁硼永磁体5，每极永磁体的充磁方向一致，且均采用切向充磁的方式。为实现漏磁可控在转子侧q轴上开有圆角三角形磁障6和弧形磁障7，与V型永磁体构成两块漏磁区域，实现V型永磁体自漏磁和极间漏磁，而为了保证电机的基础转矩性能，在d轴增设了一字型永磁体结构，其不参与漏磁，永磁磁通完全进入气隙，产生转矩。同时为了避免永磁体无效漏磁，在d轴V型永磁体间增设了弧形磁障8。

参加图3(b)电机在典型工况下的磁路走向，可以发现，空载时，q轴漏磁路径处于低饱和状态，磁阻较小，V型永磁体在q轴形成自漏磁和极间漏磁两个漏磁区域；重载时，由于q轴负载电流较大，q轴磁桥饱和，磁阻较大，封堵了q轴漏磁路径，永磁体磁通全部进入气隙产生转矩，满足电机重载大转矩的需求，而在轻载时，由于q轴负载电流较小，漏磁路径处于低饱和状态，磁阻较小，V型永磁体在q轴形成自漏磁和极间漏磁两个漏磁区域，共同削弱气隙磁场，提高电机的调速范围，并且由于磁场的削弱，电磁力幅值也会降低，从而也改善了电机的振动噪声问题。同时，其中不同工况下d轴一字型永磁体的磁路都是进入气隙，不参与漏磁，这在一定程度上保证了电机的基础转矩性能。

步骤3：参见图4，是漏磁可变式永磁同步电机分别在低速重载、高速轻载工况下的径向电磁力时空分布图，确定最低非零阶电磁力F

根据Maxwell应力张量法，径向电磁力函数F

式中，B

进一步地，永磁体磁动势f

将公式(4)，(5)，(6)带入式(3)，得径向电磁力函数F

式中，B

考虑漏磁结构的影响，将式(1)，(2)带入到永磁磁动势(4)中，得到漏磁可变式永磁同步电机的永磁磁动势f

同理，再将(8)带入式径向电磁力函数F

通过公式推导，可以知道径向电磁力F

由于永磁电机的电磁振动与电磁力的阶次的四次方成反比，因此径向电磁力的最低非零阶电磁力对永磁电机的电磁振动噪声影响最大，需要确定最低非零阶(4阶)径向电磁力，并将其作为优化目标之一。

步骤4：参见图5(a)，是电机转子侧局部结构图。通过步骤1可知q轴磁障是该电机实现漏磁可变原理的关键因素。并且通过步骤2也知道，漏磁结构对电机的电磁性能也有较大的影响，因此选取q轴圆角三角形磁障到圆心O

参加图5(b)，电机的转速-转矩范围图。依据新欧洲电动汽车的实际驾驶周期(NEDC)，电动汽车的运行工况可大致分为四个运行区域，分别为低速重载运行区域、频繁启动运行区域、正常行驶运行区域，以及高速巡航运行区域。从理论上而言，每一个运行区域都有着自己独特的运行需求，这与传统只考虑额定工况的设计方法不同，因此如何能够满足不同工况下的基础电磁性能需求的同时，抑制其电磁振动的方法是极具意义的。而每一个运行区域又都是多个工作点的集合，而考虑所有工作点，并对其进行低振噪优化设计，目前是难以实现的。因此本发明根据永磁电机工作原理，最终选取两个典型工况“额定负载”、“高速轻载”的工作点作为进一步的研究对象，如：A(1.0n

然后依据步骤2，根据典型工况的运行需求，选取典型工况下的最低非零阶径向电磁力F

步骤5：在确定不同工况下的设计变量：额定工况下变量x

参考图6，经过筛选得到不同工况下的优解集合，然后取两工况下优解变量集合的交集作为最终的优化后的尺寸。然后针对剩下的弱扰动变量，采取确定性优化设计的方式进行权衡取舍。最终确定电机优化后的设计变量尺寸为：R

参考图7，此时电机额定工况下的转矩由26.4Nm提高为28.2Nm，转矩脉动由9.5％下降为3.7％，振动加速度峰值由2.2×10

上文所列出的一系列的详细说明是以图2中的电机案例进行说明的，但本发明并不局限于图2的电机案例上，也适用于其他结构的永磁电机。