一种驱动电机循环工况效率计算方法及系统

技术领域

本发明属于电机技术领域，更具体地，涉及一种驱动电机循环工况效率计算方法及系统。

背景技术

驱动电机作为新能源汽车的核心部件之一，其优质的驱动性能及运行效率对整车的高效节能化运行起着至关重要的作用。

对于驱动电机的高效运行，越来越多的汽车厂商不再一味追求最高效率、额定点效率或者高效区占比，而是将目光投向标准路谱下循环工况效率的提升，以期提高汽车在整个路段内的运行能效及续航里程。

另外，驱动电机的转矩脉动、振动噪声性能作为声学指标，也是电机设计人员的重点关注对象。在工业领域，现有驱动电机产品常采用转子分段斜极的技术手段，方便有效地抑制转矩脉动及振动噪声，为整车运行时乘车人员提供的舒适的运行环境。

因此，设计人员常需要对驱动电机，特别是采用分段斜极转子的驱动电机的循环工况效率进行快速评估。现有技术下，商业有限元软件能够实现这一目的，但耗时严重，单个电机方案的仿真往往超过一小时，方案的迭代优化往往需要进行上千个电机模型的性能评估，总耗时无法接受。有学者提出采用几个特殊工况点代替整个路谱，而对于驱动电机在汽车运行于特定路谱下的循环工况效率，应为所有工况下驱动电机总输出功率与总输入功率之比，因此该方法的精确度有待商榷。对于采用分段斜极的转子，传统的仿真方式为对转子处于不同初始位置角下的情况分别进行仿真，对仿真结果取平均值，其结果的精确度被业界普遍接受。然而，循环工况效率计算本身耗时严重，如再对多段转子分别进行仿真，无疑是雪上加霜。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种驱动电机循环工况效率计算方法及系统，其目的在于通过有限元仿真结合解析计算、拟合、插值等技术手段，实现驱动电机循环工况效率的快速计算。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种驱动电机循环工况效率计算方法，所述驱动电机为新能源汽车用内置式永磁同步电动机，该方法包括：

S1.采用静磁场有限元仿真建立d轴磁链ψ

S2.采用最小二乘二元多项式拟合，将i

S3.当转子为分段斜极时，用改变电流相位角的方式，等效替换改变转子位置角，将步骤S2得到的连续曲面进行修正；

S4.采用步骤S1得到的T

S5.转矩、转速平面上的所有采样点，按照步骤S4所述计算最优电机工作点的损耗、效率，得到效率Map图、输入功率、输出功率矩阵；

S6.采用插值方法得到给定路谱工况点的输入、输出功率，计算循环工况效率。

优选地，步骤S2中采用二元四次多项式拟合时，连续曲面的曲面方程如下：

ψ

ψ

T

p

p

其中，a

有益效果：针对现有商业有限元软件计算效率Map图与循环工况效率前的模型建立时间长的问题，本发明采用与转速无关的静磁场有限元仿真代替瞬态场有限元仿真，并将建立出的5个离散矩阵，利用最小二乘二元多项式拟合成5个连续的曲面方程。在规定范围内，给定一组d、q轴电流，即可毫不费时地在曲面上寻找到其对应的d轴磁链ψ

优选地，步骤S3中，对分段斜极后的连续曲面进行修正的方法如下：

(1)设某一段转子斜极角度为Δθ，对于斜极前离散矩阵数据中的每一组i

α'＝α+pΔθ

其中，p为电机的极对数。

(2)根据等效电流相位角得到对应的等效电流i

(3)采用步骤S2所述方法对修正后的离散矩阵进行曲面拟合，得到转子分段斜极后的连续曲面。

有益效果：针对现有技术中，对于采用分段斜极的转子，传统的仿真方式为对转子处于不同初始位置角下的情况分别进行仿真，对仿真结果取平均值，仿真耗时与分段斜极段数成正比，本发明利用改变电流相位角的方式，等效替换改变转子位置角，在不损失计算精度的前提下，利用步骤S2得到的连续曲面，得到电流相位角改变后的d、q轴电流在连续曲面上对应的函数值，并对不同转子分段斜极角度对应不同电流相位角下的函数值取平均值，据此对离散矩阵和连续曲面进行修正，快速精确地对采用分段斜极转子的驱动电机数据进行处理，数据处理时间远小于有限元仿真时间，因此可以认为不额外增加运算时间。

优选地，步骤S4中，对于损耗的其中一项——交流铜耗计算，若驱动电机定子绕组采用扁线绕组，采用谐波场有限元仿真得到参考电流、参考转速n

进而计算定子绕组交流铜耗：

其中，n

有益效果：针对现有技术中，商业有限元软件计算交流铜耗需要进行至少一个电周期的瞬态场有限元仿真，且不同电流、不同转速下需要进行多次仿真，耗时严重。本发明采用谐波场有限元仿真，仅计算参考转速、参考电流下的交流铜耗，并计算出交流电阻与直流电阻之比，并通过公式拓展至任意转速、任意电流下，节约了时间成本。

优选地，步骤S6中，所述插值方法为有限元插值法。循环工况路谱所对应的电机工作点中，任取一点转速为n

输出功率为：

将各点的输出功率求和得到总输出功率，输入功率求和得到总输入功率，二者之比即为所求循环工况效率。

其中，P

有益效果：针对现有技术中，多采用选取几个特殊工况点代替整个路谱的方法，对特殊工况电机单独进行有限元仿真计算对应的电机性能，对循环工况效率进行近似计算，该方法的精确度有待商榷。本发明通过有限元插值技术，根据转矩-转速平面上已计算出的采样点，计算特定路谱下所有电机工况点的输入、输出功率，能够考虑整个路谱下的循环工况效率，且插值的数据处理时间远小于有限元仿真时间，因此可以认为不额外增加运算时间。

本发明还提供了一种驱动电机循环工况效率计算系统，包括：

有限元仿真模块，用于采用静磁场有限元仿真建立d轴磁链ψ

曲面拟合模块，用于采用最小二乘二元多项式拟合，将i

寻优模块，用于采用T

工作点计算模块，用于转矩、转速平面上的所有采样点，按计算最优电机工作点的损耗、效率，得到效率Map图、输入功率、输出功率矩阵；

插值模块，用于采用插值方法得到给定路谱工况点的输入、输出功率，计算循环工况效率。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明提供的一种驱动电机循环工况效率计算方法及系统，使用有限元仿真结合解析计算、拟合、插值等数据处理技术，有效地提升了驱动电机循环工况效率计算速度，且结果可信度较高，为驱动电机针对特定路谱运行能效的方案优化打下基础。

(2)本发明提供的一种驱动电机循环工况效率计算方法及系统，在其优选方案中，通过静磁场、谐波场有限元仿真，有效地避免了现有商业有限元软件采用瞬态场有限元仿真对电机不同转速下的损耗进行计算，耗时长的问题。

(3)本发明提供的一种驱动电机循环工况效率计算方法及系统，在其优选方案中，通过采用改变电流相位角的方式，等效替换改变转子位置角，节省了转子采用分段斜极时对不同位置下的转子进行分别仿真的时间。

(4)本发明提供的一种驱动电机循环工况效率计算方法及系统，在其优选方案中，通过有限元插值技术，将转矩-转速平面上已有的采样点拓展至特定路谱下的任意工况点，提高了循环工况效率的计算速度及计算精度。

附图说明

图1是本发明提供的一种驱动电机循环工况效率计算方法流程图。

图2是本发明提供的铁耗计算示意图。

图3是本发明提供的等效斜极方法的示意图。

图4是本发明提供的电压和电流限制下的转矩-转速平面示意图。

图5是本发明提供的效率Map图及CLTC循环工况点的分布示意图。

图6是本发明提供的有限元插值法示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种驱动电机循环工况效率计算方法，计算流程图如图1所示。所述驱动电机为新能源汽车用内置式永磁同步电动机，该方法包括：

步骤S1.采用静磁场有限元仿真建立d轴磁链ψ

步骤S1中，定子齿部最大磁密B

其中，B

步骤S2.采用最小二乘二元多项式拟合，将i

优选地，步骤S2中采用二元四次多项式拟合时，连续曲面的曲面方程如下：

其中，a

以式(2)为例，使用最小二乘法求解多项式系数a

显然，F没有极大值，令F对任一多项式系数的偏微分等于0，即可求得其极小值：

将式(2)代入式(8)得：

对该非齐次线性方程组(对于一个二元四次拟合多项式，共15个方程，15个未知数)进行求解，即可得到多项式系数，进而得到拟合曲面。

步骤S3.当转子为分段斜极时，用改变电流相位角的方式，等效替换改变转子位置角，将步骤S2得到的连续曲面进行修正，如图3所示；

优选地，步骤S3中，设某一段转子斜极角度为Δθ，对于斜极前离散矩阵数据中的每一组i

α'＝α+pΔθ(10)

式中，p为电机的极对数。新的等效电流相位角得到此时的等效电流I

S4.采用步骤S1得到的T

优选地，步骤S4中，在转矩-转速平面内任选一点(n

在控制器最大电压和电流的限制下，缩小恒转矩曲线的范围至电压极限椭圆与电流极限圆的公共部分，在这一小区间内任取m组i

将所取m组i

其中，f

给定风摩损耗系数k

电机转轴输出转矩，即轴转矩为：

其中，ω

定子绕组直流铜耗为：

式中，R

若驱动电机定子绕组采用扁线绕组，采用谐波场有限元仿真得到参考电流、参考转速n

进而计算定子绕组交流铜耗：

电机的总损耗：

p

电机轴端功率(电动工况的输出功率P

P

电机电端口功率(电动工况的输入功率P

P

电机工作点效率：

将所取m组i

S5.转矩、转速平面上的所有采样点，按照步骤S4所述计算最优电机工作点的损耗、效率，得到效率Map图、输入功率、输出功率矩阵；

S6.采用插值方法得到给定路谱工况点的输入、输出功率，计算循环工况效率。

优选地，步骤S6中，以CLTC路谱为例，共选取了1800个时刻对应的汽车行驶车速，根据齿轮箱变比、汽车质量、摩擦系数等整车参数得到驱动电机所需转矩和转速(存在电动和发电两种工作模式)，共1800组，路谱工况点在效率Map图上的分布如图5所示。

绘制效率Map图时，采样点不可能完全涵盖这1800个电机的工作点。因此，对于每组转矩转速，需在输入功率、输出功率矩阵上进行插值，得到其实际对应的输入输出功率。

所述插值方法为有限元插值法。循环工况路谱所对应的电机工作点中，任取一点转速为n

输出功率为：

将各点的输出功率求和得到总输出功率，输入功率求和得到总输入功率，二者之比即为所求循环工况效率。

其中，P

对于同一款商用驱动电机，商业有限元软件计算CLTC效率为93.95％，耗时4595s，本发明提供的一种驱动电机循环工况效率计算方法，计算CLTC效率为93.65％，耗时91s。可见，计算误差在0.5％以内，消耗时间减小了98％。

此外，本发明还提供了一种驱动电机循环工况效率计算系统，包括：

有限元仿真模块，用于采用静磁场有限元仿真建立d轴磁链ψ

曲面拟合模块，用于采用最小二乘二元多项式拟合，将i

寻优模块，用于采用T

工作点计算模块，用于转矩、转速平面上的所有采样点，按计算最优电机工作点的损耗、效率，得到效率Map图、输入功率、输出功率矩阵；

插值模块，用于采用插值方法得到给定路谱工况点的输入、输出功率，计算循环工况效率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。