CN102904395A - 一种汽车发电机转子爪极优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车发电机转子爪极优化设计方法，对汽车发电机中爪极结构参数以提高效率和等强度梁为分目标进行优化设计，分别得出爪极结构参数范围，最后结合两个分目标为系统优化设计目标，对电机整体性能进行优化，得到最终优化爪极结构参数范围，完成整个优化设计过程。本发明方法达到了兼顾电机电磁性能和电机力学性能的目的，提高电机的运行性能。

Description

一种汽车发电机转子爪极优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种汽车发电机优化设计方法，特别是一种汽车发电机转子爪极优化设计方法。

背景技术

汽车发电机转子爪极的尺寸和形状不但影响电机的性能，还影响汽车发电机的经济性，必须合理确定。一方面，为了获得较好的电磁性能，就要想法设计使得每一截面的磁通密度均匀相等，因此就必须设计沿轴向截面积不等的爪形，现在常有三种爪极形状，即等宽爪极、梯形爪极和正弦形爪极。另一方面，为了获得较好的力学性能，就要想法设计使得每一爪极成为一个等强度梁，因为转子结构决定了爪极是一个悬臂梁，径向电磁力作用于悬臂梁上。一般说来，等宽爪极的工艺比较简单；梯形爪极的工艺比较复杂，但从电磁性能来看，它可适当增长爪极的轴向长度，改善爪极磁通密度的均匀性和电势波形，是现在最常用的转子爪极型式；从电磁性能来看，正弦形爪极除了具有梯形爪极的优点外，在理论上还能获得正弦形的空载电动势波形，但是其缺点是制造工艺最为复杂，现在很少采用。电机在运行过程中，要保证电机的电磁性能优越，就要求转子爪极在运行过程中不产生形变。实际上在电机运行过程中，转子爪极以悬臂梁形式受到径向交变电磁力和旋转离心力的作用，从等强度梁要求出发，爪极悬臂梁要求能克服转子爪极的受力而不产生形变。目前汽车发电机转子爪极的优化设计方法一般是基于汽车发电机的电磁性能，往往忽视了转子爪极的力学性能。因此电磁优化结果显示不出来甚至有时候电磁性能还下降，特别是由于转子爪极形变导致较大的电磁噪声。因此，综合汽车爪极发电机的电磁性能和力学性能，优化转子爪极的结构参数是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽车发电机转子爪极优化设计方法，该方法以提高效率为优化设计分目标一对电磁性能进行优化；以等强度梁为优化设计分目标二对转子爪极力学性能进行优化。达到兼顾电机电磁性能和电机力学性能的目的，提高电机的运行性能。

为了达到上述目的，本发明的解决技术方案是：

本发明汽车发电机转子爪极优化设计方法的特点是按如下步骤进行：

(1)确定电机待优化的爪极结构参数t₁、t₂…t_n为初始爪极结构参数，根据结构上理论计算可能得到的最小值t_xN与最大值t_yM，需要满足的初始约束范围为t₁∈(t_1N,t_1M)、t₂∈(t_2N,t_2M)…t_n∈(t_nN,t_nM)；x=1,2,…n，y＝1,2,…n，其中，n正整数；

(2)以提高电机效率η为优化分目标一对电磁方案就转子爪极所确定结构参数进行优化设计：保证发电机输出功率不变的情况下，在初始约束范围内调整初始爪极结构参数，查看此时效率值的变化趋势，根据此时效率值比电机的初始效率η₀提高选取优化分目标一爪极结构参数范围为 $t_1^{\′}\∈(t_{1N}^{\′},t_{1M}^{\′}),t_2^{\′}\∈(t_{2N}^{\′},t_{2M}^{\′})\·\·\·t_n^{\′}\∈(t_{\mathrm{nN}}^{\′},t_{\mathrm{nM}}^{\′}),$ 其中： $(t_{1N}^{\′},t_{1M}^{\′})\⋐(t_{1N},t_{1M}),$ $(t_{2N}^{\′},t_{2M}^{\′})\⋐(t_{2N},t_{2M})\·\·\·(t_{\mathrm{nN}}^{\′},t_{\mathrm{nM}}^{\′})\⋐(t_{\mathrm{nN}},t_{\mathrm{nM}});$

(3)以爪极悬臂梁以等强度梁ξ为优化分目标二对电机力学性能就转子爪极结构参数进行优化设计，选取优化分目标二爪极结构参数范围为

$t_n^{\′\′}\∈(t_{\mathrm{nN}}^{\′\′},t_{\mathrm{nM}}^{\′\′}),$ 其中： $(t_{1N}^{\′\′},t_{1M}^{\′\′})\⋐(t_{1N},t_{1M}),(t_{2N}^{\′\′},t_{2M}^{\′\′})\⋐(t_{2N},t_{2M})\·\·\·(t_{\mathrm{nN}}^{\′\′},t_{\mathrm{nM}}^{\′\′})\⋐(t_{\mathrm{nN}},t_{\mathrm{nM}});$

(4)以优化分目标一与优化分目标二的比值η/ξ为系统优化设计目标，对电机整体性能进行优化，以η/ξ≥η₀/ξ₀，其中η₀和ξ₀分别为电机初始参数时测量值，选取最终优化爪极结构参数范围为 $t_1^{\′\′\′}\∈(t_{1N}^{\′\′\′},t_{1M}^{\′\′\′}),t_2^{\′\′\′}\∈(t_{2N}^{\′\′\′},t_{2M}^{\′\′\′})\·\·\·t_n^{\′\′\′}\∈(t_{\mathrm{nN}}^{\′\′\′},t_{\mathrm{nM}}^{\′\′\′})$ )，其中： $(t_{1N}^{\′\′\′},t_{1M}^{\′\′\′})\⋐(t_{1N}^{\′},t_{1M}^{\′})\∩(t_{1N}^{\′\′},t_{1M}^{\′\′}),(t_{2N}^{\′\′\′},t_{2M}^{\′\′\′})\⋐(t_{2N}^{\′},t_{2M}^{\′})\∩(t_{2N}^{\′\′},t_{2M}^{\′\′})\·\·\·$ $(t_{\mathrm{nN}}^{\′\′\′},t_{\mathrm{nM}}^{\′\′\′})\⋐(t_{\mathrm{nN}}^{\′},t_{\mathrm{nM}}^{\′})\∩(t_{\mathrm{nN}}^{\′\′},t_{\mathrm{nM}}^{\′\′}).$

所述步骤(1)中初始爪极结构参数t₁、t₂…t_n可根据具体的工程实际需求选取。

所述步骤(3)中所得到爪极结构参数范围使得爪极悬臂梁优化为一个等强度梁。

所述步骤(4)中电机整体优化目标取效率目标与等强度梁目标的比值，使得最终优化爪极结构参数范围同时满足提高效率和力学性能的要求。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明方法应用于14V/500W汽车爪极发电机上进行过试验验证。该系列电机效率为68.0531%，如图1a和图1b所示，对其转子的爪极极尖斜角θ和爪极厚度轴向角β进行优化。应用优化设计后，将爪极极尖斜角θ从21.2°修正到15.8°，爪极厚度轴向角β从13.3°修正到11.2°之后，电机效率提高到69.1863%，效率提高了1.13%，发电机电磁噪声从78dB（A）下降至73dB（A），满足要求，图1a中h为爪跟部分有效高度，l为爪极有效长度，β为爪极厚度轴向角。图1b中b1为爪极极尖宽度，b2为爪极极跟宽度，b′为计算爪极宽度，l为爪极有效长度，θ为爪极侧面斜角。

附图说明

图1a为本发明的汽车发电机转子爪极主视结构示意图；

图1b为本发明的汽车发电机转子爪极俯视结构示意图；

图2为本发明的汽车发电机转子爪极优化设计方法流程图。

具体实施方式

参见图2，本发明的汽车发电机转子爪极的优化设计方法的特点是按以下步骤进行：

(1)确定电机待优化的爪极结构参数t₁、t₂…t_n（确定此值为初始爪极结构参数），根据结构上理论计算可能得到的最小值t_xN与最大值t_yM，需要满足的初始约束范围为(t₁∈(t_1N,t_1M)、t₂∈(t_2N,t_2M)…t_n∈(t_nN,t_nM))；x=1,2,…n，y＝1,2,…n，其中n正整数。

(2)以提高电机效率η为优化分目标一对电磁方案就转子爪极所确定结构参数进行优化设计：保证发电机输出功率不变的情况下，在初始约束范围内调整初始爪极结构参数，查看此时效率值的变化趋势，根据此时效率值比电机的初始效率η₀提高选取优化分目标一爪极结构参数范围为 $t_1^{\′}\∈(t_{1N}^{\′},t_{1M}^{\′}),t_2^{\′}\∈(t_{2N}^{\′},t_{2M}^{\′})\·\·\·t_n^{\′}\∈(t_{\mathrm{nN}}^{\′},t_{\mathrm{nM}}^{\′}),$ 其中 $(t_{1N}^{\′},t_{1M}^{\′})\⋐(t_{1N},t_{1M}),$ $(t_{2N}^{\′},t_{2M}^{\′})\⋐(t_{2N},t_{2M})\·\·\·(t_{\mathrm{nN}}^{\′},t_{\mathrm{nM}}^{\′})\⋐(t_{\mathrm{nN}},t_{\mathrm{nM}});$

(3)以爪极悬臂梁以等强度梁ξ为优化分目标二对电机力学性能就转子爪极结构参数进行优化设计，选取优化分目标二爪极结构参数范围为 $t_n^{\′\′}\∈(t_{\mathrm{nN}}^{\′\′},t_{\mathrm{nM}}^{\′\′})),$ 其中 $(t_{1N}^{\′\′},t_{1M}^{\′\′})\⋐(t_{1N},t_{1M}),(t_{2N}^{\′\′},t_{2M}^{\′\′})\⋐(t_{2N},t_{2M})\·\·\·(t_{\mathrm{nN}}^{\′\′},t_{\mathrm{nM}}^{\′\′})\⋐(t_{\mathrm{nN}},t_{\mathrm{nM}}).$

(4)以优化分目标一与优化分目标二的比值η/ξ为系统优化设计目标，对电机整体性能进行优化，以η/ξ≥η₀/ξ₀（其中η₀和ξ₀分别为电机初始参数时测量值）选取最终优化爪极结构参数范围为 $(t_1^{\′\′\′}\∈(t_{1N}^{\′\′\′},t_{1M}^{\′\′\′}),t_2^{\′\′\′}\∈(t_{2N}^{\′\′\′},t_{2M}^{\′\′\′})\·\·\·t_n^{\′\′\′}\∈(t_{\mathrm{nN}}^{\′\′\′},t_{\mathrm{nM}}^{\′\′\′})),$ 其中 $(t_{1N}^{\′\′\′},t_{1M}^{\′\′\′})\⋐(t_{1N}^{\′},t_{1M}^{\′})\∩(t_{1N}^{\′\′},t_{1M}^{\′\′}),(t_{2N}^{\′\′\′},t_{2M}^{\′\′\′})\⋐(t_{2N}^{\′},t_{2M}^{\′})\∩(t_{2N}^{\′\′},t_{2M}^{\′\′})\·\·\·$ $(t_{\mathrm{nN}}^{\′\′\′},t_{\mathrm{nM}}^{\′\′\′})\⋐(t_{\mathrm{nN}}^{\′},t_{\mathrm{nM}}^{\′})\∩(t_{\mathrm{nN}}^{\′\′},t_{\mathrm{nM}}^{\′\′}).$

具体实施中，步骤(1)中初始爪极结构参数t₁、t₂…t_n可根据具体的工程实际需求选取。

步骤(3)中所得爪极结构参数范围使得爪极悬臂梁优化为一个等强度梁。

步骤(4)中电机整体优化目标取效率目标与等强度梁目标的比值，使得最终优化爪极结构参数范围同时满足提高效率和力学性能的要求。

本实施例方法既达到了提高效率目的，同时满足力学性能的要求，其构思的机理是：转子爪极的结构参数对电机效率和电磁噪声具有重要影响，虽然不太容易看出其直接的关系，但实际上它们有着密切的联系。特别是转子爪极以悬臂梁方式在电磁激振力、旋转离心力复合作用下的机械形变引起气隙磁导变化，气隙磁导变化引起气隙磁密和电磁激振力的脉动，进而引起定子轭按不同模态振动是产生电磁噪声的一个重要因素。因此，从转子爪极出发优化电机整体性能，不能仅仅考虑其电磁性能，而应把电磁性能和力学性能结合起来研究。

Claims (4)

1.一种汽车发电机转子爪极优化设计方法，其特征是按如下步骤进行：

(1)确定电机待优化的爪极结构参数t₁、t₂…t_n为初始爪极结构参数，根据结构上理论计算可能得到的最小值t_xN与最大值t_yM，需要满足的初始约束范围为t₁∈(t_1N,t_1M)、t₂∈(t_2N,t_2M)…t_n∈(t_nN,t_nM)；x=1,2,…n，y＝1,2,…n，其中，n正整数；

(2)以提高电机效率η为优化分目标一对电磁方案就转子爪极所确定结构参数进行优化设计：保证发电机输出功率不变的情况下，在初始约束范围内调整初始爪极结构参数，查看此时效率值的变化趋势，根据此时效率值比电机的初始效率η₀提高选取优化分目标一爪极结构参数范围为 $t_1^{\′}\∈(t_{1N}^{\′},t_{1M}^{\′}),t_2^{\′}\∈(t_{2N}^{\′},t_{2M}^{\′})\·\·\·t_n^{\′}\∈(t_{\mathrm{nN}}^{\′},t_{\mathrm{nM}}^{\′}),$ 其中： $(t_{1N}^{\′},t_{1M}^{\′})\⋐(t_{1N},t_{1M}),$ $(t_{2N}^{\′},t_{2M}^{\′})\⋐(t_{2N},t_{2M})\·\·\·(t_{\mathrm{nN}}^{\′},t_{\mathrm{nM}}^{\′})\⋐(t_{\mathrm{nN}},t_{\mathrm{nM}});$

(3)以爪极悬臂梁以等强度梁ξ为优化分目标二对电机力学性能就转子爪极结构参数进行优化设计，选取优化分目标二爪极结构参数范围为

$t_n^{\′\′}\∈(t_{\mathrm{nN}}^{\′\′},t_{\mathrm{nM}}^{\′\′}),$ 其中： $(t_{1N}^{\′\′},t_{1M}^{\′\′})\⋐(t_{1N},t_{1M}),(t_{2N}^{\′\′},t_{2M}^{\′\′})\⋐(t_{2N},t_{2M})\·\·\·(t_{\mathrm{nN}}^{\′\′},t_{\mathrm{nM}}^{\′\′})\⋐(t_{\mathrm{nN}},t_{\mathrm{nM}});$

(4)以优化分目标一与优化分目标二的比值η/ξ为系统优化设计目标，对电机整体性能进行优化，以η/ξ≥η₀/ξ₀，其中η₀和ξ₀分别为电机初始参数时测量值，选取最终优化爪极结构参数范围为 $t_1^{\′\′\′}\∈(t_{1N}^{\′\′\′},t_{1M}^{\′\′\′}),t_2^{\′\′\′}\∈(t_{2N}^{\′\′\′},t_{2M}^{\′\′\′})\·\·\·t_n^{\′\′\′}\∈(t_{\mathrm{nN}}^{\′\′\′},t_{\mathrm{nM}}^{\′\′\′})$ )，其中： $(t_{1N}^{\′\′\′},t_{1M}^{\′\′\′})\⋐(t_{1N}^{\′},t_{1M}^{\′})\∩(t_{1N}^{\′\′},t_{1M}^{\′\′}),(t_{2N}^{\′\′\′},t_{2M}^{\′\′\′})\⋐(t_{2N}^{\′},t_{2M}^{\′})\∩(t_{2N}^{\′\′},t_{2M}^{\′\′})\·\·\·$ $(t_{\mathrm{nN}}^{\′\′\′},t_{\mathrm{nM}}^{\′\′\′})\⋐(t_{\mathrm{nN}}^{\′},t_{\mathrm{nM}}^{\′})\∩(t_{\mathrm{nN}}^{\′\′},t_{\mathrm{nM}}^{\′\′}).$

2.根据权利要求书1所述的汽车发电机转子爪极优化设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中初始爪极结构参数t₁、t₂…t_n可根据具体的工程实际需求选取。

3.根据权利要求书1所述的汽车发电机转子爪极优化设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中所得到爪极结构参数范围使得爪极悬臂梁优化为一个等强度梁。

4.根据权利要求书1所述的汽车发电机转子爪极优化设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中电机整体优化目标取效率目标与等强度梁目标的比值，使得最终优化爪极结构参数范围同时满足提高效率和力学性能的要求。

Images