CN110380651A - 一种新能源车的电机设计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新能源车的电机设计方法和装置，包括：根据新能源车的电机的转速与转矩获得电机在各个工况下的能量损耗；根据所述各个工况下的能量损耗获得电机总体能量损耗；根据所述电机总体能量损耗获得电机的转速重心值和转矩重心值；获得所述电机运行在所述转矩重心值和所述转速重心值时对应的dq轴电流；利用所述dq轴电流，获得电机的运行参数；利用所述运行参数获得电机的设计参数。由于电机的参数是根据电机工作在高效工作区时进行的设计，因此，可以保证电机的高效工作区位于整车所需的能耗最大区，降低整车的能耗利用率，延长整车的行驶里程。

Description

一种新能源车的电机设计方法及装置

技术领域

本发明涉及新能源车辆技术领域，尤其涉及一种新能源车的电机设计方法及装置。

背景技术

随着能源紧缺以及空气污染的加重，目前新能源车越来越受欢迎。众所周知，新能源车的动力来源为动力电池组，动力电池组为电机供电，电机驱动车辆行驶。

电机的工作效率及电机高效区的分布是电机设计中的重要性能指标，直接决定了整车尤其是纯电动车的能耗、行驶里程等性能。因此，电机的工作效率是影响新能源车续航里程的重要因素。

如何设计高效电机、实现整车和电机性能的最佳匹配是当前研究的热点。传统的电机设计大多是针对额定工况点下的效率进行优化，但整车工况点在实际运行过程中复杂多变，传统设计方法无法保证电机在整车的常用工况点下运行在高效区域，从而造成电机能源的浪费，无法实现整车和电机性能的最佳匹配。

发明内容

为了解决现有技术中存在的已经技术问题，本发明提供一种新能源车的电机设计方法及装置，能够获得使电机工作在高效工作区对应的参数，从而降低整车的能耗，提高整车的续航里程。

本发明提供一种新能源车的电机设计方法，包括：

根据新能源车的电机的转速与转矩获得电机在各个工况下的能量损耗；

根据所述各个工况下的能量损耗获得电机总体能量损耗；

根据所述电机总体能量损耗获得电机的转速重心值和转矩重心值；

获得所述电机运行在所述转矩重心值和所述转速重心值时对应的dq轴电流；

利用所述dq轴电流，获得电机的运行参数；

利用所述运行参数获得电机的设计参数。

优选地，所述利用所述dq轴电流，获得电机的运行参数，具体包括：

利用所述dq轴的电流通过仿真获得所述电机的运行参数，所述运行参数包括：铜损、铁损、相电压和效率。

优选地，所述利用所述运行参数获得电机的设计参数，具体为：

将所述电机在所述运行参数下使以下函数的函数值最小时对应的电机参数作为所述设计参数；

α ₁、α ₂、α ₃分别是每个优化量的权重因子，其中α ₁+α ₂+α ₃=1；

U _ms 、η _ms 分别是相电压的额定值、效率的允许值；P_cu为电机高效转矩转速点下的铜耗；P_Fe电机高效转矩转速点下的铁耗；U_m为电机高效转矩转速点下的相电压；η _m 为电机高效转矩转速点下的效率。

优选地，所述根据所述各个工况下的能量损耗获得电机总体能量损耗，具体为：按照以下公式根据各个工况下的能量损耗获得电机总体能量损耗E；

其中，E _j 为第j个工况点的能量；P _j 为第j个工况点的输出功率，P _j =T _j ·n _j /9549；Δt为预设时间步长。

优选地，根据所述电机总体能量损耗获得电机的转速重心值和转矩重心值，具体为：

按照以下公式根据所述电机总体能量损耗获得电机的转速重心值和转矩重心值；

式中，ω _j 为第j个工况点的角速度，ω _j =2πnp/60，其中n为转速，p为电机的极对数。

本发明提供一种新能源车的电机设计装置，包括：

能量损耗获得单元，用于根据新能源车的电机的转速与转矩获得电机在各个工况下的能量损耗；根据所述各个工况下的能量损耗获得电机总体能量损耗；

重心值获得单元，用于根据所述电机总体能量损耗获得电机的转速重心值和转矩重心值；

电流获得单元，用于获得所述电机运行在所述转矩重心值和所述转速重心值时对应的dq轴电流；

运行参数获得单元，用于利用所述dq轴电流，获得电机的运行参数；

设计参数获得单元，用于利用所述运行参数获得电机的设计参数。

优选地，所述运行参数获得单元，具体用于利用所述dq轴的电流通过仿真获得所述电机的运行参数，所述运行参数包括：铜损、铁损、相电压和效率。

优选地，所述设计参数获得单元，具体用于将所述电机在所述运行参数下使以下函数的函数值最小时对应的电机参数作为所述设计参数；

α ₁、α ₂、α ₃分别是每个优化量的权重因子，其中α ₁+α ₂+α ₃=1；

U _ms 、η _ms 分别是相电压的额定值、效率的允许值；P_cu为电机高效转矩转速点下的铜耗；P_Fe电机高效转矩转速点下的铁耗；U_m为电机高效转矩转速点下的相电压；η _m 为电机高效转矩转速点下的效率。

优选地，所述能量损耗获得单元具体通过以下公式获得电机总体能量损耗：

其中，E _j 为第j个工况点的能量；P _j 为第j个工况点的输出功率，P _j =T _j ·n _j /9549；Δt为预设时间步长。

优选地，所述重心值获得单元，具体用于通过以下公式获得电机的转速重心值和转矩重心值；

式中，ω _j 为第j个工况点的角速度，ω _j =2πnp/60，其中n为转速，p为电机的极对数。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

根据新能源车的电机的转速与转矩获得电机在各个工况下的能量损耗；根据所述各个工况下的能量损耗获得电机总体能量损耗；根据所述电机总体能量损耗获得电机的转速重心值和转矩重心值；获得所述电机运行在所述转矩重心值和所述转速重心值时对应的dq轴电流；利用所述dq轴电流，获得电机的运行参数；利用所述运行参数获得电机的设计参数。由于电机的参数是根据电机工作在高效工作区时进行的设计，因此，可以保证电机的高效工作区位于整车所需的能耗最大区，降低整车的能耗利用率，延长整车的行驶里程。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明提供的CCBC工况整车车速随时间变化的曲线图；

图2为本发明提供的电机的转矩与转速的关系曲线图；

图3位本发明提供的新能源车的电机设计方法实施例流程图；

图4为本发明提供的电机的定子槽型尺寸示意图；

图5为本发明提供的新能源车的电机设计装置示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

电机的效率和高效点的分布是电机设计的重要性能指标。下面结合附图对于本申请的技术方案进行详细说明。

首先，根据整车的行驶工况需求计算电机的高效点位置，得到电机高效点所对应的转速和转矩。

以整车的中国城市公交循环工况（CCBC，China City Bus Cycle）为例，参见图1，该图为本申请提供的CCBC工况整车车速随时间变化的曲线图。

图1中横坐标为时间，纵坐标为速度，即车速。

利用车速与电机转速、转矩的变化关系式（1）得到电机的转速与转矩变化关系，如图2所示，图2为电机的转矩与转速的关系曲线图。其中，横坐标为转速，纵坐标为转矩。

（1）

其中，n _j 、P _j 分别为电机在第j个工况点的转速和输出功率；V _j 为车速；r为轮胎半径；δ为旋转质量换算系数；m为整车质量；f为滚动阻力系数；为整车的加速度；C _D 为空气阻力系数；A为迎风面积。

参见图3，该图为本发明提供的新能源车的电机设计方法流程图。

S301：根据电机的转速与转矩可以得到相应工况下的能量损耗。不同的转速和转矩时电机的能耗不同。

S302：根据所述各个工况下的能量损耗获得电机总体能量损耗。

基于各个工况点对应的电机能量损耗，具体根据以下公式（2）计算所有工况点对应的电机总体能量损耗。

（2）

式中：E _j 为第j个工况点的能量；P _j 为第j个工况点的输出功率，其中P _j =T _j ·n _j /9549；Δ t为预设时间步长。E为电机总体能量损耗。

S303：根据所述电机总体能量损耗获得电机的转速重心值和转矩重心值。

根据总体能量损耗得到电机在转矩转速区域内的转矩重心值和转速重心值，则电机的高效区集中于该重心值对应的点所在的区域，将该点设置为电机的高效点，在图2中进行标注。

电机的转矩转速重心值的计算是基于统计学方法对CCBC工况相应的电机的转速和转矩开展分析，根据以下公式（3）计算转矩转速区域内的电机的转速重心值和转矩重心值，该转速重心值和转矩重心值构成了电机的一个运行工况点，因此采用转速重心值和转矩重心值代替电机区域内的工况点，能量损耗用以表征该区域内的总体能量损耗。

角速度ω _mc 的重心值和转矩T _mc 的重心值分别由下式得出：

式中，ω _j 为第j个工况点的角速度，ω _j =2πnp/60，其中n为转速，p为电机的极对数。

S304：获得所述电机运行在所述转矩重心值和所述转速重心值时对应的dq轴电流。

让电机工作在角速度为ω _mc ，转矩为T _mc 的工况下，利用以下公式（4）和（5）获得电机的dq轴电流。

式中：φ _f 为永磁磁链；L _d 、L _q 分别为dq轴电感；i _d 、i _q 分别为dq轴电流；u为相电压；w为电角速度；ρ为凸极比；T为电机转矩，u _lim 为电机相电压的极限值，由直流母线电压来决定。

其中，else是指不满足公式（4）的条件，即，其中

S305：利用所述dq轴电流，获得电机的运行参数。

通过以上公式（4）和（5）可以获得电机的dq轴电流，利用电机的dq轴电流，可以通过仿真获得电机的铜损、铁损、相电压和效率。利用仿真获得的铜损、铁损、相电压和效率利用以下公式（6）选取电机的设计参数和约束条件；

其中，仿真获得运行参数主要是通过电磁仿真方法，利用电磁软件ansoft，这是一种成熟的仿真软件，建立电机的物理模型，然后划分网格、施加激励电流源，求解可得到电机的运行参数。

其中，α ₁、α ₂、α ₃分别是每个优化量的权重因子，其中α ₁+α ₂+α ₃=1；U _ms 、η _ms 分别是相电压的额定值、效率的允许值；P_cu为电机高效转矩转速点下的铜耗；P_Fe电机高效转矩转速点下的铁耗；U_m为电机高效转矩转速点下的相电压；η _m 为电机高效转矩转速点下的效率；T、n、I分别为电机的高效转矩、转速及对应的相电流；T _m 、I _m 、n _max 分别是转矩、电流、转速的最大值；S _f 为定子槽满率；J为电流密度；A _c 为电负荷；J _s 、A _cs 分别为电流密度、电负荷的允许值。

由于电机的高效点分布于铜耗与铁耗相等的曲线和弱磁分界线的相交点，以电机高效点对应转矩、转速点的效率最高为优化目标，即越小越好，同时，为了限定电机高效点的效率达到，设定的误差最小，且分别对每一项的比重利用权重因子进行设定，最终设定优化设计目标f _obj (x)如式（6）所示。

下面对公式（6）中X包括的电机的设计参数进行介绍：

在电机外形结构尺寸不变的基础上，对电机绕组匝数N、导体线径d、槽型尺寸和轴向长度L _a 进行优化，如图4所示。图中，bs是定子槽口宽度，b _s0 和b _s2 分别是定子槽的宽度，通过调节这两个参数能够实现定子齿宽的调节，调节定子槽高度尺寸h ₂ 、h ₀₂ 、h ₀₁ 实现对定子轭高的调节，从而实现对定子磁密和铁损的调节。当目标函数f _obj (x)取最小值时，对应电机的各个设计参数便为电机优化设计得到的参数。

同时，根据电机对高效转矩转速点分布和该点效率的设计需求程度选定目标函数f _obj (x)的权重因子，若高效转矩转速点和该点效率的需求度一致，则取α ₁=α ₂=α ₃=1/3；若要求设计电机尽量位于高效转矩转速点，则α ₁、α ₂所占比重取大一些，α ₃小一些；若设计电机追求电机高效点的效率，α ₃所占比重取大一些，α ₁、α ₂小一些；根据式（6）即可得到电机的目标值f _obj (x)，再次修改电机设计变量计算目标值，反复计算，最终选取目标函数f _obj (x)的目标值最小时对应的电机设计变量为电机优化参数，从而得到电机绕组的最优匝数N、导体线径d、定子槽尺寸h ₂ 、h ₀₂ 、h ₀₁ 和轴向长度L _a 。

由于电机的设计参数是根据电机工作在高效工作区时进行的设计，因此，可以保证电机的高效工作区位于整车所需的能耗最大区，降低整车的能耗利用率，延长整车的行驶里程。

基于以上实施例提供的一种新能源车的电机设计方法，本发明还提供一种新能源车的电机设计装置，下面结合附图进行详细介绍。

参见图5，该图为本发明提供的一种新能源车的电机设计装置示意图。

本实施例提供的新能源车的电机设计装置，包括：

能量损耗获得单元401，用于根据新能源车的电机的转速与转矩获得电机在各个工况下的能量损耗；根据所述各个工况下的能量损耗获得电机总体能量损耗；

所述能量损耗获得单元具体通过以下公式获得电机总体能量损耗：

其中，E _j 为第j个工况点的能量；P _j 为第j个工况点的输出功率，P _j =T _j ·n _j /9549；Δt为预设时间步长。

重心值获得单元402，用于根据所述电机总体能量损耗获得电机的转速重心值和转矩重心值；

具体用于通过以下公式获得电机的转速重心值和转矩重心值；

式中，ω _j 为第j个工况点的角速度，ω _j =2πnp/60，其中n为转速，p为电机的极对数。

电流获得单元403，用于获得所述电机运行在所述转矩重心值和所述转速重心值时对应的dq轴电流；

运行参数获得单元404，用于利用所述dq轴电流，获得电机的运行参数；

具体用于利用所述dq轴的电流通过仿真获得所述电机的运行参数，所述运行参数包括：铜损、铁损、相电压和效率。

设计参数获得单元405，用于利用所述运行参数获得电机的设计参数。

将所述电机在所述运行参数下使以下函数的函数值最小时对应的电机参数作为所述设计参数；

α ₁、α ₂、α ₃分别是每个优化量的权重因子，其中α ₁+α ₂+α ₃=1；

U _ms 、η _ms 分别是相电压的额定值、效率的允许值；P_cu为电机高效转矩转速点下的铜耗；P_Fe电机高效转矩转速点下的铁耗；U_m为电机高效转矩转速点下的相电压；η _m 为电机高效转矩转速点下的效率。

由于电机的参数是根据电机工作在高效工作区时进行的设计，因此，可以保证电机的高效工作区位于整车所需的能耗最大区，降低整车的能耗利用率，延长整车的行驶里程。

应当理解，在本申请中，“至少一个（项）”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项（个）或复数项（个）的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项（个），可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

Claims (10)

1.一种新能源车的电机设计方法，其特征在于，包括：

根据新能源车的电机的转速与转矩获得电机在各个工况下的能量损耗；

根据所述各个工况下的能量损耗获得电机总体能量损耗；

根据所述电机总体能量损耗获得电机的转速重心值和转矩重心值；

获得所述电机运行在所述转矩重心值和所述转速重心值时对应的dq轴电流；

利用所述dq轴电流，获得电机的运行参数；

利用所述运行参数获得电机的设计参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述dq轴电流，获得电机的运行参数，具体包括：

利用所述dq轴的电流通过仿真获得所述电机的运行参数，所述运行参数包括：铜损、铁损、相电压和效率。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述利用所述运行参数获得电机的设计参数，具体为：

将所述电机在所述运行参数下使以下函数的函数值最小时对应的电机参数作为所述设计参数；

α ₁、α ₂、α ₃分别是每个优化量的权重因子，其中α ₁+α ₂+α ₃=1；

U _ms 、η _ms 分别是相电压的额定值、效率的允许值；P_cu为电机高效转矩转速点下的铜耗；P_Fe电机高效转矩转速点下的铁耗；U_m为电机高效转矩转速点下的相电压；η _m 为电机高效转矩转速点下的效率。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述各个工况下的能量损耗获得电机总体能量损耗，具体为：按照以下公式根据各个工况下的能量损耗获得电机总体能量损耗E；

其中，E _j 为第j个工况点的能量；P _j 为第j个工况点的输出功率，P _j =T _j ·n _j /9549；Δt为预设时间步长。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述电机总体能量损耗获得电机的转速重心值和转矩重心值，具体为：

按照以下公式根据所述电机总体能量损耗获得电机的转速重心值和转矩重心值；

式中，ω _j 为第j个工况点的角速度，ω _j =2πnp/60，其中n为转速，p为电机的极对数。

6.一种新能源车的电机设计装置，其特征在于，包括：

能量损耗获得单元，用于根据新能源车的电机的转速与转矩获得电机在各个工况下的能量损耗；根据所述各个工况下的能量损耗获得电机总体能量损耗；

重心值获得单元，用于根据所述电机总体能量损耗获得电机的转速重心值和转矩重心值；

电流获得单元，用于获得所述电机运行在所述转矩重心值和所述转速重心值时对应的dq轴电流；

运行参数获得单元，用于利用所述dq轴电流，获得电机的运行参数；

设计参数获得单元，用于利用所述运行参数获得电机的设计参数。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述运行参数获得单元，具体用于利用所述dq轴的电流通过仿真获得所述电机的运行参数，所述运行参数包括：铜损、铁损、相电压和效率。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述设计参数获得单元，具体用于将所述电机在所述运行参数下使以下函数的函数值最小时对应的电机参数作为所述设计参数；

α ₁、α ₂、α ₃分别是每个优化量的权重因子，其中α ₁+α ₂+α ₃=1；

U _ms 、η _ms 分别是相电压的额定值、效率的允许值；P_cu为电机高效转矩转速点下的铜耗；P_Fe电机高效转矩转速点下的铁耗；U_m为电机高效转矩转速点下的相电压；η _m 为电机高效转矩转速点下的效率。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述能量损耗获得单元具体通过以下公式获得电机总体能量损耗：

其中，E _j 为第j个工况点的能量；P _j 为第j个工况点的输出功率，P _j =T _j ·n _j /9549；Δt为预设时间步长。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述重心值获得单元，具体用于通过以下公式获得电机的转速重心值和转矩重心值；

式中，ω _j 为第j个工况点的角速度，ω _j =2πnp/60，其中n为转速，p为电机的极对数。