CN110994834A - 一种交直轴电感可变式永磁无刷电机及其广域高效优化设计方法 - Google Patents

一种交直轴电感可变式永磁无刷电机及其广域高效优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种交直轴电感可变式永磁无刷电机及其广域高效优化设计方法，包括步骤1，通过多工况的永磁电机的磁路图获得交直轴电感之比；步骤2，当汽车处于不同工况时，通过交直轴电感之比的变化来使得电机分别满足对应工况下的转矩、调速范围、广域高效的需求；步骤3，设置交直轴电感可变式永磁无刷电机；步骤4，对转子磁障及弧形永磁体的尺寸大小进行初步优化，给出了初始尺寸和约束条件；步骤5，根据不同工况的需求对步骤4的初始转子磁障及弧形永磁体的尺寸进行综合优化。本发明使电机在结构简单的情况下获得比传统永磁无刷电机更高的综合效率，并且保证在轻载情况下具有较高的转矩密度等这些不同工况下的多目标需求。

Description

一种交直轴电感可变式永磁无刷电机及其广域高效优化设计 方法
技术领域
本发明属于永磁无刷电机技术领域，涉及一种交直轴电感可变式永磁无刷电机及其广域高效优化设计方法。
背景技术
近年来，电动汽车以其高效率、零排放等显著优点，已成为新能源汽车发展的主攻方向之一。与传统汽车类似，电动汽车同样需满足“市区道路、高速公路、乡村公路”等多种行驶环境，与此同时，又存在“频繁启停、加速、刹车、爬坡、高速巡航”等多个运行工况。这种复杂的行驶环境和多变的运行工况对电机及其驱动系统提出了更为苛刻的性能需求。
目前，永磁无刷电机以其高功率密度、高效率、高控制精度等优势，已在电动汽车电驱动系统中获得了广泛应用，然而，由于永磁电机的固有特性，永磁电机气隙磁场基本保持恒定，存在“调速范围较窄”，“高速弱磁区效率低”等不足，一定程度上制约了永磁电机在电动汽车驱动电机领域的大规模应用，同时也成为延缓电动汽车快速发展的诸多不利因素之一。中国专利号201510026381.5提出了一种混合励磁电机，通过调节电励磁绕组电流的大小和方向，能实现电机气隙磁场的灵活调节与控制，然而，过高的电密度对电机的冷却系统提出了严格的要求，在恒功率区域内，持续的电励磁铜耗对电机效率的影响颇大。中国专利号为201610537453.7的提出了一种磁场增强型永磁电机，通过在转子q轴磁路引入“空气磁障”，在d轴磁路增加“导磁桥”，从而获得与传统内置式永磁电机相反的电感特性(即Ld>Lq)，使得其在恒转矩区利用了磁阻转矩，提高了带负载能力。但该类电机中，由于磁阻转矩利用率较低，仍然限制了其在高速区的带负载能力。
可见，目前的传统驱动电机几乎都是针对单一工况的性能要求进行设计改进来满足部分性能需求，一旦运行工况发生改变，容易出现低速爬坡能力不足，高速调速范围较窄、效率较低等问题，难以完全满足车用驱动电机负载变化所需的多工况要求，因此，研究与探索符合电动汽车多运行工况需求，兼具结构简单可靠，功率密度高、调速范围宽、广域高效等优点的永磁无刷电机及其控制技术，已成为车用驱动电机领域亟待解决的问题和主攻方向之一。
发明内容
本发明的主要内容是解决传统设计思路中仅考虑额定(单一)工况设计下的车用电机无法满足电动汽车实际多工况的运行要求，提出一种交直轴电感可变式永磁无刷电机及其广域高效优化控制方法，其关键在于根据工况需求，调节交直轴电流，控制漏磁路磁通，从而有效调节电机交直轴电感，以满足低速重载大转矩，高速巡航高效率等这些不同工况下的多目标需求。
为了实现上述目的，本发明方法采用的技术方案是：一种交直轴电感可变式永磁无刷电机的广域高效优化设计方法，包括步骤：
步骤1，通过多工况的永磁电机的磁路图获得交直轴电感之比；步骤2，当汽车处于不同工况时，通过交直轴电感之比的变化来使得电机分别满足对应工况下的转矩、调速范围、广域高效的需求；步骤3，在转子(2)内部设置有四层磁障，分别是第一层一段式弧形磁障(4)，第二层一段式弧形磁障(5)，第三层三段式弧形磁障(6)和第四层三段式弧形磁障(7)；在转子外边缘设有圆心落在q轴的半椭圆形小磁障(8)和圆心落在d轴的半椭圆形大磁障(9)；在第三层三段式弧形磁障(6)，第四层三段式弧形磁障(7)之间嵌入弧形永磁体(3)，弧形永磁体(3)在转子内均匀分布且弧口朝外设置；步骤4，对转子磁障及弧形永磁体的尺寸大小进行初步优化，给出了初始尺寸和约束条件；步骤5，根据不同工况的需求对步骤4的初始转子磁障及弧形永磁体的尺寸进行综合优化。
进一步，步骤1的具体过程为：
通过考虑多工况的永磁电机的磁路图，给出了该电机的简化d轴和q轴等效磁通路径，其中d轴和q轴磁通路径显示在不同的转子位置，交直轴电感Ld、Lq和漏磁通Фσ(id，iq)可以表示如下:
Figure BDA0002293281550000021
其中：N是绕组匝数，Rbr(id，iq)是引入的可变磁阻，Rpm是永磁体磁阻，Rr是转子磁阻，Rs是定子磁阻，Rg是气隙磁阻；id，iq分别为d，q轴电枢电流；则Lq/Ld可以表示为：
Figure BDA0002293281550000022
进一步，步骤2的具体过程为：
2.1，当电机处于重载爬坡工况时，通常需要大的电枢电流和小的磁漏通Фσ来确保转矩输出能力，根据公式(2)，则需要Lq/Ld较小，此外，为了减少不可逆退磁的风险，在此工况下需要Ld>Lq来获得一定的磁阻转矩；
2.2，当电机处于高速巡航工况时，感应电势升高，电枢电流降低，需要磁漏通Фσ,变大来扩大调速范围，提高效率，根据公式(2)，则需要Lq/Ld较大，此外，在高速弱磁时，在此工况下需要Ld<Lq来获得一定的磁阻转矩；
2.3，频繁启停工况与重载爬坡工况一样，需要Ld>Lq，正常巡航工况与高速巡航工况一样需要Ld<Lq。
进一步，步骤4的具体过程为：
第一层一段式弧形磁障(4)，第二层一段式弧形磁障(5)、第三层三段式弧形磁障(6)，第四层三段式弧形磁障(7)具有相同的圆心O1，圆心O1在交轴上，圆心O1所在圆的半径为R5，R5与转子外径R12的约束关系是R5＝1.15R12～1.25R12；第一层一段式弧形磁障(4)的内半径是R1，第二层一段式弧形磁障(5)的内半径是R2，第三层三段式弧形磁障(6)的内半径是R3，第四层三段式弧形磁障(7)的内半径是R4，需要满足的约束条件为：0.1R1≤R2≤0.18R1，0.15R1≤R3≤0.26R1，0.24R1≤R4≤0.38R1，0.32R1≤R5≤0.45R1；半椭圆形小磁障(8)的圆心O2落在q轴上，圆心O2所在圆的半径为R7，R7与转子外径R12的约束关系是R5＝1.05R12～1.1R12，半椭圆形小磁障(8)的半径是R6，R6与第一层一段式弧形磁障(4)的内半径R1的约束关系是R6＝0.35R1～0.65R1；半椭圆形大磁障(9)的圆心为O4，落在与q轴成22.5°的直线上，圆心O4所在圆的半径为R11，R11与转子外径R12的约束关系是R11＝1.35R12～1.55R12，半椭圆形大磁障(9)的半径是R10，R10与第一层一段式弧形磁障(4)的内半径R1的约束关系是R10＝0.15R1～0.25R1；弧形永磁体(3)的圆心为O3与O4在一条直线上，圆心O3所在圆的半径为R9，R9与R11的约束关系是R9＝0.76R11～0.89R11，弧形永磁体(3)的半径是R8，R8与R10的约束关系是R8＝1R10～1.06R10。
进一步，步骤5的具体过程为：
步骤5.1，根据电机速度和负载扭矩图得到“重载爬坡”、“高速巡航”这两个典型工况的实际工作点；在两个工况范围内，根据工作点的密集程度，分别画出两个高密集运行范围，在其几何中心O1(0.5nrated,0.5Tmax)和O2(1.5nrated,0.3Tmax)处作为两个工况的代表点；nrated为转速，Tmax为最大转矩，在这两个工况代表点处，根据工况需求，选出电感特性，输出转矩、转矩脉动，铜耗，铁耗多个优化目标；
步骤5.2，基于遗传算法，分别对两个典型工况下参数进行优化，选取优值集合，取两个工况优值集合的交集作为优化后尺寸：
首先，分别对重载爬坡的参数α1,α2…αm(m为整数)，和高速巡航工况种的参数α1,α2…αn(n为整数)进行遗传算法优化，得到各自的优值集合，重载爬坡工况下，有优值集合(α1(a),α2(a)…αm(a))，(α1(b),α2(b)…αm(b)),…,(α1(k),α2(k)…αm(k))(k为整数)；高速巡航工况下，有优值集合(α1(a),α2(a)…αn(a)),(α1(b),α2(b)…αn(b)),…,(α1(h),α2(h)…αn(h))(h为整数)；取两个工况优值集合的交集作为优化后尺寸。
本发明的一种交直轴电感可变式永磁无刷电机，包括定子(1)，转子(2)和转轴(10)；转子(2)同轴位于定子(1)内部，转子(2)的中心用于安放转轴(10)，定子(1)和转子(2)均由相等厚度的硅钢片叠压而成，转轴(10)是由非导磁材料组成；转子(2)上沿圆周方向均匀固定镶嵌有若干对开口朝外的弧形永磁体(3)，相邻两极上的钕铁硼永磁体采用交替充磁方式，同一极上弧形永磁体(3)都采用切向充磁方向，每对的两段弧形永磁体(3)的充磁方向相同，相邻的两对弧形永磁体(3)的充磁方向相反；在相邻的两对弧形永磁体(3)之间的转子内部设有四层弧形磁障，分别是第一层一段式弧形磁障(4)，第二层一段式弧形磁障(5)，第三层三段式弧形磁障(6)和第四层三段式弧形磁障(7)，都开口朝向气隙且圆心都落在q轴上；第一层一段式弧形磁障(4)，第二层一段式弧形磁障(5)在转子中形成漏磁支路，得到定子电枢绕组d、q轴磁路与永磁体漏磁磁路的耦合设计，此外在转子外边缘设有圆心落在q轴的半椭圆形小磁障(8)和圆心落在d轴的半椭圆形大磁障(9)。
进一步，第三层三段式弧形磁障(6)和第四层三段式弧形磁障(7)具有相同的半径长度。
本发明根据工况需求，以控制漏磁路磁通为手段，达到有效调节电机交直轴电感的效果，从而使电机在结构简单的情况下获得比传统永磁无刷电机更高的综合效率，并且保证在轻载情况下具有较高的转矩密度等这些不同工况下的多目标需求。
本发明在电机优化过程中研究了单一工况局部优化与多运行工况全局优化之间的内在联系，提出“重载爬坡”、“高速巡航”工况下电机优化设计目标与优化模型，得到基于“多变量多目标”的广域高效多工况电机综合优化方法。
本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：
1、当电机处于“重载爬坡”工况时，永磁体的极间漏磁或自漏磁显著降低，此时q轴磁通与漏磁通交汇处磁阻大大提高，从而获得电机反凸极特性，使得Ld>Lq，在充分利用磁阻转矩的同时，有效主磁通增加，从而大大提高了电机的输出转矩能力；当电机处于“高速巡航”工况时，永磁体的极间漏磁和自漏磁增加，此时q轴磁通与漏磁通交汇处磁阻很小，使得电机Ld<Lq，提高了电机带载实现了高速区的“永磁体自弱磁”，降低了弱磁电流分量id和相应的弱磁铜耗以及降低电机磁密和相应的铁耗，改善了高速区运行效率。
2、本发明在转子内部的交轴磁路上设置的第一层一段式弧形磁障，第二层一段式弧形磁障和半椭圆形小磁障都是为了在转子中形成大小合适的“双层漏磁磁路”，通过控制不同运行工况下电枢电流(id，iq)的变化，调节和控制电机的漏磁磁路的饱和程度，使不同工况下的交直轴电感可变成为可能。
3、本发明在转子内部的交轴磁路上设置的第三层三段式弧形磁障，第四层三段式弧形磁障和半椭圆形大磁障的作用是减小电机的交轴电感，为重载爬坡的Ld>Lq电感特性做准备，保证该工况下的大转矩输出。
4、本发明引入基于“多变量多目标”的广域高效多工况电机综合优化方法，以电机的转矩、转矩脉动、交直轴电感特性作为重载爬坡工况下优化目标，以电机的转矩、交直轴电感特性和效率作为高速巡航工况下优化目标，综合设计优化来实现电机宽调速运行和广域高效。
附图说明
下面根据附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明；
图1是交直轴磁路图(a)传统永磁电机(b)引入可变磁阻的永磁电机(考虑工况)；
图2是本发明交直轴电感可变式永磁无刷电机的径向截面结构示意图；
图3是图2中转子局部结构及几何尺寸标注放大示意图；
图4是基于NEDC(新欧洲驾驶周期)下的汽车转速和转矩图；
图5是工况代表点选取图；
图6是两个工况下分别基于遗传算法的优值集合(a)低速重载(b)高速巡航；
图中：1.定子；2.转子；3.弧形永磁体；4.第一层弧形磁障；5.第二层弧形磁障；6.第三层三段式弧形磁障；7.第四层三段式弧形磁障；8.q轴半椭圆形小磁障；9.d轴半椭圆形大磁障；10.转轴
具体实施方式
步骤1，通过多工况永磁电机的磁路图获得交直轴电感之比；
参见图1，给出了传统永磁电机和引入可变磁阻的永磁电机的简化d轴和q轴等效磁通路径，其中d轴和q轴磁通路径显示在不同的转子位置。根据图1(b)，交直轴电感Ld、Lq和漏磁通Фσ(id，iq)可以表示如下：
Figure BDA0002293281550000061
其中：N是绕组匝数，Rbr(id，iq)是引入的可变磁阻，Rpm是永磁体磁阻，Rr是转子磁阻，Rs是定子磁阻，Rg是气隙磁阻；id，iq分别为d，q轴电枢电流；
则Lq/Ld可以表示为：
Figure BDA0002293281550000062
步骤2，当汽车处于不同工况时，根据公式(2)中的交直轴电感之比的变化来使得电机分别满足对应工况下的高转矩、宽调速范围和广域高效的需求；
1)当电机处于“重载爬坡”工况时，通常需要较大的电枢电流和很小的磁漏通Фσ来确保转矩输出能力，根据公式(2)，则需要Lq/Ld较小。此外,为了减少不可逆退磁的风险，+id被应用，因此，在此工况下需要Ld>Lq来获得一定的磁阻转矩；
2)当电机处于“高速巡航”工况时，感应电势升高，电枢电流降低，需要磁漏通Фσ变大来扩大调速范围来扩大调速范围，提高效率，根据公式(2)，则需要Lq/Ld较大。此外，在高速弱磁时，需要-id来弱磁升速，因此，在此工况下需要Ld<Lq来获得一定的磁阻转矩。
3)频繁启停工况与重载爬坡工况一样，需要Ld>Lq，正常巡航工况与高速巡航工况一样需要Ld<Lq。
由此可见：当电机处于“重载爬坡”等工况时，永磁体的极间漏磁或自漏磁显著降低，此时q轴磁通与漏磁通交汇处磁阻大大提高，从而获得电机反凸极特性，使得Ld>Lq，在充分利用磁阻转矩的同时，有效主磁通增加，从而大大提高了电机的输出转矩能力；当电机处于“高速巡航”等工况时，永磁体的极间漏磁和自漏磁增加，此时q轴磁通与漏磁通交汇处磁阻很小，使得电机Ld<Lq，提高了电机带载实现了高速区的“永磁体自弱磁”，降低了弱磁电流分量id和相应的弱磁铜耗以及降低电机磁密和相应的铁耗，改善了高速区运行效率。
步骤3，在转子2内部设置有四层磁障，分别是第一层一段式弧形磁障4，第二层一段式弧形磁障5，第三层三段式弧形磁障6和第四层三段式弧形磁障7；在转子外边缘设有圆心落在q轴的半椭圆形小磁障8和圆心落在d轴的半椭圆形大磁障9；在第三层三段式弧形磁障6，第四层三段式弧形磁障7之间嵌入弧形永磁体3，弧形永磁体3在转子内均匀分布且弧口朝外设置。
参见图2，基于图1的交直轴电感可变原理，本发明提供一种交直轴电感可变式永磁无刷电机，包括定子1，转子2和转轴10。转子2同轴位于定子1内部，转子2的中心用于安放转轴10。定子1和转子2均由相等厚度的硅钢片叠压而成。转轴10是由非导磁材料组成。转子2上沿圆周方向均匀固定镶嵌有若干对开口朝外的弧形钕弧形永磁体3，相邻两极上的钕铁硼弧形永磁体采用交替充磁方式，同一极上弧形永磁体3都采用切向充磁方向，每对的两段永磁磁钢弧形永磁体3的充磁方向相同，相邻的两对弧形永磁体3的充磁方向相反。在相邻的两对永磁磁钢之间的转子内部设有四层弧形磁障，分别是第一层一段式弧形磁障4，第二层一段式弧形磁障5，第三层三段式弧形磁障6和第四层三段式弧形磁障7，都开口朝向气隙且圆心都落在q轴上。第一层一段式弧形磁障4，第二层一段式弧形磁障5在转子中形成漏磁支路，得到定子电枢绕组d、q轴磁路与永磁体漏磁磁路的耦合设计，为电机不同运行工况下漏磁可控提供前提条件；第三层三段式弧形磁障6和第四层三段式弧形磁障7具有相同的半径长度，其作用是控制漏磁通的范围，适当减小交轴电感，在保证所需的输出转矩的同时，拓宽电机的调速范围。此外在转子外边缘设有圆心落在q轴的半椭圆形小磁障8和圆心落在d轴的半椭圆形大磁障9。
步骤4，对转子磁障及弧形永磁体的尺寸大小进行初步优化，给出了初始尺寸和约束条件；
参见图3，第一层一段式弧形磁障4，第二层一段式弧形磁障5、第三层三段式弧形磁障6，第四层三段式弧形磁障7具有相同的圆心O1，圆心O1在交轴上，圆心O1所在圆的半径为R5，R5与转子外径R12的约束关系是R5＝1.15R12～1.25R12。第一层一段式弧形磁障4的内半径是R1，第二层一段式弧形磁障5的内半径是R2，第三层三段式弧形磁障6的内半径是R3，第四层三段式弧形磁障7的内半径是R4，需要满足的约束条件为：0.1R1≤R2≤0.18R1，0.15R1≤R3≤0.26R1，0.24R1≤R4≤0.38R1，0.32R1≤R5≤0.45R1。半椭圆形小磁障8的圆心O2落在q轴上，圆心O2所在圆的半径为R7，R7与转子外径R12的约束关系是R5＝1.05R12～1.1R12，半椭圆形小磁障8的半径是R6，R6与第一层一段式弧形磁障4的内半径R1的约束关系是R6＝0.35R1～0.65R1；半椭圆形大磁障9的圆心为O4，落在与q轴成22.5°的直线上，圆心O4所在圆的半径为R11，R11与转子外径R12的约束关系是R11＝1.35R12～1.55R12，半椭圆形大磁障9的半径是R10，R10与第一层一段式弧形磁障4的内半径R1的约束关系是R10＝0.15R1～0.25R1；弧形永磁体3的圆心为O3与O4在一条直线上，圆心O3所在圆的半径为R9，R9与R11的约束关系是R9＝0.76R11～0.89R11，弧形永磁体3的半径是R8，R8与R10的约束关系是R8＝1R10～1.06R10。
步骤5，根据不同工况的需求对步骤4的初始转子磁障及弧形永磁体的尺寸进行综合优化；
步骤5.1，根据电机速度和负载扭矩图得到“重载爬坡”、“高速巡航”这两个典型工况的实际工作点；
参见图4，为考虑到地面坡度角等于2.5°时，NEDC(新欧洲驾驶周期)下的电机速度和负载扭矩图。基于图4中数据，结合电机，得到图5中的实际工作点。如图5所示，NEDC循环可能出现的所有操作点几乎都在电机的规定扭矩-速度范围内。在两个工况范围内，根据工作点的密集程度，分别画出两个高密集运行范围，在其几何中心O1(0.5nrated,0.5Tmax)和O2(1.5nrated,0.3Tmax)处作为两个工况的代表点。在这两个工况代表点处，根据工况需求，选出电感特性，输出转矩、转矩脉动，铜耗，铁耗等多个优化目标，构建基于“多变量多目标”的广域高效多工况电机综合优化方法。
步骤5.2，基于遗传算法，分别对两个典型工况下参数进行优化，选取优值集合，取两个工况优值集合的交集作为优化后尺寸。
参见图6，首先，分别对重载爬坡的参数α1,α2…αm(m为整数)，和高速巡航工况种的参数α1,α2…αn(n为整数)进行遗传算法优化，得到各自的优值集合，重载爬坡工况下，有优值集合(α1(a),α2(a)…αm(a))，(α1(b),α2(b)…αm(b)),…,(α1(k),α2(k)…αm(k))(k为整数)；高速巡航工况下，有优值集合(α1(a),α2(a)…αn(a)),(α1(b),α2(b)…αn(b)),…,(α1(h),α2(h)…αn(h))(h为整数)；取两个工况优值集合的交集作为优化后尺寸。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种交直轴电感可变式永磁无刷电机的广域高效优化设计方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1，通过多工况的永磁电机的磁路图获得交直轴电感之比；步骤2，当汽车处于不同工况时，通过交直轴电感之比的变化来使得电机分别满足对应工况下的转矩、调速范围、广域高效的需求；步骤3，在转子(2)内部设置有四层磁障，分别是第一层一段式弧形磁障(4)，第二层一段式弧形磁障(5)，第三层三段式弧形磁障(6)和第四层三段式弧形磁障(7)；在转子外边缘设有圆心落在q轴的半椭圆形小磁障(8)和圆心落在d轴的半椭圆形大磁障(9)；在第三层三段式弧形磁障(6)，第四层三段式弧形磁障(7)之间嵌入弧形永磁体(3)，弧形永磁体(3)在转子内均匀分布且弧口朝外设置；步骤4，对转子磁障及弧形永磁体的尺寸大小进行初步优化，给出了初始尺寸和约束条件；步骤5，根据不同工况的需求对步骤4的初始转子磁障及弧形永磁体的尺寸进行综合优化。
2.根据权利要求1所述的一种交直轴电感可变式永磁无刷电机的广域高效优化设计方法，其特征在于，步骤1的具体过程为：
通过考虑多工况的永磁电机的磁路图，给出了该电机的简化d轴和q轴等效磁通路径，其中d轴和q轴磁通路径显示在不同的转子位置，交直轴电感Ld、Lq和漏磁通Фσ(id，iq)可以表示如下:
Figure FDA0002293281540000011
其中：N是绕组匝数，Rbr(id，iq)是引入的可变磁阻，Rpm是永磁体磁阻，Rr是转子磁阻，Rs是定子磁阻，Rg是气隙磁阻；id，iq分别为d，q轴电枢电流；则Lq/Ld可以表示为：
Figure FDA0002293281540000012
3.根据权利要求1所述的一种交直轴电感可变式永磁无刷电机的广域高效优化设计方法，其特征在于，步骤2的具体过程为：
2.1，当电机处于重载爬坡工况时，通常需要大的电枢电流和小的磁漏通Фσ来确保转矩输出能力，根据公式(2)，则需要Lq/Ld较小，此外，为了减少不可逆退磁的风险，在此工况下需要Ld>Lq来获得一定的磁阻转矩；
2.2，当电机处于高速巡航工况时，感应电势升高，电枢电流降低，需要磁漏通Фσ,变大来扩大调速范围，提高效率，根据公式(2)，则需要Lq/Ld较大，此外，在高速弱磁时，在此工况下需要Ld<Lq来获得一定的磁阻转矩；
2.3，频繁启停工况与重载爬坡工况一样，需要Ld>Lq，正常巡航工况与高速巡航工况一样需要Ld<Lq。
4.根据权利要求1所述的一种交直轴电感可变式永磁无刷电机的广域高效优化设计方法，其特征在于，步骤4的具体过程为：
第一层一段式弧形磁障(4)，第二层一段式弧形磁障(5)、第三层三段式弧形磁障(6)，第四层三段式弧形磁障(7)具有相同的圆心O1，圆心O1在交轴上，圆心O1所在圆的半径为R5，R5与转子外径R12的约束关系是R5＝1.15R12～1.25R12；第一层一段式弧形磁障(4)的内半径是R1，第二层一段式弧形磁障(5)的内半径是R2，第三层三段式弧形磁障(6)的内半径是R3，第四层三段式弧形磁障(7)的内半径是R4，需要满足的约束条件为：0.1R1≤R2≤0.18R1，0.15R1≤R3≤0.26R1，0.24R1≤R4≤0.38R1，0.32R1≤R5≤0.45R1；半椭圆形小磁障(8)的圆心O2落在q轴上，圆心O2所在圆的半径为R7，R7与转子外径R12的约束关系是R5＝1.05R12～1.1R12，半椭圆形小磁障(8)的半径是R6，R6与第一层一段式弧形磁障(4)的内半径R1的约束关系是R6＝0.35R1～0.65R1；半椭圆形大磁障(9)的圆心为O4，落在与q轴成22.5°的直线上，圆心O4所在圆的半径为R11，R11与转子外径R12的约束关系是R11＝1.35R12～1.55R12，半椭圆形大磁障(9)的半径是R10，R10与第一层一段式弧形磁障(4)的内半径R1的约束关系是R10＝0.15R1～0.25R1；弧形永磁体(3)的圆心为O3与O4在一条直线上，圆心O3所在圆的半径为R9，R9与R11的约束关系是R9＝0.76R11～0.89R11，弧形永磁体(3)的半径是R8，R8与R10的约束关系是R8＝1R10～1.06R10。
5.根据权利要求1所述的一种交直轴电感可变式永磁无刷电机的广域高效优化设计方法，其特征在于，步骤5的具体过程为：
步骤5.1，根据电机速度和负载扭矩图得到“重载爬坡”、“高速巡航”这两个典型工况的实际工作点；在两个工况范围内，根据工作点的密集程度，分别画出两个高密集运行范围，在其几何中心O1(0.5nrated,0.5Tmax)和O2(1.5nrated,0.3Tmax)处作为两个工况的代表点；nrated为转速，Tmax为最大转矩，在这两个工况代表点处，根据工况需求，选出电感特性，输出转矩、转矩脉动，铜耗，铁耗多个优化目标；
步骤5.2，基于遗传算法，分别对两个典型工况下参数进行优化，选取优值集合，取两个工况优值集合的交集作为优化后尺寸：
首先，分别对重载爬坡的参数α1,α2…αm(m为整数)，和高速巡航工况种的参数α1,α2…αn(n为整数)进行遗传算法优化，得到各自的优值集合，重载爬坡工况下，有优值集合(α1(a),α2(a)…αm(a))，(α1(b),α2(b)…αm(b)),…,(α1(k),α2(k)…αm(k))(k为整数)；高速巡航工况下，有优值集合(α1(a),α2(a)…αn(a)),(α1(b),α2(b)…αn(b)),…,(α1(h),α2(h)…αn(h))(h为整数)；取两个工况优值集合的交集作为优化后尺寸。
6.一种交直轴电感可变式永磁无刷电机，其特征在于，包括定子(1)，转子(2)和转轴(10)；转子(2)同轴位于定子(1)内部，转子(2)的中心用于安放转轴(10)，定子(1)和转子(2)均由相等厚度的硅钢片叠压而成，转轴(10)是由非导磁材料组成；转子(2)上沿圆周方向均匀固定镶嵌有若干对开口朝外的弧形永磁体(3)，相邻两极上的钕铁硼永磁体采用交替充磁方式，同一极上弧形永磁体(3)都采用切向充磁方向，每对的两段弧形永磁体(3)的充磁方向相同，相邻的两对弧形永磁体(3)的充磁方向相反；在相邻的两对弧形永磁体(3)之间的转子内部设有四层弧形磁障，分别是第一层一段式弧形磁障(4)，第二层一段式弧形磁障(5)，第三层三段式弧形磁障(6)和第四层三段式弧形磁障(7)，都开口朝向气隙且圆心都落在q轴上；第一层一段式弧形磁障(4)，第二层一段式弧形磁障(5)在转子中形成漏磁支路，得到定子电枢绕组d、q轴磁路与永磁体漏磁磁路的耦合设计，此外在转子外边缘设有圆心落在q轴的半椭圆形小磁障(8)和圆心落在d轴的半椭圆形大磁障(9)。
7.根据权利要求6所述的一种交直轴电感可变式永磁无刷电机，其特征在于，第三层三段式弧形磁障(6)和第四层三段式弧形磁障(7)具有相同的半径长度。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113489399A (zh) * 2021-06-04 2021-10-08 江苏大学 永磁无刷电机及其全工况功率因数最优设计、实现凸极率分布最优的方法
CN113489178A (zh) * 2021-07-12 2021-10-08 南京航空航天大学 广域运行的交替极型永磁辅助同步磁阻电机
CN114189071A (zh) * 2021-12-31 2022-03-15 江苏大学 高性能多变工况磁场可控永磁电机及其磁通导向设计方法、漏磁调控方法

Citations (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3506165B2 (ja) * 1996-01-19 2004-03-15 株式会社安川電機 ブラシレスモータ
CN101350586A (zh) * 2007-07-20 2009-01-21 奇瑞汽车股份有限公司 全数字交流电机控制中时间延迟补偿方法及其控制装置
CN102163901A (zh) * 2010-02-17 2011-08-24 通用汽车环球科技运作有限责任公司 内置式永磁电机
CN102185449A (zh) * 2011-02-23 2011-09-14 华北电力大学 三段圆弧磁极结构的自起动永磁电机
CN104253499A (zh) * 2014-09-19 2014-12-31 江苏大学 电动汽车用直轴磁场增强型宽调速永磁无刷电机
JP2015037331A (ja) * 2013-08-10 2015-02-23 株式会社ミツバ ブラシレスモータ
CN104600938A (zh) * 2013-12-25 2015-05-06 珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司 永磁电机
CN104638864A (zh) * 2015-02-16 2015-05-20 武汉华大新型电机科技股份有限公司 永磁电机及提高永磁电机转速的方法
WO2016002334A1 (ja) * 2014-07-02 2016-01-07 株式会社ミツバ 電動パワーステアリングシステム
CN205430015U (zh) * 2016-01-26 2016-08-03 华南理工大学 一种混合动力公交车起动用永磁磁阻电机
CN106026597A (zh) * 2016-07-11 2016-10-12 江苏大学 内置磁障式磁场增强型永磁无刷电机
CN106208450A (zh) * 2016-08-01 2016-12-07 哈尔滨工业大学 增磁式内置切向可调磁通电机
CN106712425A (zh) * 2017-03-09 2017-05-24 广东志高精密机械有限公司 一种用于压缩机的永磁式同步电动机
CN108233569A (zh) * 2016-12-15 2018-06-29 日本电产株式会社 转子及具有该转子的马达
CN108566005A (zh) * 2018-03-16 2018-09-21 珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司 转子结构、永磁辅助同步磁阻电机及电动汽车
CN108847731A (zh) * 2018-07-16 2018-11-20 武汉理工通宇新源动力有限公司 一种车用永磁同步电机转子结构及车辆
CN109038881A (zh) * 2018-08-30 2018-12-18 沈阳工业大学 一种少永磁体高性能永磁磁阻同步电机
CN110474507A (zh) * 2019-07-25 2019-11-19 江苏大学 一种多工况漏磁可控式宽调速高效率永磁无刷电机

Patent Citations (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3506165B2 (ja) * 1996-01-19 2004-03-15 株式会社安川電機 ブラシレスモータ
CN101350586A (zh) * 2007-07-20 2009-01-21 奇瑞汽车股份有限公司 全数字交流电机控制中时间延迟补偿方法及其控制装置
CN102163901A (zh) * 2010-02-17 2011-08-24 通用汽车环球科技运作有限责任公司 内置式永磁电机
CN102185449A (zh) * 2011-02-23 2011-09-14 华北电力大学 三段圆弧磁极结构的自起动永磁电机
JP2015037331A (ja) * 2013-08-10 2015-02-23 株式会社ミツバ ブラシレスモータ
CN104600938A (zh) * 2013-12-25 2015-05-06 珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司 永磁电机
WO2016002334A1 (ja) * 2014-07-02 2016-01-07 株式会社ミツバ 電動パワーステアリングシステム
CN104253499A (zh) * 2014-09-19 2014-12-31 江苏大学 电动汽车用直轴磁场增强型宽调速永磁无刷电机
CN104638864A (zh) * 2015-02-16 2015-05-20 武汉华大新型电机科技股份有限公司 永磁电机及提高永磁电机转速的方法
CN205430015U (zh) * 2016-01-26 2016-08-03 华南理工大学 一种混合动力公交车起动用永磁磁阻电机
CN106026597A (zh) * 2016-07-11 2016-10-12 江苏大学 内置磁障式磁场增强型永磁无刷电机
CN106208450A (zh) * 2016-08-01 2016-12-07 哈尔滨工业大学 增磁式内置切向可调磁通电机
CN108233569A (zh) * 2016-12-15 2018-06-29 日本电产株式会社 转子及具有该转子的马达
CN106712425A (zh) * 2017-03-09 2017-05-24 广东志高精密机械有限公司 一种用于压缩机的永磁式同步电动机
CN108566005A (zh) * 2018-03-16 2018-09-21 珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司 转子结构、永磁辅助同步磁阻电机及电动汽车
CN108847731A (zh) * 2018-07-16 2018-11-20 武汉理工通宇新源动力有限公司 一种车用永磁同步电机转子结构及车辆
CN109038881A (zh) * 2018-08-30 2018-12-18 沈阳工业大学 一种少永磁体高性能永磁磁阻同步电机
CN110474507A (zh) * 2019-07-25 2019-11-19 江苏大学 一种多工况漏磁可控式宽调速高效率永磁无刷电机

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
吴伟强; 朱孝勇; 项子旋; 全力: "少稀土组合励磁永磁无刷电机设计与分析", 《电机与控制应用》 *
沈建新，蔡顺，郝鹤，金孟加: "转子不均匀分布磁障的对比分析", 《微电极》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113489399A (zh) * 2021-06-04 2021-10-08 江苏大学 永磁无刷电机及其全工况功率因数最优设计、实现凸极率分布最优的方法
CN113489399B (zh) * 2021-06-04 2024-02-20 江苏大学 永磁电机及其全工况功率因数最优、凸极率分布最优方法
CN113489178A (zh) * 2021-07-12 2021-10-08 南京航空航天大学 广域运行的交替极型永磁辅助同步磁阻电机
CN113489178B (zh) * 2021-07-12 2022-04-15 南京航空航天大学 广域运行的交替极型永磁辅助同步磁阻电机
CN114189071A (zh) * 2021-12-31 2022-03-15 江苏大学 高性能多变工况磁场可控永磁电机及其磁通导向设计方法、漏磁调控方法
CN114189071B (zh) * 2021-12-31 2023-08-22 江苏大学 磁场可控永磁电机及其磁通导向设计方法、漏磁调控方法

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