一种车用永磁同步电机设计方法技术

本发明专利技术提供了一种车用永磁同步电机设计方法，其不仅可以基于永磁同步电机的实际性能需求确定电机结构参数，如定子内径、转子外径、气隙长度、电枢计算长度等，还可以通过计算机仿真的方式模拟分析所设计永磁同步电机的输出性能，分析验证设计方法确定的电机结构参数并降低试验样机在性能输出量、动态特性和工作效率等方面不满足设计要求的可能性，从而降低永磁同步电机的设计成本、缩短其设计周期。

A Design Method of Permanent Magnet Synchronous Motor for Vehicle

【技术实现步骤摘要】
一种车用永磁同步电机设计方法
本专利技术涉及电机设计
，具体涉及一种车用永磁同步电机设计方法。
技术介绍
电机是新能源汽车动力系统的核心部件，其在需要充分满足汽车性能的同时，还应满足行驶过程中的舒适性、环境适应性和一次充电的续驶里程等性能，相应地，车用电机的设计相对于普通工业用电机更为严格的技术规范。传统的永磁同步电机设计理论和分析方法主要包括解析磁路分析法和有限元法等。解析磁路分析法以经典数学分析方法为基础，获得电机性能和设计参数之间的关系表达式，是一种快速有效的电机分析方法。但这种方法依赖经验值的选取和实验值的测量，很难获得精确的设计和分析结果。有限元法利用计算机电磁场数值计算对电机物理系统和结构进行分析计算的方法，然而永磁同步电机有限元模型的建立、设置和计算较为复杂，需要大量的时间。在某些现有技术中，如专利CN104716790A综合运用了解析磁路分析法和有限元数值分析法，针对已有的22KW永磁同步电机进行设计、优化、分析、验证，但对于电机输出性能的需求方面则缺乏考虑，因此可能造成实际使用中电机性能的浪费，无法兼顾永磁同步电机设计对准确性、快速性和高效性的需求，限制了永磁同步电机性能的进一步提升。此外，永磁同步电机的性能测试和评估大多是在设计、制造出样机后通过实际实验的方式进行的。若出现电机性能不满足设计要求的情况，还需重新设计、制造和实验，造成人力、物力的浪费和设计周期的延长。因此，如何根据车用电机实际性能需求开展设计，同时兼顾电机的输出性能，是本领域中亟待解决的问题。
技术实现思路
针对上述存在的问题，本专利技术提供了一种针对电机功率损耗的新能源汽车用永磁同步电机设计方法，其具体包括以下步骤：步骤一、确定电机的性能需求参数；步骤二、根据电机额定转矩和定子内径的关系，以及最大转矩和电枢计算长度的关系，根据所述性能参数确定电机定转子结构参数；步骤三、利用所述性能需求参数与所述电机定转子结构参数建立永磁同步电机功率损耗数学模型；步骤四、建立包含所述性能参数、电机定转子结构参数以及所述功率损耗数学模型的永磁同步电机系统动态仿真模型；步骤五、将由所述动态仿真模型得到的电机工作效率ηm与具有相同性能需求参数的电机实测工作效率进行比较，用于对所述动态仿真模型的精度进行验证，以及用于调整永磁同步电机参数；重复执行所述步骤二至步骤四，直至所述精度及所述永磁同步电机参数满足设计要求。进一步地，所述性能需求参数包括：电池直流电源电压、额定转矩、最大转矩、额定转速和极对数。进一步地，所述步骤二中确定电机定转子结构参数是通过电机额定转矩和定子内径的关系以及最大转矩和电枢计算长度的关系，具体包括：首先根据额定转矩和定子内径的关系确定电机定子内径Di1式中，Di1为定子内径，PN为额定功率，σ0为空载漏磁系数，KE为电势系数，p为极对数，KB为波形系数，Kdp为绕组系数，A为线负荷，b'm0为永磁体空载工作点假定值，Br为计算剩磁密度，Am为提供每极磁通的截面积，ηN为额定效率，为额定功率因数；随后根据最大转矩和电枢计算长度的关系最大转矩法确定电枢计算长度Lef：式中，Tmax为最大转矩，Bδ1为气隙磁密基波幅值；在根据实际情况和经验确定电机的气隙长度δ后，可以得出转子外径D2、定子铁心长度L1和转子铁心长度L2:进一步地，所述步骤三中建立的永磁同步电机功率损耗数学模型由铜损PCu、铁损PFe、杂散损耗Ps和机械损耗Pfw组成：PL＝PCu+PFe+Ps+Pfw，其中，PL表示电机功率损耗；所述铜损PCu是在计算定子绕组每相的直流电阻RDC后，通过下式得到：PCu＝mI2RDC式中，m为电机相数，I为电机的实际电流；所述铁损PFe是在忽略瞬间异常损耗后，计算磁滞损耗、涡流损耗得到：PFe＝KhfBβ+Kff2B2式中，Kh和Kf分别为磁滞损耗常数和涡流损耗常数，f为电机频率，B为磁链密度幅值，β为Steinmetz常数；所述杂散损耗Ps通过以下经验公式计算：式中，IN为电机额定电流，为电机额定功率时杂散损耗与额定功率PN的比值，可以通过经验选取；所述机械损耗Pfw是忽略轴承摩擦损耗后，计算转子和空气之间的风阻损耗得到的：式中，Cf为摩擦系数，ρ为空气密度，ωm为电机旋转角速度，R2为转子半径。进一步地，所述步骤四是基于MATLAB/Simulink软件建立永磁同步电机系统动态仿真软件模型。进一步地，所述步骤五具体包括根据精度对电机的气隙长度、磁滞损耗常数、电机额定功率时杂散损耗与额定功率的比值参数进行调整。通过上述本专利技术所提供的方法，不仅可以基于永磁同步电机的实际性能需求确定电机结构参数，如定子内径、转子外径、气隙长度、电枢计算长度等，还可以通过计算机仿真的方式模拟分析所设计永磁同步电机的输出性能，分析验证设计方法确定的电机结构参数并降低试验样机在性能输出量、动态特性和工作效率等方面不满足设计要求的可能性，从而降低永磁同步电机的设计成本、缩短其设计周期。附图说明图1为本专利技术的电机设计方法流程图图2为永磁同步电机系统动态仿真模型示意图图3为永磁同步电机实际效率图具体实施方式下面结合附图对本专利技术所提供的方法进行详细说明。如图1所示，本专利技术所提供的方法具体包括：步骤一、确定电机的性能需求参数；步骤二、根据电机额定转矩和定子内径的关系，以及最大转矩和电枢计算长度的关系，根据所述性能参数确定电机定转子结构参数；步骤三、利用所述性能需求参数与所述电机定转子结构参数建立永磁同步电机功率损耗数学模型；步骤四、建立包含所述性能参数、电机定转子结构参数以及所述功率损耗数学模型的永磁同步电机系统动态仿真模型；步骤五、将由所述动态仿真模型得到的电机工作效率ηm与具有相同性能需求参数的电机实测工作效率进行比较，用于对所述动态仿真模型的精度进行验证，以及用于调整永磁同步电机参数；重复执行所述步骤二至步骤四，直至所述精度及所述永磁同步电机参数满足设计要求。在本专利技术的优选实施例中，永磁同步电机的性能需求参数包括电池直流电源电压、电机额定转矩、最大转矩、额定转速和电机极对数。这些性能参数可以根据预先设计要求给定或者依据新能源汽车行驶工况的需求进行动力匹配得到。在本专利技术的优选实施例中，定转子结构参数包括定子内径、转子外径、气隙长度、电枢计算长度、定子铁心长度、转子铁心长度等，其中定子内径和电枢计算长度分别通过电机额定转矩和定子内径的关系公式以及最大转矩和电枢计算长度的关系公式得到，气隙长度是通过经验进行选择，而转子外径、定转子铁心长度则是根据已确定的定子内径、电枢计算长度和气隙长度计算得到。在本专利技术所提供的方法中，基于上述提出的性能参数确定电机的定子和转子结构参数是重要的部分。在此过程中，电机额定转矩和定子内径的关系公式以及最大转矩和电枢计算长度的关系公式具有重要作用。通过经验选择一些波形系数、绕组系数、线负荷、永磁体空载工作点假定值等参数后，永磁同步电机的定子内径和电枢计算长度分别可以根据电机额定转矩和定子内径的关系公式以及最大转矩和电枢计算长度的关系公式确定。1.定子内径为了满足新能源车辆布局的空间限制和轻量化，以及驱动电机的高功率密度和高转矩密度的设计要求，永磁同步电机的定子内径不能直接参考现有异步电机的定子内径得到。根据永磁同步电机设计的基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种车用永磁同步电机设计方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤一、确定电机的性能需求参数；步骤二、根据电机额定转矩和定子内径的关系，以及最大转矩和电枢计算长度的关系，根据所述性能参数确定电机定转子结构参数；步骤三、利用所述性能需求参数与所述电机定转子结构参数建立永磁同步电机功率损耗数学模型；步骤四、建立包含所述性能参数、电机定转子结构参数以及所述功率损耗数学模型的永磁同步电机系统动态仿真模型；步骤五、将由所述动态仿真模型得到的电机工作效率ηm与具有相同性能需求参数的电机实测工作效率进行比较，用于对所述动态仿真模型的精度进行验证，以及用于调整永磁同步电机参数；重复执行所述步骤二至步骤四，直至所述精度及所述永磁同步电机参数满足设计要求。

【技术特征摘要】
1.一种车用永磁同步电机设计方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤一、确定电机的性能需求参数；步骤二、根据电机额定转矩和定子内径的关系，以及最大转矩和电枢计算长度的关系，根据所述性能参数确定电机定转子结构参数；步骤三、利用所述性能需求参数与所述电机定转子结构参数建立永磁同步电机功率损耗数学模型；步骤四、建立包含所述性能参数、电机定转子结构参数以及所述功率损耗数学模型的永磁同步电机系统动态仿真模型；步骤五、将由所述动态仿真模型得到的电机工作效率ηm与具有相同性能需求参数的电机实测工作效率进行比较，用于对所述动态仿真模型的精度进行验证，以及用于调整永磁同步电机参数；重复执行所述步骤二至步骤四，直至所述精度及所述永磁同步电机参数满足设计要求。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述性能需求参数包括：电池直流电源电压、额定转矩、最大转矩、额定转速和极对数。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤二中确定电机定转子结构参数是通过电机额定转矩和定子内径的关系以及最大转矩和电枢计算长度的关系，具体包括：首先根据额定转矩和定子内径的关系确定电机定子内径Di1式中，Di1为定子内径，PN为额定功率，σ0为空载漏磁系数，KE为电势系数，p为极对数，KB为波形系数，Kdp为绕组系数，A为线负荷，b'm0为永磁体空载工作点假定值，Br为计算剩磁密度，Am为提供每极磁通的截面积，ηN为额定效率，为额定功率因数；随后根据最大转矩和电枢计算长度的关系最大转矩法确定电枢...

【专利技术属性】
技术研发人员：何洪文，魏东，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11