本发明专利技术公开一种基于电热双向耦合的磁通切换外转子电机的设计方法，利用二维有限元模型和三维温度场模型，建立电磁场温度场的多物理场联合仿真模型，考虑到温度对电机材料的影响导致温度对电机驱动性能的影响，尤其是温度对永磁磁钢材料的影响，引入电热双向耦合分析方法，通过反复迭代反馈分析得到传统设计方法忽略的温度因素所带来的影响；在设计过程中与电机的结构参数相关联，利用双向耦合分析得到修正因子，以补偿温度对电机驱动性能所带来的影响，通过获得的修正因子来优化电机的定子内径和定子极弧系数，从而修改电机尺寸，使电机运行在复杂工况也能满足要求。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于磁通切换电机
，具体是基于电热双向耦合的磁通切换外转子 电机的优化设计方法。
技术介绍
驱动电机是电动车的关键动力部件之一，其性能的优劣直接影响整车的驱动性 能，要求其具体高功率密度、高转矩密度、高效率以及宽调速范围等性能，以满足电动汽车 频繁加减速、爬坡、高速巡航等不同工况的运行要求。磁通切换永磁电机被应用在电动汽车领域中，磁通切换永磁电机相邻定子之间嵌 有切向交替充磁的永磁磁钢，一方面，通过聚磁效应实现了较高的转矩和功率密度，另一方 面，与传统永磁无刷电机相比，其转子上既无永磁磁钢也无绕组，使得电机结构简单，适合 高速运行的同时又有利于散热，能满足电动汽车频繁加减速、重载爬坡、高速续航等不同运 行工况的要求。中国专利号201310173635. 7的文献中提出了一种六相磁通切换型永磁电 机，转子结构与开关磁阻电机相似，无绕组无永磁磁钢，仅由硅钢片叠压形成，保留了普通 三相磁通切换型电机高功率密度和高效率的固有特点，由于采用六相绕组的特殊设计，相 比三相电机在同等功率等级要求下对功率变换器的要求有所降低，使得影响较大的空间谐 波次数增大，且幅值下降，进而降低了转矩脉动的幅值。中国专利号201410781916. 5的文 献中提出了一种适用于增程式电动汽车的磁通切换永磁电机，内外转子均为凸极结构，定 子铁芯采用Η形模块化设计，定子中嵌入交替切向充磁的永磁磁钢，电枢绕组至于定子槽 中；该电机相比传统的单层气隙磁通切换具有更高的转矩和功率密度；由于存在内外两层 气隙，使得该电机可以有效地将传统磁通切换电机定子齿的过饱和部分的永磁磁能转换为 外磁场，从而可以降低定子齿的饱和程度，还能有效的提高电机的转矩输出能力和提高电 机的功率密度。但是，上述两种电机均建立在传统设计方法的基础之上。所谓传统设计方 法是指在设计过程中，电机的输出功率、平均输出转矩等电机性能是在只考虑到环境室温 情况下而进行设计得出的。然而，随着电动汽车的急速发展，电动汽车的运行环境越来越 恶劣，例如频繁急加速、重载爬坡等工况，较大的电枢电流会使得绕组温度在短时间内快速 升高，同时，电机中永磁磁钢的工作性能对温度十分敏感，温度上升会使永磁磁钢工作点偏 移，甚至会造成永磁磁钢的不可逆退磁，最终导致电机驱动性能下降。 因此，如何获得一种考虑温度对电机驱动性能的影响的电机设计方法成为当前电 动汽车领域中亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决现有电机在设计时未考虑温度对驱动性能影响的问题，提 供一个，引入电热双向耦合分析方法 以补偿温度对电机驱动性能所带来的影响，满足电动汽车的驱动性能要求。 为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：选定电机的输出功率Ρ2、额定功率Ρ、 额定转速n、电机效率ri、电机轴长la、定子极数ps、转子极数b、电机漏磁系数kd、斜槽系数ks、电机线负荷1及气隙磁通密度最大值Bg _这些参数；计算出电机的初始定子极弧系数 Cs、初始转子极弧系数Cp初始永磁体极弧cpm、初始定子槽口极弧Cslc]jp初始定子内径Dsi; 利用Maxwell软件建立电机的环境温度下的二维电磁场模型，利用Maxwell软件仿真出电 机的平均输出转矩!《、铁芯损耗PFe和永磁磁钢涡流损耗P并计算出铜耗I\u，其特征是还 包括以下步骤： A、结合Fluent软件建立三维温度场模型，将铁芯损耗PFe、永磁磁钢涡流损耗匕和 铜耗1^导入到三维温度场模型，仿真得到电机运行达到稳定时的温度Tn; B、计算出电机在温度为1；时刻下的剩余磁通密度MTn)和为内禀矫顽力H" (Tn)， 更新环境温度下的永磁磁钢退磁曲线，获得电机在温度！；下的永磁磁钢退磁曲线，将更新 后温度Τη下的永磁磁钢退磁曲线数据反馈到所述二维电磁场模型，获得温度Τη下的二维电 磁场模型； C、利用Maxwell软件仿真出电机在温度Τη下的平均输出转矩Teni(Tn)、铁芯损耗 PMTn)、永磁磁钢涡流损耗P$n)并计算出铜耗P^Tn)，将铁芯损耗PMTn)、永磁磁钢涡流损耗 P$n)和铜耗Ρ^Τη)导入到三维温度场模型中，得到电机运行达到稳定时的温度Tn+1; D、比较温度T，Tn+1，当不满足条件|Tn-Tn+1|彡。时，。是温度设计精度，则更 新温度!；下的永磁磁钢退磁曲线，获得电机在温度Tn+1下对应的永磁磁钢退磁曲线，再得到 温度Tn+1下对应的平均输出转矩ΤΜση+1)、铁芯损耗PMTn+1)、永磁磁钢涡流损耗Ι\ση+1)和铜耗 Ρ^η+1)、并再次导入到三维温度场模型中，得到电机运行达到稳定时的温度τη+2，再将温度 τη+2进行比较，如此循环直至满足条件；当满足条件|τη-τη+1|彡。时，则先仿真出电机在温 度τη+1下的平均输出转矩ΤΜση+1)，再判断平均输出转矩1；"^+1)是否等于平均输出转矩τΜ，n^DjPC=m2cs修正所述初始定子内径Dsi和所述初始定子极弧系数cs，得到优化后 的定子内径Dsia(;mpdP定子极弧系数csa(;mp)，mJPm2分别为优化后的定子内径Dsia(;mp)和定 子极弧系数cs(temp)的修正系数，k=m' ·m2。 在得到优化后的定子内径Dsiaanp)和定子极弧系数Csaanp)后，计算出优化后的平均 输出转矩TM(temp): 在得到优化后的平均输出转矩ΤΜαΜρ)之后，对初始转子极弧系数q和初始永磁磁 钢极弧cpm进行优化为：，.（^是最终转子极弧系数，c_是最终永磁磁钢 极弧。 本专利技术采用上述技术方案后具有的有益效果是： 1、本专利技术考虑到温度对电机材料的影响导致温度对电机驱动性能的影响，尤其是 对永磁磁钢材料的影响，引入电热双向耦合分析方法，通过反复迭代反馈分析得到传统设 计方法忽略的温度因素所带来的影响。利用双向耦合分析可以得到修正因子，其作用是补 偿温度对电机驱动性能所带来的影响，以解决传统设计方法中忽视温升对电机驱动性能所 带来的影响以至于不能满足电动汽车的驱动性能要求的问题，使电机运行在复杂工况也能 满足要求。 2、本专利技术在设计过程中与电机的结构参数相关联，通过获得的电机的修正因子来 优化电机的定子内径和定子极弧系数，从而修改电机尺寸，通过结合设计所需的电机驱动 性能的要求和材料成本，得到考虑温度因素最优的电机设计。 3、本专利技术利用二维有限元模型和三维温度场模型，建立电磁场-温度场的多物理 场联合仿真模型，利用有限元可以缩短设计时间、降低设计成本、提高计算精确度，具有设 计简单、操作简单、工作效率高等优点。 4、本专利技术利用双向耦合的多物理场联合仿真方法，可以实时计算出不同工况下电 机的驱动性能。【附图说明】 下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明。 图1是磁通切换外转子电机的径向截面结构示意图； 图2是基于电热双向耦合的磁通切换外转子电机的设计流程图； 图3是在20°C温度下永磁磁钢的内禀退磁曲线； 图4是本专利技术与传统设计方法设计的平均输出转矩对比较图； 图5是用本专利技术方法设计的电机的平均输出转矩图。 图中：1.转子；2.定子；3.电枢绕组；4.非导磁转轴；5.永磁磁钢。【具体实施方式】 如图1所不，三相12/22极磁通切换外转子电机的结构为：由转本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于电热双向耦合的磁通切换外转子电机的设计方法，选定电机的输出功率P2、额定功率P、额定转速n、电机效率η、电机轴长la、定子极数ps、转子极数pr、电机漏磁系数kd、斜槽系数ks、电机线负荷As及气隙磁通密度最大值Bg max这些参数；计算出电机的初始定子极弧系数cs、初始转子极弧系数cr、初始永磁体极弧cpm、初始定子槽口极弧cslot和初始定子内径Dsi；利用Maxwell软件建立电机的环境温度下的二维电磁场模型，利用Maxwell软件仿真出电机的平均输出转矩Tem、铁芯损耗PFe和永磁磁钢涡流损耗Pe，并计算出铜耗Pcu，其特征是还包括以下步骤：A、结合Fluent软件建立三维温度场模型，将铁芯损耗PFe、永磁磁钢涡流损耗Pe和铜耗Pcu导入到三维温度场模型，仿真得到电机运行达到稳定时的温度Tn；B、计算出电机在温度为Tn时刻下的剩余磁通密度Br(Tn)和为内禀矫顽力Hci(Tn)，更新环境温度下的永磁磁钢退磁曲线，获得电机在温度Tn下的永磁磁钢退磁曲线，将更新后温度Tn下的永磁磁钢退磁曲线数据反馈到所述二维电磁场模型，获得温度Tn下的二维电磁场模型；C、利用Maxwell软件仿真出电机在温度Tn下的平均输出转矩Tem(Tn)、铁芯损耗PFe(Tn)、永磁磁钢涡流损耗Pe(Tn)并计算出铜耗Pcu(Tn)，将铁芯损耗PFe(Tn)、永磁磁钢涡流损耗Pe(Tn)和铜耗Pcu(Tn)导入到三维温度场模型中，得到电机运行达到稳定时的温度Tn+1；D、比较温度Tn和Tn+1，当不满足条件|Tn‑Tn+1|≤σ时，σ是温度设计精度，则更新温度Tn下的永磁磁钢退磁曲线，获得电机在温度Tn+1下对应的永磁磁钢退磁曲线，再得到温度Tn+1下对应的平均输出转矩Tem(Tn+1)、铁芯损耗PFe(Tn+1)、永磁磁钢涡流损耗Pe(Tn+1)和铜耗Pcu(Tn+1)、并再次导入到三维温度场模型中，得到电机运行达到稳定时的温度Tn+2，再将温度Tn+2进行比较，如此循环直至满足条件；当满足条件|Tn‑Tn+1|≤σ时，则先仿真出电机在温度Tn+1下的平均输出转矩Tem(Tn+1)，再判断平均输出转矩Tem(Tn+1)是否等于平均输出转矩Tem，若不等于，则先计算得到转矩比例因子和修正因子然后经公式Dsi(temp)＝m1Dsi和cs(temp)＝m2cs修正所述初始定子内径Dsi和所述初始定子极弧系数cs，得到优化后的定子内径Dsi(temp)和定子极弧系数cs(temp)，m1和m2分别为优化后的定子内径Dsi(temp)和定子极弧系数cs(temp)的修正系数，k＝m21·m2。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：全力，周慧，朱孝勇，杜怿，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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