一种谐波引导下的电动汽车V型磁场调制永磁电机的电磁振动抑制设计方法技术

本发明专利技术公开了一种谐波引导下的电动汽车V型磁场调制永磁电机的电磁振动抑制设计方法，包括：建立电机初始有限元模型，确定待优化设计的结构参数，并通过应力分析与机械强度校核确定结构参数的选取范围；对电机的径向电磁力进行解析推导，得到径向电磁力谐波阶次分布；分析主导电磁振动的径向电磁力谐波的气隙磁密谐波来源，进行结构参数对于关键磁密谐波的敏感度分析，根据对电磁振动的影响程度，对低阶径向电磁力进行优先级排序并对其幅值及电机转矩性能进行分层多目标优化，通过有限元模拟电机优化方案的电磁性能以及振动性能，根据设计方案进行样机加工并进行相关测试，进一步验证电机优化设计的有效性及可靠性。验证电机优化设计的有效性及可靠性。验证电机优化设计的有效性及可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种谐波引导下的电动汽车V型磁场调制永磁电机的电磁振动抑制设计方法


[0001]本专利技术属于电机设计领域，具体涉及一种谐波引导下的电动汽车磁场调制驱动电机电磁振动抑制设计方法。

技术介绍

[0002]磁场调制电机(FMPM)作为一种新型电机，其具有的低速大转矩的特性使其成为轮毂电机的潜在应用对象。在该类电机中，因其磁场调制原理的引入，打破了电枢磁场极对数与永磁体极对数必须相同的电机设计的准则，从而实现电机气隙磁场谐波的充分利用，从而为实现电动汽车直驱场合的高性能应用提供了可能。
[0003]为了实现电动汽车的乘坐舒适性，电动汽车驱动电机系统的振噪成为了不可忽视的问题。在电动汽车驱动电机研究领域中，如何实现驱动电机的减振降噪技术，成为了电动汽车电机设计领域的重要课题。例如中国专利公开号CN111193337B的文献公开的电动汽车内置式永磁驱动电机及其电磁振动削弱方法，通过转子磁极分段的方法削弱内置式永磁电机的齿槽转矩、齿谐波电动势和转矩脉动，从而削弱内置式永磁电机的电磁振动，但由于斜极或斜槽的方式增大了工业制造的难度与成本，在电机轴向长度较短时难以实现。中国专利公开号CN111697903B的文献公开一种同时抑制开关磁阻电机转矩脉动与振动的控制方法，实现控制方法的系统包括转速控制器、转矩
‑
径向力估算器、参考生成器和电流控制器，转矩径向力估算器采用转子位置切片函数拟合法，但由于双目标控制难以做到两全，该方法难以得到广泛应用。可以看出，当前对驱动电机振噪抑制方法的研究主要从结构优化角度和控制策略角度考虑。
[0004]可见，目前的电机减振优化设计未全面考虑，难以满足车用驱动电机低振动高可靠性的设计要求。因此，如何在保证基本电磁性能的前提下，抑制磁场调制驱动电机的电磁振动，仍然是车用磁场调制驱动电机发展亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有电机振动抑制设计的不足，提出一种新型谐波引导下的电动汽车V型磁场调制永磁电机的电磁振动抑制方法，将磁密谐波作为关键中间量，在保证电机基础电磁特性的同时，直接高效地降低其电磁振动，过程中采用多目标分层优化，提高了方法的实用性及普适性。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种谐波引导下的电动汽车V型磁场调制永磁电机的电磁振动抑制设计方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1)建立电机初始有限元模型，确定待优化设计的结构参数，并通过应力分析与机械强度校核确定结构参数的选取范围；
[0008]步骤2)对电机的径向电磁力进行解析推导，得到径向电磁力谐波阶次分布，明确主导电磁振动的低阶径向电磁力；
[0009]步骤3)分析主导电磁振动的径向电磁力谐波的气隙磁密谐波来源，同时考虑各气隙磁密谐波对转矩和转矩脉动的影响，选择出关键气隙磁密谐波；
[0010]步骤4)进行结构参数对于关键磁密谐波的敏感度分析，选取敏感结构参数；
[0011]步骤5)根据对电磁振动的影响程度，对低阶径向电磁力进行优先级排序并对其幅值进行分层优化，优化过程中同时兼顾其他电磁性能：其中：第一层优化的目标为一阶径向电磁力幅值，第二层优化的目标为二阶径向电磁力幅值、转矩、转矩脉动；
[0012]步骤6)通过有限元模拟电机优化方案的电磁性能以及振动性能，初步判断优化结果的有效性及可靠性；
[0013]步骤7)在通过有限元仿真对优化方案进行模拟及性能评估后，根据设计方案进行样机加工并进行相关测试，进一步验证电机优化设计的有效性及可靠性。
[0014]进一步，在所述步骤1)具体过程为：建立转子的3D结构模型，对转子进行应力分析，利用有限元法对其施加不同转速的旋转惯性载荷，得到的转子的应力分布，结构参数的取值需保证转子在不同旋转状态下产生的最大应力σ
max
小于其材料的屈服强度，即在满足电机不同运行条件的机械强度要求下确定每个的设计变量的初始范围。
[0015]进一步，在所述步骤3)中，关键磁密谐波的选取过程中，利用麦克斯韦应力张量法，考虑谐波对于转矩及转矩脉动的贡献率，提高后续多目标优化的准确性。
[0016]进一步，在所述步骤5)中，通过响应面优化的方式进行一阶径向电磁力优化。
[0017]进一步，在所述步骤5)中，通过MOGA多目标遗传算法进行二阶径向电磁力、转矩、转矩脉动的优化。
[0018]进一步，在所述步骤5)中，将二阶径向电磁力幅值F
r
、转矩T和转矩脉动T
r
作为变量目标，构建二阶径向电磁力幅值F
r
为最小、转矩T为最大、转矩脉动T
r
为最小的优化模型。
[0019]进一步，在所述步骤2)中，径向电磁力其中，B
r
(θ,t)是径向气隙磁密，B
t
(θ,t)是切向气隙磁密，幅值较小的切向气隙磁密B
t
(θ,t)通常在径向电磁力的计算中被忽略，θ是机械角度，t是时间，真空磁导率μ0＝4π
×
10
‑7。
[0020]进一步，所述的径向气隙磁密B
r
(θ,t)的展开式为：
[0021][0022]其中，分别是永磁体磁动势和电枢磁动势，i是一个极性为正的奇数，m是除三的倍数之外的整数，i和m分别是永磁磁场磁动势谐波阶次和电枢场磁动势谐波阶次，F
i
和F
m
分别是第i次永磁磁场磁动势谐波幅值和第m次电枢场磁动势谐波幅值，ω是电流角频率，ω＝ω
r
P
r
，P
r
是电机永磁体极对数，ω
r
是电机转子的机械转速，分别是考虑开槽效应的定子磁导和转子磁导，P
j
为定子磁导函数j次函数的幅值，P
k
为转子磁导函数k次谐波的幅值，j与k均是自然数，N
s
为电机定子调制齿的个数。
[0023]进一步，径向电磁力F
r
(θ,t)的展开式为：
[0024][0025]其中，为区别部分项，例如F
i
平方相乘后展开，式中i为i1和i2(μ1≠μ2)，j1和j2，k1和k2，m1和m2，同理，j为j1和j2，k为k1和k2，m为m1和m2。
[0026]进一步，在所述步骤3)中，关键磁密谐波的选取过程中，通过麦克斯韦应力张量法，考量各次气隙谐波分量对转矩及转矩脉动的影响：
[0027][0028][0029]其中，T
outq
为q次气隙谐波产生的电磁转矩，R为电机气隙的半径，l
ef
为电机轴长，B
rq
与B
tq
分别为q次谐波径向和切向的气隙磁密，θ
rq
和θ
tq
分别是q次谐波径向和切向的初始相位，T
qrip
是q次谐波产生的转矩脉动,T本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种谐波引导下的电动汽车V型磁场调制永磁电机的电磁振动抑制设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)建立电机初始有限元模型，确定待优化设计的结构参数，并通过应力分析与机械强度校核确定结构参数的选取范围；步骤2)对电机的径向电磁力进行解析推导，得到径向电磁力谐波阶次分布，明确主导电磁振动的低阶径向电磁力；步骤3)分析主导电磁振动的径向电磁力谐波的气隙磁密谐波来源，同时考虑各气隙磁密谐波对转矩和转矩脉动的影响，选择出关键气隙磁密谐波；步骤4)进行结构参数对于关键磁密谐波的敏感度分析，选取敏感结构参数；步骤5)根据对电磁振动的影响程度，对低阶径向电磁力进行优先级排序并对其幅值进行分层优化，优化过程中同时兼顾其他电磁性能：其中：第一层优化的目标为一阶径向电磁力幅值，第二层优化的目标为二阶径向电磁力幅值、转矩、转矩脉动；步骤6)通过有限元模拟电机优化方案的电磁性能以及振动性能，初步判断优化结果的有效性及可靠性；步骤7)在通过有限元仿真对优化方案进行模拟及性能评估后，根据设计方案进行样机加工并进行相关测试，进一步验证电机优化设计的有效性及可靠性。2.根据权利要求1所述的一种谐波引导下的电动汽车V型磁场调制永磁电机的电磁振动抑制设计方法，其特征在于，在所述步骤1)具体过程为：建立转子的3D结构模型，对转子进行应力分析，利用有限元法对其施加不同转速的旋转惯性载荷，得到的转子的应力分布，结构参数的取值需保证转子在不同旋转状态下产生的最大应力σ
max
小于其材料的屈服强度，即在满足电机不同运行条件的机械强度要求下确定每个的设计变量的初始范围。3.根据权利要求1所述的一种电动汽车内置式磁场调制驱动电机电磁振动抑制方法，其特征在于，在所述步骤3)中，关键磁密谐波的选取过程中，利用麦克斯韦应力张量法，考虑谐波对于转矩及转矩脉动的贡献率，提高后续多目标优化的准确性。4.根据权利要求1所述的一种谐波引导下的电动汽车V型磁场调制永磁电机的电磁振动抑制设计方法，其特征在于，在所述步骤5)中，通过响应面优化的方式进行一阶径向电磁力优化。5.根据权利要求1所述的一种谐波引导下的电动汽车V型磁场调制永磁电机的电磁振动抑制设计方法，其特征在于，在所述步骤5)中，通过MOGA多目标遗传算法进行二阶径向电磁力、转矩、转矩脉动的优化。6.根据权利要求1所述的一种谐波引导下的电动汽车V型磁场调制永磁电机的电磁振动抑制设计方法，其特征在于，在所述步骤5)中，将二阶径向电磁力幅值F
r
、转矩T和转矩脉动T
r
作为变量目标，构建二阶径向电磁力幅值F
r
为最小、转矩T为最大、转矩脉动T
r
为最小的优化模型。7.根据权利要求1所述的一种谐波引导下的电动汽车V型磁场调制永磁电机的电磁振动抑制设计方法，其特征在于，在所述步骤2)中，径向电磁力其中，B
...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱孝勇，白佳敏，项子旋，樊德阳，周雪，全力，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：