电动汽车用双层永磁体IPMSM解析与优化设计

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.08.002

摘要/Abstract

摘要：

为准确快速地获取气隙磁密波形，采用等效磁路法对双层永磁体结构内置式永磁同步电机（IPMSM）气隙磁场进行了解析计算。考虑到定子开槽效应的影响，利用改进的卡特系数修正气隙长度。为降低气隙磁通密度波形畸变率和转矩脉动，引入了一种Taguchi方法对电机铁心进行多目标快速优化设计分析。利用有限元仿真分析与数值计算，阐述了双层永磁体IPMSM多变量和多目标优化设计过程。分析表明，优化后的双层永磁体IPMSM输出转矩提升2%，转矩脉动减少2.77%，空载气隙磁密谐波畸变率降低4.28%。试制样机验证了有限元的可靠性和理论分析的有效性。

关键词: 永磁同步电动机, 气隙磁场, 多目标优化, Taguchi法, 样机实验

Abstract:

In order to accurately and quickly obtain the air?gap flux density waveform， the equivalent magnetic circuit method is used to analyze and calculate the air?gap magnetic field of the inter permanent magnet synchronous machine （IPMSM） with a double?layer permanent magnet structure. Considering the influence of the stator slotting effect， the air?gap length is corrected by the improved Carter coefficient. To reduce waveform total harmonics distortions （THD） of air?gap magnetic flux density and torque ripple， a Taguchi method is introduced for multi?objective fast optimization design analysis for the motor cores. The multivariable and multi?objective optimization design process of IPMSM with a double?layer permanent magnet structure is described using finite element simulation analysis and numerical calculation. The analysis shows that the output torque of the optimized double?layer IPMSM is improved by 2%， the torque ripple is reduced by 2.77%， the no?load air?gap magnetic density harmonic distortion rate is reduced by 4.28%. The experiments of the prototype have verified the reliability of the finite element and the validity of the theoretical analysis.

Key words: permanent magnet synchronous machine, air?gap magnetic field, multi?objective optimization, Taguchi method, prototype experiment

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图/表 22

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

表 1

电机优化因子及水平等级编码"

参数	$B s 0$ /mm	$O 2$ /mm	$R i b$ /mm
水平1	1.6	40	9
水平2	2.0	42	11
水平3	2.4	44	13
水平4	2.8	46	15

表 1

表 2

正交表及有限元计算结果"

实验数量	实验矩阵编码	$T a$ /（N?m）	$T r$ /%	空载气隙磁密THD/%
1	111	424.413 9	8.81	24.20
2	122	431.614 7	6.89	18.44
3	133	438.207 5	6.74	18.68
4	144	441.859 0	6.16	20.43
5	212	428.302 2	7.82	19.52
6	221	428.027 4	8.02	19.91
7	234	440.367 3	6.96	20.80
8	243	439.609 3	5.99	19.93
9	313	431.865 5	7.40	21.04
10	324	437.482 5	6.93	21.83
11	331	430.322 4	8.29	21.14
12	342	435.261 6	7.01	21.10
13	414	433.917 4	7.42	23.51
14	423	434.261 7	6.86	22.36
15	432	432.587 8	7.29	22.20
16	441	431.738 5	8.76	23.13

表 2

表 3

分析结果平均值"

参数	$T a ? ˉ$ /（N·m）	$T r ? ˉ$ /%
平均值	433.74	7.35

表 3

表 4

各个水平等级性能指标平均值"

参数	$B s 0$ /mm		$O 2$ /mm		$R i b$ /mm
参数	$T a m$	$T k r$	$T a m$	$T k r$	$T a m$	$T k r$
水平1	434.0	7.23	429.6	7.86	428.6	8.47
水平2	434.1	7.20	432.8	7.20	431.9	7.25
水平3	433.7	7.40	435.4	7.32	436.0	6.75
水平4	433.1	7.58	437.1	7.04	438.4	6.90

表 4

图 9

图 10

表 5

影响因子的方差和影响程度"

参数	$T a$		$T r$
参数	SS	FF/%	SS	FF/%
$B s 0$	2.404 8	0.673	0.369 2	4.02
$O 2$	128.273 6	35.91	1.518 4	16.51
$R i b$	226.513 6	63.42	7.307 6	79.47

表 5

图 11

图 12

表 6

双层IPMSM主要尺寸参数"

参数	数值	参数	数值
额定功率/kW	70	额定电压/V	380
峰值转矩/（N·m）	430	定子外径/mm	300
额定转矩/（N·m）	220	定子内径/mm	192
额定转速/（r·min^-1）	3 000	联接方式	Y
气隙长度/mm	1	矫顽力/（kA·m^-1）	915
每槽导体数	10	剩磁/T	1.266
$w m 1$ /mm	13.9	$α / (o)$	16
$h m 1$ /mm	3.1	$β / (o)$	18
$w m 2$ /mm	30.3	$γ / (o)$	33
$h m 2$ /mm	4	$δ / (o)$	37
$a 1$ /mm	0.8	$a 2$ /mm	0.8

表 6

图 13

图 14

图 15

图 16

参考文献 16

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