开关磁阻电驱动系统机电控协同设计

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2024.08.012

摘要/Abstract

摘要：

提出一种高性能开关磁阻电驱动系统的高效正向协同设计方法，来提高开关磁阻电驱动系统的功率密度，同时降低汽车在典型循环行驶工况下的损耗。首先，建立开关磁阻电机动态转矩模型和径向力模型；然后，建立开关磁阻电机损耗模型，并结合齿轮传动系统损耗模型形成电驱动系统损耗模型，用于典型循环行驶工况下电驱动系统损耗的计算。最后，以机械、电气和控制参数为协同设计变量，以系统的循环行驶工况损耗、质量和转矩波动与径向力脉动为优化目标，采用了双层嵌套优化方法进行优化设计。基于上述方法对12/8级开关磁阻电驱动系统进行优化设计，经协同优化设计后的开关磁阻电驱动系统总质量减轻了19.76%；CLTC-P典型循环工况的系统总损耗减少了42.45%；系统综合效率提升7.66%。

关键词: 纯电动汽车, 开关磁阻电驱动系统, 机电控参数, 协同设计

Abstract:

In this paper， an efficient forward collaborative design method for high-performance switched reluctance electric drive systems is proposed to enhance the power density and reduce vehicle loss under typical driving cycle conditions. Firstly， dynamic torque and radial force models of the switched reluctance motor are established. Subsequently， a loss model is developed for both the motor and the electric drive system by incorporating the gear transmission system's loss model to evaluate overall loss during typical driving cycle conditions. Finally， using mechanical， electrical， and control parameters as co-design variables and taking cycle loss， mass， torque fluctuation， and radial force fluctuation as optimization objectives， a double-layer nested optimization method is employed to optimize the design. Based on this approach， an optimized 12/8 grade switched reluctance electric drive system achieves a 19.76% reduction in total weight after collaborative optimization design. Moreover， under typical cycle conditions （CLTC-P）， the total system loss decreases by 42.45%， while overall system efficiency increases by 7.66%.

Key words: pure electric vehicles, switched reluctance electric drive system, electromechanical control parameters, collaborative design

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图/表 20

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参考文献 16

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损耗类型	本方法/W	有限元法/W	误差/%
铁耗	244.14	238.98	2.16
铜耗	54.12	55.91	3.31

分类	设计变量
开关磁阻电机	线圈匝数
	铁芯堆叠长度
	定、转子外径
	定、转子内径
	定、转子轭高
	定、转子极宽
	轴径
	气隙宽度
	硅钢片厚度
齿轮传动系统	主、从动轮齿数
	模数
	齿宽系数
	螺旋角
	压力角
控制策略参数	开通角
	关断角
	相电流控制参考值

电机设计参数	协同设计结果	齿轮传动系统设计参数	协同设计结果
线圈匝数	21	单挡减速器齿轮模数/mm	2.75
铁芯堆叠长度/mm	282.00	单挡减速器小齿数	19
定子外径/mm	325.24	单挡减速器大齿数	76
转子外径/mm	185.18	单挡减速器齿轮齿宽系数	0.38
定子内径/mm	188.00	单挡减速器齿轮螺旋角/（?）	9.53
转子内径/mm	133.48	单挡减速器齿轮压力角/（?）	25.64
定子轭高/mm	21.15	主减速器齿轮模数/mm	3.22
转子轭高/mm	22.09	主减速器小齿数	23
定子极宽/mm	26.32	主减速器大齿数	78
转子极宽/mm	26.79	主减速器齿轮齿宽系数	0.43
轴径/mm	89.30	主减速器齿轮螺旋角/（?）	9.87
硅钢片厚度/mm	0.31	主减速器齿轮压力角/（?）	24.33

指标类型	初始设计	协同设计
SRM质量/kg	95.05	85.91
齿轮传动系统质量/kg	96.35	67.67
系统总质量/kg	191.40	153.58
最大功率密度/（kW·kg^-1）	0.30	0.37
系统总损耗/J	1.776×10⁶	1.022×10⁶
系统效率/%	79.24	86.90

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