[发明专利]一种交直轴电感可变式永磁无刷电机及其广域高效优化设计方法

说明书

本发明公开了一种交直轴电感可变式永磁无刷电机及其广域高效优化设计方法，包括步骤1，通过多工况的永磁电机的磁路图获得交直轴电感之比；步骤2，当汽车处于不同工况时，通过交直轴电感之比的变化来使得电机分别满足对应工况下的转矩、调速范围、广域高效的需求；步骤3，设置交直轴电感可变式永磁无刷电机；步骤4，对转子磁障及弧形永磁体的尺寸大小进行初步优化，给出了初始尺寸和约束条件；步骤5，根据不同工况的需求对步骤4的初始转子磁障及弧形永磁体的尺寸进行综合优化。本发明使电机在结构简单的情况下获得比传统永磁无刷电机更高的综合效率，并且保证在轻载情况下具有较高的转矩密度等这些不同工况下的多目标需求。

技术领域

本发明属于永磁无刷电机技术领域，涉及一种交直轴电感可变式永磁无刷电机及其广域高效优化设计方法。

背景技术

近年来，电动汽车以其高效率、零排放等显著优点，已成为新能源汽车发展的主攻方向之一。与传统汽车类似，电动汽车同样需满足“市区道路、高速公路、乡村公路”等多种行驶环境，与此同时，又存在“频繁启停、加速、刹车、爬坡、高速巡航”等多个运行工况。这种复杂的行驶环境和多变的运行工况对电机及其驱动系统提出了更为苛刻的性能需求。

目前，永磁无刷电机以其高功率密度、高效率、高控制精度等优势，已在电动汽车电驱动系统中获得了广泛应用，然而，由于永磁电机的固有特性，永磁电机气隙磁场基本保持恒定，存在“调速范围较窄”，“高速弱磁区效率低”等不足，一定程度上制约了永磁电机在电动汽车驱动电机领域的大规模应用，同时也成为延缓电动汽车快速发展的诸多不利因素之一。中国专利号201510026381.5提出了一种混合励磁电机，通过调节电励磁绕组电流的大小和方向，能实现电机气隙磁场的灵活调节与控制，然而，过高的电密度对电机的冷却系统提出了严格的要求，在恒功率区域内，持续的电励磁铜耗对电机效率的影响颇大。中国专利号为201610537453.7的提出了一种磁场增强型永磁电机，通过在转子q轴磁路引入“空气磁障”，在d轴磁路增加“导磁桥”，从而获得与传统内置式永磁电机相反的电感特性(即L_dL_q)，使得其在恒转矩区利用了磁阻转矩，提高了带负载能力。但该类电机中，由于磁阻转矩利用率较低，仍然限制了其在高速区的带负载能力。

可见，目前的传统驱动电机几乎都是针对单一工况的性能要求进行设计改进来满足部分性能需求，一旦运行工况发生改变，容易出现低速爬坡能力不足，高速调速范围较窄、效率较低等问题，难以完全满足车用驱动电机负载变化所需的多工况要求，因此，研究与探索符合电动汽车多运行工况需求，兼具结构简单可靠，功率密度高、调速范围宽、广域高效等优点的永磁无刷电机及其控制技术，已成为车用驱动电机领域亟待解决的问题和主攻方向之一。

发明内容

本发明的主要内容是解决传统设计思路中仅考虑额定(单一)工况设计下的车用电机无法满足电动汽车实际多工况的运行要求，提出一种交直轴电感可变式永磁无刷电机及其广域高效优化控制方法，其关键在于根据工况需求，调节交直轴电流，控制漏磁路磁通，从而有效调节电机交直轴电感，以满足低速重载大转矩，高速巡航高效率等这些不同工况下的多目标需求。

为了实现上述目的，本发明方法采用的技术方案是：一种交直轴电感可变式永磁无刷电机的广域高效优化设计方法，包括步骤：

步骤1，通过多工况的永磁电机的磁路图获得交直轴电感之比；步骤2，当汽车处于不同工况时，通过交直轴电感之比的变化来使得电机分别满足对应工况下的转矩、调速范围、广域高效的需求；步骤3，在转子(2)内部设置有四层磁障，分别是第一层一段式弧形磁障(4)，第二层一段式弧形磁障(5)，第三层三段式弧形磁障(6)和第四层三段式弧形磁障(7)；在转子外边缘设有圆心落在q轴的半椭圆形小磁障(8)和圆心落在d轴的半椭圆形大磁障(9)；在第三层三段式弧形磁障(6)，第四层三段式弧形磁障(7)之间嵌入弧形永磁体(3)，弧形永磁体(3)在转子内均匀分布且弧口朝外设置；步骤4，对转子磁障及弧形永磁体的尺寸大小进行初步优化，给出了初始尺寸和约束条件；步骤5，根据不同工况的需求对步骤4的初始转子磁障及弧形永磁体的尺寸进行综合优化。