车用永磁同步电机永磁体涡流损耗全工作域快速准确计算方法研究

The aim of this research is to develop an accurate and computationally efficient method for mapping permanent magnet (PM) power loss within field- orientated controlled brushless AC PM machines over a wide range of operating conditions. The analytical method, numerical method and experimental method will be adopted to investigate the influencing mechanism of the machine topology and control parameters, e.g., fundamental frequency, carrier frequency, quadrature-axis current, direct-axis current on PM power loss generation. The different computational models for different machine topologies within different operating regions will be established and the selecting method of typical operating points for numerical analysis will be established. Meanwhile, the mechanism of calculation error due to saturation and end-effect will be investigated and the compensation method will be established accordingly. At last, a novel experimental approach i.e., partial thermal network will be adopted to validate the accuracy of the proposed PM power loss mapping approach. This research will make a great contribution to the design theory of brushless AC PM machines for electric vehicle application and optimization of machine design.

针对目前尚无快速准确的车用永磁同步电机永磁体涡流损耗全工作域计算方法这一问题，本项目拟采用解析方法、数值方法及实验方法等手段结合的方式进行永磁体涡流损耗全工作域快速准确计算方法研究,探究不同拓扑结构（表贴式、内置式）车用永磁同步电机在不同工作区域（恒转矩区、恒功率区）控制相关变量（dq轴电流、基波频率、载波频率等）对转子永磁体涡流损耗的影响规律。在此基础上建立不同拓扑结构永磁同步电机在不同工作区域以控制相关变量为输入的永磁体涡流损耗计算模型和数值计算特征工作点选取方法，并对磁场饱和计算误差补偿方法和端部效应计算误差补偿方法进行全面研究，形成适用于不同拓扑结构车用永磁同步电机的快速、准确、全面的永磁体涡流损耗全工作域计算方法体系，完善车用永磁同步电机设计理论以及为电机优化设计提供新的思路。此外，本项目提出一种比较新颖的部分热阻网络法来实验验证该计算方法的准确性。

由于使用于车辆驱动这个负载变化剧烈、调速范围宽的场合，传统电机设计阶段或者使用阶段不受重视，甚至忽略的一些问题正逐渐变得不可忽视，转子永磁体涡流损耗正是其中之一。针对目前尚无快速准确的车用永磁同步电机永磁体涡流损耗全工作域计算方法这一问题，本项目研究了不同结构参数、控制参数以及槽口效应、电枢反应对永磁同步电机永磁体涡流损耗的影响，探究车用永磁同步电机在不同工作区域（恒转矩区、恒功率区）控制相关变量（dq轴电流、基波频率、载波频率等）对转子永磁体涡流损耗的影响规律。在此基础上建立永磁同步电机在不同工作区域以控制相关变量为输入的永磁体涡流损耗计算模型和数值计算特征工作点选取方法。针对内置式永磁同步电机永磁体涡流损耗较小的特点，提出了磁网络法计算永磁体涡流损耗，该方法与有限元方法计算结果具有良好吻合性，同时提高了计算效率。近年来轴向磁通电机在电动车辆轮毂电机的应用越来越广泛，为了符合行业发展态势，课题组对轴向磁通电机永磁体涡流损耗计算及其抑制展开了研究。本项目针对不同拓扑结构永磁同步电机形成了快速、准确、全面的永磁体涡流损耗全工作域计算方法体系。本项目通过基于集中参数热网络模型对电机转子永磁体进行了热分析，在美国UDDS车辆循环行驶工况下，运用本项目所提出的方法对车用永磁同步电机永磁体涡流损耗进行了预测计算，证明该方法在实际电机设计流程中的有效性和实用性。此外，本项目加工了样机并进行了实验，采用反电势法测量永磁体涡流损耗，与现有解析方法和三维有限元方法进行了对比。结果表明本项目所提出的方法和三维有限元、实测值都有很好吻合性，但计算时间大幅度缩减，验证了本项目方法的快速性和准确性。本项目研究成果完善新能源汽车用永磁同步电机设计理论，为进一步研究出其他新型拓扑结构电机全工作域各损耗计算奠定了基础。同时为电机优化设计提供新的思路，精简了实际电机设计流程，提高了设计效率。