首页
首页 >> 购车指引 >> 正文

高性能永磁同步电机的正向设计的三大核心问题

日期:2019-01-20 14:32:10 来源:互联网 编辑:小狐 阅读人数:432

电机设计分为对标设计和正向设计两条路子。对标设计就是在对标电机的基础上进行优化设计,会规避很多风险。但在没有对标品的情况下,或者我们和对标品的设计思想相差太大时,就不得不进行正向设计。

所谓正向设计就是从指标到方案的过程,我们这里作重讨论电磁设计。我认为正向设计需要解决三个关键性问题。

高性能永磁同步电机的正向设计的三大核心问题(图1)

一、技术路线·决定产品的基因

首先需要解决的问题就是技术路线问题,这个问题可大可小,大到公司中长期产品发展规划,小到一款电机的电磁方案选择。我们这里按小的来说,我们选择什么样的电磁方案,实际上是一个复杂的思辨过程。比如说我们的目标是降成本。那么我们需要思索走哪条技术路线。是走少磁的路线,还是少铜的路线。每一种路线又可以往下演绎成若干条技术分支,我们再跳到反面去思考这种技术路线的制约条件,比如是否有致命缺陷、是否对环境兼容。

高性能永磁同步电机的正向设计的三大核心问题(图2)

针对制约条件,我们需要制定应对策略。比如为了应对少稀土磁钢易退磁的缺陷,我们应该增加抗退磁设计、转子冷却等辅助技术策略。比如要解决集中绕组的NVH问题,我们需要新增辅助槽设计、齿顶修形等辅助策略。

最后我们会得到一组技术策略组,比如:集中绕组+辅助槽+齿顶修形,这就是我们选定的技术路线。这决定了我们后续设计的基调,它的潜力有多少,也基本上确定了。我们和其它产品的技术不是单一技术的竞争,而是技术策略组之间的竞争。

二、指标体系·认知世界的维度

评判指标体系很重要,这相当于规则标准,好的设计离不开一套好的指标体系。指标体系涵盖很多方面,有功效层面的、也有NVH、热层面,还有一些中间控制指标,比如电感、磁密、反电动势。

高性能永磁同步电机的正向设计的三大核心问题(图3)

如果说指标体系代表了理解世界的广度,那么构建出来的内外指标之间内在的,则代表了理解世界的深度。此处的关键是我们如何能够将的指标逐层分解,最后转换成可以实际工作的算法。

高性能永磁同步电机的正向设计的三大核心问题(图4)

以电机NVH设计问题为例,从侧我们能够获得的指标可能是噪音幅值的要求,但这个指标是抽象的,在正向设计时 如何将它逐层往下分解才是关键。从噪音落实到关键振动的强度要求,将振动转换成径向电磁力控制水平的要求,最后将电磁力转换成若干次磁密谐波的控制要求。如此将一个抽象的声学要求翻译成了电磁设计问题。这种翻译能力即需要具备全局的视野又要有抓主要矛盾的能力,是团队核心竞争力的体现。

三、迭代方法·设计效能的关键

所有的方案都是迭代出来的,因此迭代方法非常重要, 迭代的方法决定了设计效率、和设计水平。什么是好的迭代,我认为可以从两个角度去理解,第一个是迭代的顺序。

总的来说,迭代的过程和指标分解的过程是相反的,后者是自上往下的过程,而前者是自下往下的过程。好的迭代顺序,就是把底层的问题、能够快速解决的问题放到前面的环节去做,而把外层的问题,耗时的问题放到后面去做。我们仍然以电机NVH设计为例,我设计了一个迭代流程。

高性能永磁同步电机的正向设计的三大核心问题(图5)

抛开结构方面的因素,我们自上往下走,决定振动噪音的关键在电磁力,而决定电磁力的是负载下磁密谐波水平,而负载下磁密谐波水平和空载静磁场谐波水平又密切相关,再往前走一步:空载静磁场谐波水平又可以落实到定转子的结构设计上。因此最基础的问题还是磁极结构、槽形设计、绕组设计等。

现在我们可以设计迭代的顺序了,先用快速的方法计算基础的问题,比如我们用静磁场分析来判断空载气隙磁密,并加以迭代优化。以8极48槽电机为例,我们把容易引起24阶振动(以机械频率为基波)的五七次谐波 ,容易引起48阶振动的11、13次谐波作针对性优化。

在电源激励下、特别是在PWM电源激励下电磁力情况更复杂,计算的电磁力结果更真实,但其计算速度也更慢,如果放弃静磁场迭代,将电磁力判定标准完全放在瞬态场侧,将会使得迭代周期特别漫长,丧失速度优势。因此一个好的迭代顺序,必然是有先有后,按轻重缓急和难易程度将一个复杂问题分解成若干个迭代过程。

影响迭代效能的第二个因素是迭代速度和广度,人工建模的方法将无法满足要求,一是速度慢,二是人工寻优范围有限,不能寻到最优解。因此需要尽可能的让计算机完成建模和迭代的过程。这就需要两个关键技术,其一是参数化建模,其二是迭代优化算法。

以下图为例,对双V转子结构的磁密优化设计,涉及到参数非常多:包括双v的夹角、极弧、磁桥的厚度、长度、辅助槽的位置、大小等等,传统的人工建模寻优的方法远无法达到要求。必须引入参数化建模,参数化扫描、优化算法来解决问题。

高性能永磁同步电机的正向设计的三大核心问题(图6)

说明:通过参数化扫描,寻找双V气隙磁密正弦性最优解,共扫描了9477个方案。

总结:需求倒逼设计技术升级

新能源、机器人、伺服驱动等行业的快速发展,对电机的要求快速提高,催生了电机技术换代不断加速,这导致电机结构越来越复杂,设计维度不断提高,最终使得驾驭设计越来越困难。

这种态势下,对电机人来说,这是最坏的时代,也是最好的时代。所有的困难背后都是机遇,前提是我们要静下心来思索如何从宏观和微观两个角度提升我们的设计。

宏观上,我们需要反复辩证技术路线的选择,这涉及到我们的产品能发展到的上限。在微观上我们需要改善我们的迭代方法和迭代工具。不但如此我们还要在宏观和微观之间构建桥梁,将的指标转换成更底层的具体指标,转换成控制数学函数 ,使得自动迭代成为可能。

本文相关词条概念解析:

迭代

从项目的草稿版本开始,一直到最终版本结束,中途随着逐步完善而产生的各个版本称之为迭代。此举在于便于客户在项目周期中也能对最终产品心里有个数。迭代包括产生产品发布(稳定、可执行的产品版本)的全部开发活动和要使用该发布必需的所有其他外围元素。

网友评论
  • 欲取之先
    收入和物价同步上涨是否可以解决高房价的问题?你怎么看?
    2019-06-14 14:11 5
  • wwmmxx
    普拉多尤其以它卓越的性能、可靠性、通过能力获得充分的认可,也是在藏区各条道路上最常见到的车型
    2019-06-16 06:21 4
  • 小鱼_58
    造成以前中国飞机发动机性能落后的主要原因,是结构设计问题还是材料问题?
    2019-06-12 23:38 13
  • 无语的紫鸢
    荣耀V20的性能怎么样?玩大型手游有没有问题?
    2019-06-10 13:37 9
  • 隔壁老王他
    普拉多的越野性能怎么样?自驾进藏有没有问题?
    2019-06-13 17:47 45
  • m形同陌路
    因为这是两个概念,国家不会让物价飞涨,这样人心不稳,社会不稳定
    2019-06-12 12:22 29