吳玉杰

（鄭州機(jī)電工程研究所，河南鄭州 450000）

目前內(nèi)置式永磁同步電機(jī)是現(xiàn)階段汽車現(xiàn)代化發(fā)展的重要發(fā)動機(jī)，但這種電機(jī)有一個較為突出的缺陷，即借助機(jī)電能量媒介轉(zhuǎn)換[1]。為此，在進(jìn)行電機(jī)設(shè)計期間和使用期間，必然存在電流過載而引發(fā)的發(fā)熱、退磁等問題[2]。機(jī)電液動力耦合是電動車進(jìn)行動力傳動的重要組成環(huán)節(jié)，借助控制器能夠保證車輛實現(xiàn)高效運行[3]。要實現(xiàn)對電機(jī)運行質(zhì)量、效率的調(diào)整，就必須結(jié)合機(jī)電液動力耦合器電磁的特征，對其結(jié)構(gòu)參數(shù)做出優(yōu)化處理，通過控制柱塞對磁路的影響，實現(xiàn)機(jī)電液動力耦合器電磁性能的提升，從而改善電機(jī)問題。

1 機(jī)電液耦合器電磁結(jié)構(gòu)有限元仿真

采用Maxwell 電磁場有限元分析進(jìn)行機(jī)電液耦合器電磁結(jié)構(gòu)的仿真處理。在對電機(jī)進(jìn)行設(shè)計期間，電感與磁鏈作為能夠體現(xiàn)電機(jī)性能參數(shù)的主要指標(biāo)，其不僅受電磁耦合、結(jié)構(gòu)尺寸以及非線性材料的影響，同時伴隨著電機(jī)運行空間、時間等方面的改變，電感的變化能夠更為準(zhǔn)確地判斷電機(jī)的復(fù)雜磁場狀態(tài)。根據(jù)仿真模型，磁力線經(jīng)由N 極出發(fā)在到達(dá)S 極后即可形成閉合回路，氣隙以及磁橋部位漏磁情況相對有限[4]。同時，在受到柱塞腔的影響下，導(dǎo)致q軸磁路狹窄，磁阻迅速增大，故而導(dǎo)致電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩較小，嚴(yán)重影響弱磁性能。

2 確定優(yōu)化目標(biāo)和優(yōu)化變量

結(jié)合仿真模型分析結(jié)果，確定機(jī)電液耦合器電磁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，關(guān)鍵就是解決q軸磁路的結(jié)構(gòu)參數(shù)增大凸極率，從而實現(xiàn)對輸出電磁轉(zhuǎn)矩的提升。

在機(jī)電液耦合器進(jìn)行大轉(zhuǎn)矩運作時，可觸發(fā)柱塞泵工作，經(jīng)由斜盤旋轉(zhuǎn)引發(fā)轉(zhuǎn)子內(nèi)柱塞軸進(jìn)行往復(fù)運動，將液壓能轉(zhuǎn)變機(jī)械能，柱塞泵在實際運行期間，轉(zhuǎn)矩會產(chǎn)生不可避免的脈動變化。機(jī)電液耦合器電驅(qū)系統(tǒng)在工作期間，必然會帶動轉(zhuǎn)矩脈動，但若脈動過大可能會使其整體運行穩(wěn)定性發(fā)生改變。為此，在對磁路結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理期間，在保障輸出矩陣增加的同時，還必須確保機(jī)電液耦合器的脈動控制到最低。

轉(zhuǎn)矩脈動主要包括了兩個部分：即紋波轉(zhuǎn)矩、齒槽轉(zhuǎn)矩。其中紋波轉(zhuǎn)矩的計算公式如下：

式中，Th為紋波轉(zhuǎn)矩；Tmin矩陣脈動最小值；Tmax轉(zhuǎn)矩脈動最大值；Tavg平均轉(zhuǎn)矩示；Bs定子磁密；m 諧波的次數(shù)；Br轉(zhuǎn)子所能夠提供磁密度。

根據(jù)公式（2）可知，紋波矩陣實際上是定轉(zhuǎn)子各次磁密諧波相互作用的結(jié)果，當(dāng)定轉(zhuǎn)子磁密諧波達(dá)到相同狀態(tài)，且達(dá)到了6 m±1時隨后會產(chǎn)生紋波矩陣，并且紋波矩陣的大小與定轉(zhuǎn)子磁密諧波的次數(shù)之間呈現(xiàn)正相關(guān)性。即紋波次數(shù)越多，紋波矩陣就必然會越來越大，合理的轉(zhuǎn)子永磁體布置方式能夠較好地控制紋波矩陣。

永磁體在進(jìn)行布置期間，不同的形式會對紋波矩陣帶來不同的影響，同時還會對齒槽轉(zhuǎn)矩帶來相應(yīng)影響。極弧系數(shù)與齒槽轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系見式（3）：

據(jù)式（3）中，La電機(jī)軸向的有效長度；Ns主要用于對定子槽數(shù)進(jìn)行表示；Bσ氣隙磁密幅值；NL定子槽數(shù)最小公倍數(shù)以及永磁體極數(shù)；R1與R2電機(jī)氣隙的內(nèi)徑與外徑；ap則表示極弧系數(shù)；Kskn表示斜槽因素；as為斜槽/斜極角度；a 為永磁體相對齒槽之間的距離。

結(jié)合式（3）來看，通過對極弧系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，可實現(xiàn)對永磁體布置的調(diào)整，從而減少耦合器轉(zhuǎn)矩時的波動反應(yīng)。選取豐田prius 的“V”型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可了解到永磁體勵磁角度在達(dá)到133.5°時，即可取得最小諧波反應(yīng)。

文章選取極間間隔a（mm）、磁鋼厚度b（mm）、磁肋底到軸的距離c（mm）和磁鋼寬度d（mm）作為設(shè)計變量，根據(jù)圖1，永磁體勵磁角度實際上受到c、a的影響，而d與角度又可對氣隙磁的波形以及大小帶來直接影響。為此，a、b、d、c均是參數(shù)優(yōu)化重點。

圖1 優(yōu)化參數(shù)

定義單位面積永磁體APM 產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩Tm 表征機(jī)電液耦合器對永磁體利用率的計算公式：

式中，Tm單位面積永磁體產(chǎn)生矩陣，Tavg平均轉(zhuǎn)矩，Tcog是指齒槽轉(zhuǎn)矩陣的最大值，Th是指紋波轉(zhuǎn)矩，這是作為機(jī)電液耦合器最優(yōu)的目標(biāo)，確保其能夠在達(dá)到最大矩陣時控制永磁體的實際用量，并將轉(zhuǎn)矩波動控制到最低。最終，獲得優(yōu)化參數(shù)與目標(biāo)的關(guān)系公式：

3 正交試驗

基于AnsoftRMxprt 軟件對上述優(yōu)化目標(biāo)參數(shù)的性能曲線進(jìn)行試算，結(jié)合性能曲線即可獲得最優(yōu)化參數(shù)取值結(jié)果，見表1。基于不同優(yōu)化取值范圍，選取3個從小到大的水平值。

表1 優(yōu)化變量水平值 單位：mm

在本次試驗中，共獲取了4個不同的優(yōu)化變量，各個變量選取3個相應(yīng)的水平值?；谔锟谒惴ㄏ逻M(jìn)行正交試驗矩陣，構(gòu)建起三水平L9（34）正交矩陣來保障各列獲得相等次數(shù)的試驗，同時還能減少不必要的試驗次數(shù)，提升整體優(yōu)化效率。注重完成了9次正交試驗，試驗結(jié)果見表2。

表2 正交試驗值

試驗1所對應(yīng)的是初始參數(shù)，為了進(jìn)一步了解優(yōu)化變量的影響效果，對其進(jìn)行平均值分析和方差分析，并計算各參數(shù)的影響比重，見表3。

表3 各優(yōu)化變量對電機(jī)性能的影響

從表3來看，不同參數(shù)的影響程度各不相同，基于不同比重結(jié)果，最終確定最優(yōu)參數(shù)值：a為10 mm，b為4.8 mm，c為16 mm，d為17.5 mm。

4 優(yōu)化結(jié)果對比分析

為驗證該參數(shù)是否能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)電液耦合器電磁性能的優(yōu)化，通過有限元仿真軟件進(jìn)行驗證，觀察轉(zhuǎn)矩特性曲線發(fā)現(xiàn)（圖2），機(jī)電液耦合器電磁性能得到了非常顯著的提升，輸出轉(zhuǎn)矩尤其明顯，同時轉(zhuǎn)矩的波動明顯較小?；诖?，對比原有模型，其性能結(jié)果顯示，優(yōu)化后機(jī)電液耦合器電磁的輸出轉(zhuǎn)矩、磁鋼利用率等指標(biāo)均有明顯調(diào)節(jié)（見表4）。

表4 優(yōu)化前后性能對比

圖2 輸出轉(zhuǎn)矩對比

5 結(jié)論

本研究結(jié)合機(jī)電液耦合器電磁結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究課題，提出了運用田口算法的優(yōu)化模型，得出以下幾點結(jié)論：

（1）機(jī)電液耦合器電磁性能優(yōu)化要點，解決q軸磁路的結(jié)構(gòu)參數(shù)增大凸極率。

（2）田口算法確定，對極弧系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，可實現(xiàn)對永磁體布置的調(diào)整，從而減少耦合器轉(zhuǎn)矩時的波動反應(yīng)。

（3）正交試驗最終確定最優(yōu)參數(shù)值：a為10 mm；b為4.8 mm；c為16 mm；d為17.5 mm。

（4）優(yōu)化參數(shù)可調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩、磁鋼利用率等指標(biāo)。