prius2010驱动电机分析

zengxiaodong · 发表于 2020-10-19 18:43

到目前为止，所有的关于Prius电机的帖子，都是按照日本的设计方案进行计算，为的是与拆解报告进行对比，只要吻合了就万事大吉了。

这个探讨深度有限，知其然不知其所以然，下面我抛砖引玉，假设做一些自主设计，看看能不能有所改进提高呢？

探讨的假设前提是定子及其线圈不作任何改变，仅重新设计转子部分，我认为传统的切向式励磁以及简单的嵌入式结构一样可以达到原型机的性能，用不着太迷信日本人的复杂的转子设计方案。

zengxiaodong · 发表于 2020-10-19 18:50

切向式励磁的方案如下：

假设磁钢用量保持不变，则磁钢厚度12mm，磁钢宽度21.35mm，牌号保持不变。
为了简单起见，暂时不考虑工艺性问题，因此磁桥什么的暂时忽略不计，先给出负载状态下磁力线分布图如下，由此来展示出转子结构的具体方案。

zengxiaodong · 发表于 2020-10-19 18:56

上述方案的空载气隙磁密分布是非常正弦的，主要的目标是保证在相电流峰值250A的工况下，输出转矩不小于原方案。
最大电流转矩.jpg

zengxiaodong · 发表于 2020-10-19 19:00

在最大电流时转矩输出能力相同的情况下，我们选定上述的磁钢设计参数，然后再扫描最佳的电流超前角度，结果如下：
电流角度扫描.jpg

zengxiaodong · 发表于 2020-10-19 19:06

本帖最后由 zengxiaodong 于 2020-10-20 07:09 编辑

空载工况分析

齿槽转矩（降低了80%！几乎可以认为没有齿槽转矩了）
齿槽转矩.jpg

空载气隙磁密分布（基波磁密大幅度增加）

zengxiaodong · 发表于 2020-10-19 19:09

空载微分电感（显著降低）

自感
空载相自感.jpg

互感

zengxiaodong · 发表于 2020-10-19 19:14

本帖最后由 zengxiaodong 于 2020-10-20 07:10 编辑

空载相磁链（增加了54%之多！而且肉眼看起来几乎是纯正弦波）

空载相磁链.jpg

因此，空载反电势大幅度上升了，有缺点，但其好处是在一定范围内减小了线圈的电流。

zengxiaodong · 发表于 2020-10-19 19:18

空载磁力线分布

zengxiaodong · 发表于 2020-10-19 19:24

本帖最后由 zengxiaodong 于 2020-10-20 09:10 编辑

除了空载反电势显著高于原型机以外，到目前为止分析的其余性能几乎全面超过Prius2010

但是，负载时的电压却不会超过原方案，在最佳电流超前角时，去磁电流的作用使得线圈磁链不像原方案那样大幅度上升。

在峰值电流80A工况时，线圈相磁链分别是0.21199和0.203665，可见新方案电压更低。

在峰值电流160A工况时，线圈相磁链分别为0.2535和0.2544，新方案略高。

zengxiaodong · 发表于 2020-10-19 19:33

本帖最后由 zengxiaodong 于 2020-10-19 19:42 编辑

125A工况时的一些数据

zengxiaodong · 发表于 2020-10-19 19:44

几乎在所有的工况下，新方案的转矩脉动都远小于原方案（大约低50%），这可能是由于气隙磁密的正弦性更好所致。

80A转矩

160A转矩

zengxiaodong · 发表于 2020-10-20 07:14

本帖最后由 zengxiaodong 于 2020-10-20 07:34 编辑

在250A的极限电流下，转矩输出曲线前面的帖子给出来了，转矩输出能力与原型机持平。
下面考察其各部分磁密饱和情况，以及磁钢退磁情况。
无标题.png

除了磁钢上一个点磁密0.174T不太理想外，其他区域的磁密饱和程度都不劣于原型机。

退磁高风险区域局部放大图
无标题.png

zengxiaodong · 发表于 2020-10-20 08:37

新方案负载时的径向力波时空变化动画如下

仍然是空间0次、空间1次力波是主要问题。

zengxiaodong · 发表于 2020-10-20 08:54

对径向力波时空数据绘制三维云图

zengxiaodong · 发表于 2020-10-20 08:56

2D FFT结果

zengxiaodong · 发表于 2020-10-20 10:56

本帖最后由 zengxiaodong 于 2020-10-20 11:00 编辑

很不幸！

径向力波分析结果表明，新方案的振动噪声性能要差于原型机。无论是空间0次力波还是空间1次力波，新方案的均显著大于原型机，因此可以预计新方案的电机噪声会高于原型机。

0次力波：

频率6f：原858.64---------新1412
频率12f：原334.42--------新688

1次力波：

频率2f：原23034--------新35537
频率4f：原2538--------新2233

新方案只有一个力波小于原型机。

zengxiaodong · 发表于 2020-10-20 13:36

新旧方案两个电机，定子完全相同（线圈也完全相同），仅仅是转子结构做了改变，而且在相同电流下电机的转矩输出能力也几乎一模一样（最佳超前角不同），但是径向力波却有明显的差别，这个问题值得深入思考。

因为转切应力与径向磁密、切向磁密之积成正比，所以，即使在转矩输出相同的情况下，径向磁密、切向磁密可以有不同的组合形式；

而径向应力在理论上与径向磁密、切向磁密的平方差成正比，如果要径向应力小，就需要使得径向磁密小而切向磁密大的组合；

因此，如何想方设法提高切向磁密是至关重要的问题。

zengxiaodong · 发表于 2020-10-22 21:00

zengxiaodong · 发表于 2020-10-26 21:44

请大家仔细看看楼上这个27槽6极电机，很是特殊！

不知有何奥妙？似乎刻意减小交轴电感。

Raulzyz · 发表于 2020-11-3 04:57

那个maxwell有好心人可以私发给我吗，权限不够

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[Maxwell] prius2010驱动电机分析