prius2010驱动电机分析

zengxiaodong

limengde2001 发表于 2017-9-9 20:21
7 空载反电势、空载磁密、齿槽转矩、气隙磁密波形（13500冷态）
Prius2010反电势很高。线反电势有效值960V ...

反电势波形



在3000r/min时，相反电势有效值105.97V（基波）
在13500r/min时，相反电势有效值476.84V（基波）


相磁链

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空载相自感（增量电感）



空载相互感（增量电感）

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电流角度扫描结果

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另外一个转子位置的扫描结果，可见最佳超前角度是不变的！

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也可以把峰值电流、相位超前角、输出转矩绘制成三维图

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根据上面的最佳电流相位角控制，选取3个负载工况如下：

峰值电流80A，超前角42.5度；
峰值电流160A，超前角50度；
峰值电流250A，超前角51度。


第一种工况：

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第二种工况：

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第三种工况：

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可见转矩脉动情况是很好的，最大也不过8%上下。

转矩——电流的线性度也是很好的，对抗饱和的性能很理想！

上面给出磁链的数据是为了便于计算极限转速，也可以用于计算交直轴电感。

看看全局的磁力线动画，可以与Magnet制作的动画做对比


接下来，提供径向力波的分析结果。

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分析径向力波的第一步，就是得到气隙的径向磁密和切向磁密的空间、时间分布。下面波形是上述第一种工况。



这个动画波形可以用一个字来形容，乱！

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对径向磁密、切向磁密进行平方差运算，再乘以适当的系数，就可以得到径向应力。


可见，有明显的空间0次、1次力波，而且力波的变化非正弦性也很明显。

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对上贴径向应力波进行空间带通滤波，可以得到空间各次力波的时变动画，下面给出空间1次力波的动画，这也是电机工作主波引起的径向力波，既无法避免也难以减小。

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为了详细了解径向力波的时空特性，可以做2D FFT分析。




补充内容 (2020-10-18 15:56):
2D FFT的详细讲解，请参阅如下帖子。
https://bbs.simol.cn/thread-196361-1-1.html

zengxiaodong

zengxiaodong 发表于 2020-10-14 10:32
分析径向力波的第一步，就是得到气隙的径向磁密和切向磁密的空间、时间分布。下面波形是上述第一种工况。
...

气隙磁密波形，以及其得出的径向应力波形，总有一个烦人的“毛刺”如影随形，有时候“毛刺”还特别大，我在这个帖子https://bbs.simol.cn/thread-158805-1-1.html里面彻底解决了！
下面是重搞的示例波形，确实没有毛刺了。

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zengxiaodong 发表于 2020-10-13 13:23
另外一个转子位置的扫描结果，可见最佳超前角度是不变的！

根据电流扫描结果，最佳超前角控制时，电机的转矩——电流曲线如下。


可见，转矩的线性度非常好，几乎没有出现转矩饱和的情况。因此，只需要妥善解决冷却问题，电机会有较大的转矩输出能力，当然功率密度也可以很高。

https://bbs.simol.cn/thread-158881-1-1.html这个帖子讨论了超高转矩密度电机的设计，其最根本的评价指标就是“转切应力”，Pruis2010的最大转切应力接近120000帕斯卡，这是很高的数值！

工业电机转切应力即使50000帕斯卡都是很极端的数值！

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在最大输出转矩工况下（对应相电流的峰值为250A），电机各部分的磁密云图如下：





磁钢区域最低磁密0.447T以上，这也可以判定退磁的安全余量。

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小雨点儿 发表于 2018-11-13 12:38
请问大家注意到气隙磁密波形并没有相关资料中表述的那么好，按着楼主仿真的模型，做了空载仿真~~差到哪里呢 ...

幅值明显不一样啊，而且横轴的极距也不对。

zengxiaodong

这个帖子谈到了https://bbs.simol.cn/thread-136527-1-1.html电机端电压大幅度上升的情况，这个问题从前面楼层提供的磁链数据就可见一斑。
也可以从气隙磁密分布来加以反映。





可见负载后气隙磁密大幅度增加，而且空间相位也显著移动了。

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zengxiaodong 发表于 2020-10-14 13:56
为了详细了解径向力波的时空特性，可以做2D FFT分析。

讨论一下Prius2010电机的振动噪声问题。

由于该电机是48槽8极永磁同步电机，可以简化成6槽1极的最简电机模型进行计算，这种电机空间0次力波会比较明显。而最简电机的空间1次力波，这是由工作主波引起的径向力波，既无法避免也难以减小，它就是众所周知的2p次力波（扩展到整个电机）！
由于电机为8极，所以非零的最低空间力波是8次，然后是16次、24次、32次......，可见力波的空间阶次都很高，引起振动噪声的可能性不大（其实也难以考虑）。

因此，对于最简电机而言，我们需要关注的是0次、1次空间力波，更进一步说，甚至是仅需重点关注0次空间力波！

根据2D FFT的结果，我们找到空间0次力波，发现其主要频率有2个，一个是6f（幅值858.65），另一个12f（幅值334.43）

当转速是3000r/min时，电源频率200Hz，因此空间0次力波的频率为1200Hz，2400Hz，这两个频率都是噪声的敏感频率。

zengxiaodong

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。