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内置式永磁同步电机转矩脉动抑制方法研究
| 论文题名： | 内置式永磁同步电机转矩脉动抑制方法研究 |
| 关键词： | 汽车电动助力转向系统;内置式永磁同步电机;齿槽转矩;负载转矩脉动;抑制策略 |
| 摘要： | 随着全球汽车工业逐步向电动化和智能化转型，自动泊车、无人驾驶等技术的发展对电动助力转向（Electric Power Steering，EPS）电机提出了更高的要求。永磁同步电机凭借其不存在换相转矩脉动、定位精度更高等优点逐步成为EPS电机的重要发展趋势。相比于表贴式永磁电机，内置式永磁电机具有更高的功率密度、可靠性和更低的制造成本，但齿槽转矩和负载转矩脉动较大等问题限制了其在EPS中的应用。因此，本文针对内置式永磁同步电机的转矩脉动抑制技术开展研究，以期满足EPS系统的应用需求。 首先，基于能量法（虚位移法），推导了齿槽转矩的理论表达式，明确了齿槽转矩谐波分量与气隙磁动势谐波分量、气隙磁导谐波分量之间的对应关系，并给出了利用抵消法抑制齿槽转矩的理论解释。对比分析了三种常用的抵消法：转子分段斜极、定子槽口分组偏移和槽口分段偏移，并指出各自优点与不足之处。 然后，提出了改进的槽口分段偏移法，并利用田口正交实验设计优化定子结构参数，最优方案相较于原模型的齿槽转矩和负载转矩脉动分别降低了87.87%和67.79%，尽管平均转矩略有降低了，但总体上转矩特性满足EPS电机的设计要求。 接着，为了进一步削弱内置式永磁同步电机的齿槽转矩，提出了定子齿削角与槽口分段偏移组合使用的方法。以齿槽转矩基波及2次谐波分量为例，分别详细推导了齿槽转矩谐波分量与气隙磁导谐波分量、气隙磁密谐波分量之间的理论关系表达式，从定性分析和定量计算两个方面明确了定子齿削角对齿槽转矩的影响机理。在此基础上，分别基于控制变量法和田口法对提出的“组合法”进行优化，最终优化方案的齿槽转矩相较于原模型分别降低了97.10%和96.71%，负载转矩脉动分别降低了86.91%和75.95%，不仅满足EPS电机的设计要求，并且留有较大的设计裕度。 随后，详细分析了磁体剩磁不一致、槽口偏移角度误差、定子拼接处附加气隙和转子偏心等4种制造误差对于电机转矩脉动的影响。为了降低制造误差的影响，重点研究了田口稳健性设计和基于径向基函数模型与遗传算法的多目标稳健性设计。与初始设计方案相比，稳健性设计方案的齿槽转矩信噪比提高了6.15%，负载转矩脉动信噪比提高了7.59%，样机低转矩脉动的稳健性得到了明显提升。 最后，设计并制造了实验样机，利用“电子秤法”测量了样机的齿槽转矩，并针对样机实测值与理论值存在的偏差，进行了详细的溯源分析。样机实验结果验证了所提出的设计方法在抑制内置式永磁同步电机齿槽转矩方面的有效性。 |
| 作者： | 赵君臣 |
| 专业： | 电气工程 |
| 导师： | 周理兵 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华中科技大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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