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永磁同步EPS助力电机有限元建模与分析研究

潘忠亮  
【摘要】:永磁同步电机是电动助力转向系统的关键执行机构,永磁同步电机性能好坏很大程度上决定了转向系统的性能,而且永磁同步电机仿真模型的准确性也在一定程度上影响电机控制策略的作用效果。针对电机性能,本文选取两台不同性能同步转向电机应用有限元方法就高功率密度、低转动惯量和低力矩脉动三个指标对比分析两台电机性能。针对电机仿真模型,本文采用了两种方法,第一种是将两台电机中性能优越的电机有限元模型导出为电机RT模型,搭建联合仿真模型并验证,验证结果表明电机RT模型可以较准确地反映电机各项输出性能。第二种是根据对低力矩脉动中齿槽转矩的分析,提出对单纯基于电压方程的电机理想模型进行改进,验证结果表明改进模型可以较准确的反映电机齿槽转矩。以上是本文的主要研究重点。在三个指标对比分析中,高功率密度主要是应用有限元模型分析励磁磁场气隙磁密以及绕组损耗的影响,低转动惯量主要是用CATIA绘制实物电机进行分析,低力矩脉动主要是应用电机有限元模型分析电机结构的齿槽转矩以及谐波磁动势的分布系数的影响。在两台电机的三个指标对比分析中电机齿槽转矩值的测量是本文的难点之一,因为齿槽转矩值为毫牛米级。经研究发现齿槽转矩值是经过蜗轮蜗杆机构放大才会影响到方向盘的力矩脉动,所以采用放大的思想来实现对电机齿槽转矩的测量。对电机RT模型进行联合仿真与验证,验证主要包括模型是否能够反映电机齿槽转矩以及温度变化对电磁系数的影响,因为这两点是电机准确反映各项输出性能的关键部分。温度验证包括有限元模型中已设置温度和未设置温度对应的电磁系数,电机RT模型在Simulink中仿真时未设置温度的电磁系数是电机RT模型通过已设置温度的电磁系数采用差值法计算得到,最终得出电机RT模型既可以反映齿槽转矩又可以反映温度变化对电磁系数的影响。虽然电机RT模型可以较准确反映齿槽转矩和温度变化对电磁系数的影响,但是必须以有限元模型为基础,而有限元模型建模过程较为冗余,且参数需要反复从实验中获取。故根据对齿槽转矩的分析,对单纯基于电压方程的电机理想模型进行改进,并对其验证,结果表明改进模型可以较准确地反映电机的齿槽转矩。


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