兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (4): 240355-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0355
高琢1, 李军求1,*(), 周阳1, 张小鹏2, 谭平2, 邱锰2, 朱家豪2
收稿日期:
2024-05-09
上线日期:
2025-04-30
通讯作者:
基金资助:
GAO Zhuo1, LI Junqiu1,*(), ZHOU Yang1, ZHANG Xiaopeng2, TAN Ping2, QIU Meng2, ZHU Jiahao2
Received:
2024-05-09
Online:
2025-04-30
摘要:
针对特种车辆电驱动系统高扭矩密度需求,为能够充分提升峰值扭矩能力和效率,降低扭矩波动,防止电机过热,提出了一种基于多物理场模型的轮毂电机多目标优化设计和温升估计方法。基于整车工况需求建立了轮毂电机电磁有限元模型和损耗模型。采用非支配排序遗传算法Ⅱ实现轮毂电机峰值扭矩、扭矩波动、效率、绕组换热面积的多目标优化,得到优化后电机电磁关键结构参数与损耗特性。基于几何结构建立了包含轮毂电机在内的电动轮热网络温升估计模型,预测了轮毂电机典型工况温升及温度分布特性。通过温升台架实验对温升预测模型精度进行了验证。研究结果表明,优化后轮毂电机峰值扭矩提升5.2%,峰值扭矩效率提升1.15%,端部绕组预测温度与实验结果对比均方根误差不超过4.3℃,计算速度大幅提升。
高琢, 李军求, 周阳, 张小鹏, 谭平, 邱锰, 朱家豪. 轮毂电机多目标优化设计与温升估计[J]. 兵工学报, 2025, 46(4): 240355-.
GAO Zhuo, LI Junqiu, ZHOU Yang, ZHANG Xiaopeng, TAN Ping, QIU Meng, ZHU Jiahao. Multi-objective Optimization Design and Temperature Rise Estimation of In-wheel Electric Machine[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(4): 240355-.
热阻计算区域 | 传热方向 | 等效热阻计算方法 |
---|---|---|
r1、r2、r4、s5 | 径向 | $\frac{1}{2 \pi \lambda L_{c}} \ln \left(\frac{r_{o}}{r_{i}}\right)$ |
r3、r5、s2 | 径向 | $\frac{1}{\varphi \lambda L_{c}} \ln \left(\frac{r_{o}}{r_{i}}\right)$ |
r4-s2 | 径向 | $\frac{L_{c}}{N u \lambda A}$ |
s1、s3、s3、s4 | 径向 | $\begin{array}{l}\frac{L_{C}}{\lambda\left(A_{o}-A_{i}\right)} \ln \left(\frac{x_{o}}{x_{i}}\right) \text {(梯形);}\\\frac{L_{c}}{\lambda A}(\text { 矩形 })\end{array}$ |
s1、s4 | 周向 | $\frac{\varphi}{2 \lambda l} \cdot \frac{r_{i}+r_{o}}{r_{o}-r_{i}}$ |
表1 电机热网络节点换热计算方法
Table 1 Heat exchange calculation method of electric machine thermal network nodes
热阻计算区域 | 传热方向 | 等效热阻计算方法 |
---|---|---|
r1、r2、r4、s5 | 径向 | $\frac{1}{2 \pi \lambda L_{c}} \ln \left(\frac{r_{o}}{r_{i}}\right)$ |
r3、r5、s2 | 径向 | $\frac{1}{\varphi \lambda L_{c}} \ln \left(\frac{r_{o}}{r_{i}}\right)$ |
r4-s2 | 径向 | $\frac{L_{c}}{N u \lambda A}$ |
s1、s3、s3、s4 | 径向 | $\begin{array}{l}\frac{L_{C}}{\lambda\left(A_{o}-A_{i}\right)} \ln \left(\frac{x_{o}}{x_{i}}\right) \text {(梯形);}\\\frac{L_{c}}{\lambda A}(\text { 矩形 })\end{array}$ |
s1、s4 | 周向 | $\frac{\varphi}{2 \lambda l} \cdot \frac{r_{i}+r_{o}}{r_{o}-r_{i}}$ |
优化目标 | 初始设计 | 优化设计 | 优化结果对比/% |
---|---|---|---|
/(N·m) | 1147.41 | 1207.62 | 5.2 |
/% | 3.59 | 3.65 | 0.06 |
ηem/% | 85.58 | 86.73 | 1.15 |
As/mm2 | 3419.8 | 5142.16 | 50.4 |
表2 优化结果对比
Table 2 Comparison of objectives before and after optimization
优化目标 | 初始设计 | 优化设计 | 优化结果对比/% |
---|---|---|---|
/(N·m) | 1147.41 | 1207.62 | 5.2 |
/% | 3.59 | 3.65 | 0.06 |
ηem/% | 85.58 | 86.73 | 1.15 |
As/mm2 | 3419.8 | 5142.16 | 50.4 |
工况 | 波动幅值/(N·m) | 幅值占比/% | THD/% |
---|---|---|---|
峰值扭矩/功率 | 43.9 | 3.6 | 2.9 |
最高转速 | 8.9 | 7.8 | 6.0 |
表3 两种典型工况的扭矩波动
Table 3 Torque ripples under 2 working conditions
工况 | 波动幅值/(N·m) | 幅值占比/% | THD/% |
---|---|---|---|
峰值扭矩/功率 | 43.9 | 3.6 | 2.9 |
最高转速 | 8.9 | 7.8 | 6.0 |
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