一种永磁同步电机转子可靠性的测试方法与流程

1.本发明涉及一种永磁同步电机技术领域，特别涉及一种永磁同步电机转子可靠性的测试方法。


背景技术：

2.永磁同步电机是一种性能优异、功率密度高的电动机，广泛应用于新能源汽车领域。永磁同步电机转子是永磁同步电机运转的关键部件之一，其转子设计质量和可靠性对整个电机的性能有着重要影响。
3.现有的新能源汽车永磁同步电机转子可靠性测试方法中，最常用的是采用电脑仿真对其结构进行单工况下或者一般变化工况（如：nedc工况、电动汽车用驱动电机系统可靠性试验工况）的二维或者三维力学分析。想要在设计阶段对电机转子的结构和热可靠性进行预测，单工况分析无法将电机在实际运行过程中的热工况变化和应力载荷变化纳入考虑范围，而且一般变化工况也未将电机可能面临的一些极限工况考虑在内，从而造成在工程中转子的力学仿真计算缺少试验支撑，难以判断仿真计算的准确性，以至于无法正确地对永磁同步电机转子可靠性进行判断。容易出现电机转子结构不合理，严重制约了电机的性能和使用寿命。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种永磁同步电机转子可靠性的测试方法，解决永磁同步电机转子的力学仿真计算缺少试验支撑，难以判断仿真计算的准确性，无法正确地对永磁同步电机转子可靠性进行判断的问题。
5.本发明的目的是这样实现的：一种永磁同步电机转子可靠性的测试方法，包括如下步骤：步骤s1，建立永磁同步电机整体的模型，并对永磁同步电机整体的模型划分网格；步骤s2，定义步骤s1获得的永磁同步电机整体的模型的仿真参数，获得永磁同步电机仿真模型；步骤s3，对步骤s2获得永磁同步电机仿真模型的转子进行仿真精度测试，满足仿真精度需求则进入步骤s4，否则进入步骤s2重新定义仿真参数；步骤s4，对步骤s2获得的永磁同步电机仿真模型设置电机极限变工况，对电机极限变工况下的永磁同步电机仿真模型做三维升温分析，获得转子温度场分布情况，进一步获得转子在极限变工况下的应力应变情况。
6.优选地，步骤s3所述对永磁同步电机仿真模型的转子进行仿真精度测试的步骤如下：s3-1，计算永磁同步电机仿真模型的转子在环境温度为室温条件下运行至极限转速的离心应力和应变，获得永磁同步电机仿真模型的转子的变形量；s3-2，计算永磁同步电机仿真模型的转子在环境温度≥150℃的条件下运行至极
限转速的离心应力和应变，获得永磁同步电机仿真模型的转子的变形量；s3-3，根据永磁同步电机仿真模型，选择与其对应型号的测试电机，在该测试电机的电机定子上设置多个测试块，在环境温度为室温条件下，使测试电机达到与步骤s3-1的永磁同步电机仿真模型相同的转速和转矩，通过测试块获得测试电机的转子的变形量；s3-4，在测试电机的电机定子上重新设置多个测试块，在环境温度≥150℃的条件下，使测试电机达到与步骤s3-2的永磁同步电机仿真模型相同的转速和转矩，通过测试块获得测试电机的转子的变形量；s3-5，通过永磁同步电机仿真模型和测试电机在环境温度为室温的条件下和环境温度≥150℃的条件下的转子的变形量，获得的永磁同步电机仿真模型的转子在不同环境温度条件下的仿真精度均满足仿真精度要求则进入步骤s4，否则进入步骤s2重新定义仿真参数。
7.优选地，所述测试电机的电机定子上至少设置4个均匀分布的测试块。
8.优选地，所述测试块由弹性变形能力低、塑性变形能力高、热膨胀系数低的材料制作。
9.优选地，所述测试块位于电机定子与转子之间的间隙，所述测试块的一端固定在电机定子上，另一端与转子外表面接触，通过测试块的磨损情况，获得测试电机的转子的变形量。
10.优选地，所述永磁同步电机仿真模型的转子的仿真精度=（∣永磁同步电机仿真模型的转子的变形量
‑ꢀ
测试电机的转子的变形量∣）/ 永磁同步电机仿真模型的转子的变形量。
11.优选地，所述永磁同步电机仿真模型的转子的仿真精度≤5%时，判定永磁同步电机仿真模型的转子满足仿真精度要求，否则判定不满足仿真精度要求。
12.优选地，步骤s4所述电机极限变工况可以分为极限变转矩工况和极限变转速工况；所述极限变转矩工况为低转速条件下低转矩载荷到高转矩载荷的突变工况，所述极限变转速工况为低转矩条件下低转速到高转速的突变工况。
13.优选地，所述极限变转矩工况的低转速为电机外特性曲线上转矩降低的转折点对应的转速，极限变转矩工况的低转矩为电机外特性曲线上的转矩最低点对应的转矩，极限变工况的高转矩为电机外特性曲线上的转矩最高点对应的转矩；极限变转速工况的低转矩为电机外特性曲线上转矩最低点对应的转矩，极限变转速工况的低转速为电机外特性曲线上转矩降低的转折点对应的转速，极限变转速工况的高转速为电机外特性曲线上的转速最高点对应的转速。
14.本发明的永磁同步电机转子可靠性的测试方法有益效果为：为有限元仿真分析提供可信的判断依据，从而提高在电机转子进行可靠性分析的准确性，降低电机设计周期。针对所提出的极限变工况，不仅可模拟电机所有可真实出现的极端运行工况对电机各部件的温度特性进行分析，而且可以为转子的可靠性分析提出更加严苛的评判标准。通过对电机转子在极限变工况下的温度场分布和应力应变情况进行模拟计算和分析，找出热点和应力集中点，并针对其进行优化设计，提高电机的性能和寿命；同时，避免电机因温度过高或应力集中导致的安全事故。
附图说明
15.图1为永磁同步电机转子可靠性的测试方法的流程图；图2为测试电机的结构图；图3为测试块初始状态图；图4为测试块磨损状态图；图5为电机极限变工况示意图；图6为永磁同步电机仿真模型在极限变转速阶段2的温度、变形和应力分布图，（a）为温度分布情况图，（b）为转子变形情况图，（c）为转子应力情况图；图7为永磁同步电机仿真模型在转速15000 r/min、转矩21 n
·
m的单工况下的温度分布情况图；图8为永磁同步电机仿真模型在极限变转速工况的升温曲线；图9为永磁同步电机仿真模型在转速15000 r/min、转矩21 n
·
m的单工况下的升温曲线；图10为永磁同步电机仿真模型在极限变转矩阶段2的温度、变形和应力分布图，（a）为温度分布情况图，（b）为转子变形情况图，（c）为转子应力情况图；图11为永磁同步电机仿真模型在4100 r/min、107 nm单工况下温度、应力和变形分布图，（a）为温度分布情况图，（b）为转子变形情况图，（c）为转子应力情况图；图12为永磁同步电机仿真模型在极限变转矩工况的升温曲线；图13为永磁同步电机仿真模型在极限变转矩阶段2的升温曲线；图14为永磁同步电机仿真模型在4100 r/min、107 nm单工况下升温曲线。
16.附图标记：电机定子1，转子2，测试块3。
具体实施方式
17.参考图1至图14，一种永磁同步电机转子可靠性的测试方法，包括如下步骤：步骤s1，建立永磁同步电机整体的模型，并对永磁同步电机整体的模型划分网格。
18.优选地，在三维软件ug中建立永磁同步电机整体的三维几何模型，并在建模过程中对细节处作必要的简化，通过 ansys mesh 软件对三维模型进行网格划分，施加边界条件。
19.步骤s2，定义步骤s1获得的永磁同步电机整体的模型的仿真参数，获得永磁同步电机仿真模型。
20.优选地，通过ansys的maxwell模块对步骤s2获得永磁同步电机仿真模型进行分析，定义永磁同步电机整体的模型的材料参数、涡流损耗、电机定子和转子的几何参数和绕组参数等仿真参数。
21.步骤s3，对步骤s2获得永磁同步电机仿真模型的转子进行仿真精度测试，满足仿真精度需求则进入步骤s4，否则进入步骤s2重新定义仿真参数。
22.所述对永磁同步电机仿真模型的转子进行仿真精度测试的步骤如下：s3-1，计算永磁同步电机仿真模型的转子在环境温度为室温条件下运行至极限转速的离心应力和应变，获得永磁同步电机仿真模型的转子的变形量；s3-2，计算永磁同步电机仿真模型的转子在环境温度≥150℃的条件下运行至极
限转速的离心应力和应变，获得永磁同步电机仿真模型的转子的变形量；本实施例的所述25℃≥室温≥21℃，所述极限转速≥15000r/min，此时转矩≤21n
·
m。
23.优选地，通过ansys的maxwell模块对步骤s2获得永磁同步电机仿真模型设置电机工况（初始温度为21℃或150℃，转矩为21n
·
m，转速为15000r/min），进行电磁仿真，计算出电机绕组、铁芯、硅钢片等各个部分的电磁损耗。将对步骤s2获得永磁同步电机仿真模型导入ansys的fluent模块中，并将电磁损耗添加到模型中，设置初始温度为21℃或150℃（在环境温度条件），算出电机不同位置的发热量，得到电机温度场，将温度数据加载到ansys动力学模块中，定义材料热膨胀系数，得到永磁同步电机仿真模型的转子的离心应力和应变，进而获得永磁同步电机仿真模型的转子在环境温度为的21℃条件下的变形量a1、在环境温度为的150℃条件下的变形量b1。
24.s3-3，根据永磁同步电机仿真模型，选择与其对应型号的测试电机，在该测试电机的电机定子上设置多个测试块，在环境温度为室温条件下，使测试电机达到与步骤s3-1的永磁同步电机仿真模型相同的转速和转矩，通过测试块获得测试电机的转子的变形量；s3-4，在测试电机的电机定子上重新设置多个测试块，在环境温度≥150℃的条件下，使测试电机达到与步骤s3-2的永磁同步电机仿真模型相同的转速和转矩，通过测试块获得测试电机的转子的变形量；优选地，根据永磁同步电机仿真模型，选择与其对应型号的测试电机，在该测试电机的电机定子上设置多个测试块，在环境温度为21℃的室温条件下启动测试电机，缓慢增加测试电机转速直至达到与s3-1的永磁同步电机仿真模型相同的转速和转矩（转矩为21n
·
m，转速为15000r/min），断开测试电机电源停止运行，通过测试块的磨损情况，获得测试电机的转子的变形量a2。在测试电机的电机定子上重新设置多个测试块，在环境温度为150℃的高温条件下静置测试电机，使测试电机达到环境温度，启动测试电机，缓慢增加测试电机转速直至达到与s3-2的永磁同步电机仿真模型相同的转速和转矩（转矩为21n
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m，转速为15000r/min），断开测试电机电源停止运行，通过测试块的磨损情况，获得测试电机的转子的变形量b2。
25.优选地，所述测试块由弹性变形能力低、塑性变形能力高、热膨胀系数低的材料制作。本实施例的测试块采用石墨制作，并通过粘接固定在测试电机的电机定子上，当然也可以根据测试需求采用其他材质及固定方式。
26.优选地，所述测试电机的电机定子上至少设置4个均匀分布的测试块3。所述测试块位于电机定子1与转子2之间的间隙，所述测试块的一端粘接固定在电机定子上，另一端与转子外表面接触，通过测试块的磨损情况，获得测试电机的转子的变形量。所述测试块的采用石墨制作，在测试电机运动过程中，转子发生变形，半径变大，使得转子与测试块发生摩擦，测试电机转速逐渐上升至某一值，测试块也同时被磨去一部分，最终转子外表面与测试块所形成圆弧面之间的距离为转子在运行过程中发生的变形量；也可以根据测试块摩擦后剩余的测试块长度计算出电机转子在运行过程中的变形量。
27.s3-5，通过永磁同步电机仿真模型和测试电机在环境温度为室温的条件下和环境温度≥150℃的条件下的转子的变形量，获得的永磁同步电机仿真模型的转子在不同环境温度条件下的仿真精度均满足仿真精度要求则进入步骤s4，否则进入步骤s2重新定义仿真
参数。
28.优选地，所述永磁同步电机仿真模型的转子的仿真精度=（∣永磁同步电机仿真模型的转子的变形量
‑ꢀ
测试电机的转子的变形量∣）/ 永磁同步电机仿真模型的转子的变形量。
29.所述永磁同步电机仿真模型的转子在环境温度为21℃的室温条件下的仿真精度a=（∣a1
‑ꢀ
a2∣）/ a1。
30.所述永磁同步电机仿真模型的转子在环境温度为150℃的高温条件下的仿真精度b=（∣b1
‑ꢀ
b2∣）/b1。
31.所述永磁同步电机仿真模型的转子在环境温度为室温的条件下和环境温度≥150℃的高温条件下的仿真精度（a或b）≤5%时，判定永磁同步电机仿真模型的转子满足仿真精度要求，否则判定不满足仿真精度要求。
32.从而尽量消除环境温度对电机转子变形量的影响，保证永磁同步电机仿真模型在热应力和离心应力共同作用下的准确性。同时可为有限元仿真分析提供可信的判断依据，从而提高在电机转子进行可靠性分析的准确性，降低电机设计周期。
33.步骤s4，对步骤s2获得的永磁同步电机仿真模型设置电机极限变工况，对电机极限变工况下的永磁同步电机仿真模型做三维升温分析，获得转子温度场分布情况，进一步获得转子在极限变工况下的应力应变情况。
34.优选地，步骤s4所述电机极限变工况可以分为极限变转矩工况和极限变转速工况；所述极限变转矩工况为低转速条件下低转矩载荷到高转矩载荷的突变工况，所述极限变转速工况为低转矩条件下低转速到高转速的突变工况。
35.优选地，所述极限变转矩工况的低转速为电机外特性曲线上转矩降低的转折点对应的转速，极限变转矩工况的低转矩为电机外特性曲线上的转矩最低点对应的转矩，极限变工况的高转矩为电机外特性曲线上的转矩最高点对应的转矩；极限变转速工况的低转矩为电机外特性曲线上转矩最低点对应的转矩，极限变转速工况的低转速为电机外特性曲线上转矩降低的转折点对应的转速，极限变转速工况的高转速为电机外特性曲线上的转速最高点对应的转速。
36.优选地，根据电机的特性曲线，确定永磁同步电机仿真模型的极限变工况，如下表1，在表1中定义了两种极限变工况的各阶段转速与转矩，其中4100r/min为转矩在峰值转矩（107n
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m）下能达到的最大转速，21n
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m为转速为峰值转速（15000r/min）下能达到的最大转矩。极限变转矩是指电机工况在4100r/min、21n
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m（定义为两种极限变工况的阶段1）下运行至稳定后，转速不变转矩快速升高至107n
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m（定义为极限变转矩阶段2），运行至温度达到最高限度而停机或者运行至温度稳定；极限变转速是指电机工况在4100r/min、21n
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m下运行至稳定后，转矩不变转速快速升高至15000r/min（定义为极限变转速阶段2），运行至温度达到最高限度而停机或者运行至温度稳定。
37.表 1。
38.优选地，通过ansys的maxwell模块对步骤s2获得永磁同步电机仿真模型设置电机
极限工况，进行电磁仿真，计算出电机绕组、铁芯、硅钢片等各个部分的电磁损耗。将对步骤s2获得永磁同步电机仿真模型导入ansys的fluent模块中，并将电磁损耗添加到模型中，算出电机不同位置的发热量，获得转子温度场分布情况。将温度数据加载到ansys动力学模块中，定义材料热膨胀系数，同时将转子旋转产生的离心力作为转子的载荷，得到永磁同步电机仿真模型的转子的离心应力和应变情况。
39.步骤s5，根据步骤s4获得的在极限变工况下转子温度场分布情况和转子应力应变情况，判断该转子是否符合设计标准的可靠性要求。
40.优选地，如果在极限变转速工况的阶段2运行至温度稳定，与单个峰值工况相比，温度分布将一致，此时同转速下的转子所受应力也将一致；如果在极限变转矩阶段工况的阶段2运行至达到最高温度极限而停机，与单个峰值工况相比，极限变工况的温度比平均温度更高，此时在极限变工况下转子所受应力更大，以至于能更好地模拟电机转子在极限工况下的真实受力化情况，从而准确地判断转子的可靠性。确保设计出的电机转子符合百万公里寿命（测试路况下）等设计标准。
41.通过对电机转子在极限变工况下的温度场分布和应力应变情况进行模拟计算和分析，找出热点和应力集中点，并针对其进行优化设计，提高电机的性能和寿命；同时，避免电机因温度过高或应力集中导致的安全事故。
42.以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神的前提下，对本发明进行的改动均落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种永磁同步电机转子可靠性的测试方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤s1，建立永磁同步电机整体的模型，并对永磁同步电机整体的模型划分网格；步骤s2，定义步骤s1获得的永磁同步电机整体的模型的仿真参数，获得永磁同步电机仿真模型；步骤s3，对步骤s2获得永磁同步电机仿真模型的转子进行仿真精度测试，满足仿真精度需求则进入步骤s4，否则进入步骤s2重新定义仿真参数；步骤s4，对步骤s2获得的永磁同步电机仿真模型设置电机极限变工况，对电机极限变工况下的永磁同步电机仿真模型做三维升温分析，获得转子温度场分布情况，进一步获得转子在极限变工况下的应力应变情况。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤s3所述对永磁同步电机仿真模型的转子进行仿真精度测试的步骤如下：s3-1，计算永磁同步电机仿真模型的转子在环境温度为室温条件下运行至极限转速的离心应力和应变，获得永磁同步电机仿真模型的转子的变形量；s3-2，计算永磁同步电机仿真模型的转子在环境温度≥150℃的条件下运行至极限转速的离心应力和应变，获得永磁同步电机仿真模型的转子的变形量；s3-3，根据永磁同步电机仿真模型，选择与其对应型号的测试电机，在该测试电机的电机定子上设置多个测试块，在环境温度为室温条件下，使测试电机达到与步骤s3-1的永磁同步电机仿真模型相同的转速和转矩，通过测试块获得测试电机的转子的变形量；s3-4，在测试电机的电机定子上重新设置多个测试块，在环境温度≥150℃的条件下，使测试电机达到与步骤s3-2的永磁同步电机仿真模型相同的转速和转矩，通过测试块获得测试电机的转子的变形量；s3-5，通过永磁同步电机仿真模型和测试电机在环境温度为室温的条件下和环境温度≥150℃的条件下的转子的变形量，获得的永磁同步电机仿真模型的转子在不同环境温度条件下的仿真精度均满足仿真精度要求则进入步骤s4，否则进入步骤s2重新定义仿真参数。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述测试电机的电机定子上至少设置4个均匀分布的测试块。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述测试块由弹性变形能力低、塑性变形能力高、热膨胀系数低的材料制作。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述测试块位于电机定子与转子之间的间隙，所述测试块的一端固定在电机定子上，另一端与转子外表面接触，通过测试块的磨损情况，获得测试电机的转子的变形量。6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述永磁同步电机仿真模型的转子的仿真精度=（∣永磁同步电机仿真模型的转子的变形量
‑ꢀ
测试电机的转子的变形量∣）/ 永磁同步电机仿真模型的转子的变形量。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述永磁同步电机仿真模型的转子的仿真精度≤5%时，判定永磁同步电机仿真模型的转子满足仿真精度要求，否则判定不满足仿真精度要求。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤s4所述电机极限变工况可以分为极限
变转矩工况和极限变转速工况；所述极限变转矩工况为低转速条件下低转矩载荷到高转矩载荷的突变工况，所述极限变转速工况为低转矩条件下低转速到高转速的突变工况。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述极限变转矩工况的低转速为电机外特性曲线上转矩降低的转折点对应的转速，极限变转矩工况的低转矩为电机外特性曲线上的转矩最低点对应的转矩，极限变工况的高转矩为电机外特性曲线上的转矩最高点对应的转矩；极限变转速工况的低转矩为电机外特性曲线上转矩最低点对应的转矩，极限变转速工况的低转速为电机外特性曲线上转矩降低的转折点对应的转速，极限变转速工况的高转速为电机外特性曲线上的转速最高点对应的转速。

技术总结
一种永磁同步电机转子可靠性的测试方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤S1，建立永磁同步电机整体的模型，并对永磁同步电机整体的模型划分网格；步骤S2，定义步骤S1获得的永磁同步电机整体的模型的仿真参数，获得永磁同步电机仿真模型；步骤S3，对步骤S2获得永磁同步电机仿真模型的转子进行仿真精度测试，满足仿真精度需求则进入步骤S4，否则进入步骤S2重新定义仿真参数；步骤S4，对步骤S2获得的永磁同步电机仿真模型设置电机极限变工况，对电机极限变工况下的永磁同步电机仿真模型做三维升温分析，获得转子温度场分布情况，进一步获得转子在极限变工况下的应力应变情况。子在极限变工况下的应力应变情况。子在极限变工况下的应力应变情况。


技术研发人员：吴行 黄教鹏 姜艳军 张洪灵
受保护的技术使用者：重庆青山工业有限责任公司
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/9/20