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[摘 要]本文提出天窗电机主要参数对齿槽转矩影响分析及其电磁优化设计模型研究。
[关键词]汽车天窗；齿槽转矩；电磁设计；优化
中图分类号：V785.46 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）20-0016-01
Influences of design parameters on cogging torque andoptimization of low noise sunroof motor
Sun Hongxing
（R&DCenterofGreatMotorCompany，AutomotiveEngineeringTechnicalCenterofHeBei，baoding071000）
[Abstract]The effects of main design parameters of sunroof motor on cogging torques and electromagnetic design optimization models were investigated.
[Key words]vehicle sunroof； cogging torque； electromagnetic design； optimization
前言
天窗系統作为汽车的主要部件，其对整车的声学舒适性有着重要影响。本文在综合现有削弱电机齿槽转矩研究方法的基础上，对天窗电机的极槽配合和极弧系数设计以及转子静态偏心情况下的电机齿槽转矩值进行计算，并寻求电机主要设计参数对电机齿槽转矩大小的影响规律。
1 天窗电机系统简介
汽车天窗电机主要包括两部分：永磁直流电机和蜗轮蜗杆齿轮箱传动系统。其中天窗驱动电机采用表帖式永磁直流电机，转子轴即为蜗杆轴。其整体结构示意如图1所示。
2 天窗电机参数对齿槽转矩影响
2.1 电机齿槽转矩产生机理
永磁电机的齿槽转矩是在电机绕组不通电时，永磁体和电机电枢铁心之间的相互作用所产生的转矩。当定、转子存在相对运动时，处在永磁体极弧部分的电枢齿与永磁体间的磁导将基本不变，因此，电枢齿周围的磁场也将基本不变。而与永磁体两侧面相对应的由一个或者两个电枢齿所构成的一小段区域内，气隙磁导变化大，会引起磁场储能变化，从而产生齿槽转矩。
2.2 天窗电机极、槽配合对齿槽转矩影响
极槽数与其最小公倍数比值CT越大，齿槽转矩的幅值也将越大。为了研究不同极数和槽数组合对电机齿槽转矩大小的影响，以某2极8槽的汽车天窗电机为例，保持该电机槽数不变，改变极数，在3种不同极槽数配合（NP/NS=2/8；4/8；8/8）情况进行了有限元仿真计算。图2为3种极槽数配合时一个周期的齿槽转矩计算结果。
从图2可以看出，不同极数槽数组合对电机齿槽转矩有很大影响。当槽数不变时，天窗电机极数选择越大，其齿槽转矩幅值会显著增加。
2.3 转子静态偏心对齿槽转矩的影响
由于加工工艺的限制，在实际的生产过程中，定、转子轴线不可能完全重合，即气隙不同程度地存在着不均匀的情况。本节分别对在极槽数和极弧系数保持不变条件下齿槽转矩随偏心距变化情况，以及在极槽数和偏心距一定情况下极弧系数对电机齿槽转矩的影响进行研究。
在极槽数和极弧系数确定情况下，随着转子静态偏心程度的增大，电机的齿槽转矩幅值必将增加。此外，无论电机偏心距存在与否，电机齿槽转矩幅值和极弧系数变化关系基本一致，也在极弧系数0.75时存在最小的齿槽转矩。
3 基于齿槽转矩最小的优化设计
考虑影响电机齿槽转矩幅值的设计参数较多，本节从电机设计角度出发，以最小的电机齿槽转矩为目标，选取对齿槽转矩有重要影响的设计参数如极弧系数、转子槽口宽和转子斜槽个数为优化变量，建立基于遗传算法的天窗电机优化设计模型。
为了在电机电磁设计过程中能较准确地计算电机齿槽转矩，采用考虑永磁体有限长度和转子开槽对磁场影响的齿槽转矩表达式。
3.1 基于遗传算法的天窗电机参数优化流程遗传算法是模拟生物界自然选择和自然遗传机理高度并行、随机搜索和自适应寻优方法。
本节主要对优化变量、约束条件和目标函数选择进行介绍。（1）优化变量：初始化染色体种群的每个染色体包含3个基因的个体，分别为：转子槽口宽、极弧系数、转子斜槽数。（2）约束条件：天窗电机设计需要满足主要约束包括极弧系数αp≤0.80；齿部磁密Bta≤1.9T；槽满率Sf≤79%等。（3）目标函数：本文选取齿槽转矩幅值最小作为目标函数。（4）遗传算法参数：初始种群数目为100，初始交叉概率0.9，初始变异概率0.01。
3.2 基于最小齿槽转矩的电机优化设计方案
应用上述基于遗传算法的天窗电机参数优化设计模型，以电机的齿槽转矩最小为目标，对某汽车天窗电机主要设计参数进行了优化。由优化前后电机设计变量及电机齿槽转矩对比可以看出，优化后得到的电机设计方案可以大幅度地削弱电机齿槽转矩。
4 结论
通过综合电机齿槽转矩的削弱方法，本文研究了天窗电机极槽配合、极弧系数选择以及转子静态偏心情况对齿槽转矩的影响；建立了以最小齿槽转矩为目标函数的天窗电机电磁优化设计模型。得到主要结论如下：1）针对现有8槽结构天窗电机，电机齿槽转矩的幅值将随电机极数的增加而急剧增大。因此，原始设计方案2极8槽的电机结构相对于其他多极结构能更好地削弱电机齿槽转矩。2）在极槽配合和极弧系数一定情况下，随着转子静态偏心程度的增大，电机齿槽转矩也会随之增大。但是，无论电机偏心距存在与否，电机齿槽转矩幅值和极弧系数变化关系基本一致。3）通过建立基于遗传算法的天窗电机电磁优化设计模型，得到了满足电机性能条件下最小齿槽转矩的优化设计方案，为低噪声的天窗电机设计提供设计依据。
参考文献
[1] 李辉，许艮，杨超，等.天窗电机噪声测试及特征频率提取方法，[J].中国电机工程学报，2011，31（18）：87-92.
[关键词]汽车天窗；齿槽转矩；电磁设计；优化
中图分类号：V785.46 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）20-0016-01
Influences of design parameters on cogging torque andoptimization of low noise sunroof motor
Sun Hongxing
（R&DCenterofGreatMotorCompany，AutomotiveEngineeringTechnicalCenterofHeBei，baoding071000）
[Abstract]The effects of main design parameters of sunroof motor on cogging torques and electromagnetic design optimization models were investigated.
[Key words]vehicle sunroof； cogging torque； electromagnetic design； optimization
前言
天窗系統作为汽车的主要部件，其对整车的声学舒适性有着重要影响。本文在综合现有削弱电机齿槽转矩研究方法的基础上，对天窗电机的极槽配合和极弧系数设计以及转子静态偏心情况下的电机齿槽转矩值进行计算，并寻求电机主要设计参数对电机齿槽转矩大小的影响规律。
1 天窗电机系统简介
汽车天窗电机主要包括两部分：永磁直流电机和蜗轮蜗杆齿轮箱传动系统。其中天窗驱动电机采用表帖式永磁直流电机，转子轴即为蜗杆轴。其整体结构示意如图1所示。
2 天窗电机参数对齿槽转矩影响
2.1 电机齿槽转矩产生机理
永磁电机的齿槽转矩是在电机绕组不通电时，永磁体和电机电枢铁心之间的相互作用所产生的转矩。当定、转子存在相对运动时，处在永磁体极弧部分的电枢齿与永磁体间的磁导将基本不变，因此，电枢齿周围的磁场也将基本不变。而与永磁体两侧面相对应的由一个或者两个电枢齿所构成的一小段区域内，气隙磁导变化大，会引起磁场储能变化，从而产生齿槽转矩。
2.2 天窗电机极、槽配合对齿槽转矩影响
极槽数与其最小公倍数比值CT越大，齿槽转矩的幅值也将越大。为了研究不同极数和槽数组合对电机齿槽转矩大小的影响，以某2极8槽的汽车天窗电机为例，保持该电机槽数不变，改变极数，在3种不同极槽数配合（NP/NS=2/8；4/8；8/8）情况进行了有限元仿真计算。图2为3种极槽数配合时一个周期的齿槽转矩计算结果。
从图2可以看出，不同极数槽数组合对电机齿槽转矩有很大影响。当槽数不变时，天窗电机极数选择越大，其齿槽转矩幅值会显著增加。
2.3 转子静态偏心对齿槽转矩的影响
由于加工工艺的限制，在实际的生产过程中，定、转子轴线不可能完全重合，即气隙不同程度地存在着不均匀的情况。本节分别对在极槽数和极弧系数保持不变条件下齿槽转矩随偏心距变化情况，以及在极槽数和偏心距一定情况下极弧系数对电机齿槽转矩的影响进行研究。
在极槽数和极弧系数确定情况下，随着转子静态偏心程度的增大，电机的齿槽转矩幅值必将增加。此外，无论电机偏心距存在与否，电机齿槽转矩幅值和极弧系数变化关系基本一致，也在极弧系数0.75时存在最小的齿槽转矩。
3 基于齿槽转矩最小的优化设计
考虑影响电机齿槽转矩幅值的设计参数较多，本节从电机设计角度出发，以最小的电机齿槽转矩为目标，选取对齿槽转矩有重要影响的设计参数如极弧系数、转子槽口宽和转子斜槽个数为优化变量，建立基于遗传算法的天窗电机优化设计模型。
为了在电机电磁设计过程中能较准确地计算电机齿槽转矩，采用考虑永磁体有限长度和转子开槽对磁场影响的齿槽转矩表达式。
3.1 基于遗传算法的天窗电机参数优化流程遗传算法是模拟生物界自然选择和自然遗传机理高度并行、随机搜索和自适应寻优方法。
本节主要对优化变量、约束条件和目标函数选择进行介绍。（1）优化变量：初始化染色体种群的每个染色体包含3个基因的个体，分别为：转子槽口宽、极弧系数、转子斜槽数。（2）约束条件：天窗电机设计需要满足主要约束包括极弧系数αp≤0.80；齿部磁密Bta≤1.9T；槽满率Sf≤79%等。（3）目标函数：本文选取齿槽转矩幅值最小作为目标函数。（4）遗传算法参数：初始种群数目为100，初始交叉概率0.9，初始变异概率0.01。
3.2 基于最小齿槽转矩的电机优化设计方案
应用上述基于遗传算法的天窗电机参数优化设计模型，以电机的齿槽转矩最小为目标，对某汽车天窗电机主要设计参数进行了优化。由优化前后电机设计变量及电机齿槽转矩对比可以看出，优化后得到的电机设计方案可以大幅度地削弱电机齿槽转矩。
4 结论
通过综合电机齿槽转矩的削弱方法，本文研究了天窗电机极槽配合、极弧系数选择以及转子静态偏心情况对齿槽转矩的影响；建立了以最小齿槽转矩为目标函数的天窗电机电磁优化设计模型。得到主要结论如下：1）针对现有8槽结构天窗电机，电机齿槽转矩的幅值将随电机极数的增加而急剧增大。因此，原始设计方案2极8槽的电机结构相对于其他多极结构能更好地削弱电机齿槽转矩。2）在极槽配合和极弧系数一定情况下，随着转子静态偏心程度的增大，电机齿槽转矩也会随之增大。但是，无论电机偏心距存在与否，电机齿槽转矩幅值和极弧系数变化关系基本一致。3）通过建立基于遗传算法的天窗电机电磁优化设计模型，得到了满足电机性能条件下最小齿槽转矩的优化设计方案，为低噪声的天窗电机设计提供设计依据。
参考文献
[1] 李辉，许艮，杨超，等.天窗电机噪声测试及特征频率提取方法，[J].中国电机工程学报，2011，31（18）：87-92.