Influence of permanent magnet parameters on the performances of claw pole machines used in hybrid vehicles

Abstract

Claw pole machines (CPM) are commonly used in the automotive industry. Recently, importance has focused on the use and introduction of permanent magnets (PM) in this type of machine to increase the power density. This paper studies the performance of permanent magnet claw pole machines (PM-CPM) used in hybrid electric vehicle applications. The structure considers that the PMs are placed between the claws of the rotor. Purpose. The influence of the PM magnetization effect on the performance of synchronous PM-CPM is analyzed. Radial and tangential magnetizations are applied to obtain the best possible sinusoidal shape of the electromotive force and an acceptable cogging torque. Then, the electromagnetic performance of the PM-CPM is analyzed and evaluated. Furthermore, due to the complexity of the rotor armature, it seems difficult to give a direct relationship between the PM parameters and the machine torque. This led us to study the effects of magnets geometrical dimensions variations on the torque and its ripple. Method. 3D nonlinear model of the machine is analyzed using the finite element method and comparisons between some electromagnetic performances are processed. Results. It was found that the tangential magnetization of PMs makes it possible to obtain a better distribution of the flux density and a minimum of cogging torque mainly responsible for vibrations and acoustic noise. Also, we observed a non-linear variation between the torque and its ripples depending on the dimensions of the PM. In fact, electromagnetic torque increases linearly with PM size but this is not the case for torque ripples.

Машини з нігтьовим полюсом (CPM) зазвичай використовуються в автомобільній промисловості. Останнім часом велика увага приділяється використанню та впровадженню постійних магнітів (PM) у машинах цього типу для збільшення питомої потужності. У цій статті вивчаються характеристики машин з нігтьовим полюсом із постійними магнітами (PMCPM), що використовуються у гібридних електромобілях. У конструкції передбачено, що PM розміщуються між кулачками ротора. Мета. Проаналізовано вплив ефекту намагнічування PM на продуктивність синхронного PM-CPM. Радіальна та тангенціальна намагніченість застосовуються для отримання максимально можливої синусоїдальної форми електрорушійної сили та прийнятного зубчастого моменту. Потім аналізуються та оцінюються електромагнітні характеристики PM-CPM. Крім того, через складність якоря ротора здається скрутним встановити пряму залежність між параметрами PM і крутним моментом машини. Це спонукало вивчити вплив змін геометричних розмірів магнітів на крутний момент і його пульсації. Метод. Тривимірна нелінійна модель машини аналізується з використанням методу скінченних елементів та виконується порівняння деяких електромагнітних характеристик. Результати. Встановлено, що тангенціальне намагнічування PM дозволяє отримати кращий розподіл магнітної індукції та мінімуму зубчастого моменту, відповідального головним чином за вібрації та акустичний шум. Також ми спостерігали нелінійну зміну крутного моменту та його пульсацій залежно від розмірів PM. Фактично, електромагнітний крутний момент збільшується лінійно з розміром PM, але це не відноситься до пульсацій крутного моменту.