高功率密度纯电动汽车用永磁同步电机的研究

【摘要】：永磁同步电动机是电动汽车驱动电机中应用最为广泛的电机,衡量电机性能好坏的参数包括电机的效率及功率密度等。其中,提高电机的功率密度是改善电机性能的重要方法。 本文提出设计一台具有高功率密度的纯电动汽车用永磁同步电机。针对高功率密度永磁同步电机,以有限元分析为基本方法,以永磁电机设计理论为理论依据,在对电机电磁场进行数值计算的基础上确定设计电机的尺寸参数,包括确定电机转子内径、气隙长度及永磁体尺寸等设计内容,同时基于工程电磁场中的Ansoft有限元分析软件来建立该永磁同步电机的二维模型。 通过Maxwell2D仿真模型得到永磁同步电机的齿槽转矩、绕组磁链、气隙磁密、感应电动势等项目的仿真波形,进而得到电机磁密及磁密矢量分布图,并得出电机铁耗的仿真值。通过分析电机在不同转速下的转矩特性与功率特性来观察电机的峰值转矩及峰值功率,将仿真波形与课题要求设计电机的性能参数进行比对,仿真得出的性能指标符合要求设计电机的各项指标,表明电机仿真模型在合理转速范围内都可以稳定运行,从而验证得出电机设计方案的正确性。 通过仿真实验结果得出建立的二维有限元分析模型是准确的,从电机性能角度出发确定电机的极槽配合类型,并采用可以降低电机铁耗的转子结构,然后以模型电机的结构参数为依据进行样机制造,并对样机进行实验测定以判断其性能。样机实验测定的内容包括电机直流阻抗的比较、反电动势的比较、电机在216VDC、230VDC及320VDC下的转矩特性与功率特性测定,最后进行电机的温升实验。将仿真所得数据与实验测定数据进行比对得到二者基本一致的结果,该样机在不同电压等级下都可以正常运行。最终得出该样机实验能够充分说明所设计样机很好地达到了课题所要求设计电机的各项性能指标。 【关键词】：电动汽车 永磁同步电机 高功率密度 有限元分析
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM341
【目录】：

• 致谢5-6
• 中文摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1 绪论11-19
• 1.1 电动汽车的分类及发展趋势11-12
• 1.1.1 电动汽车的分类与发展现状11-12
• 1.1.2 电动汽车的发展趋势12
• 1.2 电动汽车用电机的主要类型12-14
• 1.3 电动汽车用永磁同步电机的结构与研究热点14-17
• 1.3.1 电动汽车用永磁同步电机的结构14-15
• 1.3.2 电动汽车用永磁同步电机的国内外发展现状15-17
• 1.3.3 永磁同步电机设计结构的研究热点17
• 1.4 课题设计电机的技术创新点17
• 1.5 论文主要内容17-19
• 2 高功率密度永磁同步电机的参数设计理论19-31
• 2.1 电机主要尺寸的设计19-20
• 2.2 永磁同步电机磁路计算过程20-24
• 2.2.1 计算极弧系数与气隙磁场波形系数20-21
• 2.2.2 永磁体设计理论21-24
• 2.3 电机绕组的设计24
• 2.4 电机电路参数的计算24-27
• 2.4.1 空载反电动势24
• 2.4.2 空载励磁电动势24-25
• 2.4.3 交轴及直轴电枢反应电抗25-27
• 2.5 电机工作性能的计算27-29
• 2.5.1 电机的电磁转矩27-28
• 2.5.2 电机的损耗分析28-29
• 2.6 本章小结29-31
• 3 高功率密度永磁同步电机的电磁设计31-49
• 3.1 电机极对数与槽数的选取32
• 3.2 电机转子磁路结构设计32-34
• 3.3 样机结构尺寸参数34-35
• 3.4 基于Ansoft的永磁同步电机电磁场分析理论35-39
• 3.4.1 Ansoft基本介绍35
• 3.4.2 二维电磁场基本理论及二维有限元计算方法35-38
• 3.4.3 永磁同步电机的二维建模38-39
• 3.5 基于Ansoft的永磁同步电机仿真模型电磁分析39-48
• 3.5.1 电机电磁模型的网格剖分及磁通密度分布39-41
• 3.5.2 电机电磁模型的磁力线分布41-42
• 3.5.3 电机电磁模型的磁路及磁密矢量分布42-44
• 3.5.4 电机电磁模型气隙磁场H分布及气隙磁密44-45
• 3.5.5 电机电磁模型的运行性能仿真结果45-48
• 3.6 本章小结48-49
• 4 样机测试分析49-71
• 4.1 样机材料的选取49-50
• 4.2 样机实验内容及结果分析50-70
• 4.2.1 样机直流阻抗的实测比较50
• 4.2.2 样机反电动势的比较50-51
• 4.2.3 样机在直流216V、230V与320V电压下电机性能分析51-66
• 4.2.4 样机的温升实验结果66-69
• 4.2.5 样机的连续转矩与功率69-70
• 4.3 本章小结70-71
• 5 结论71-73
• 参考文献73-75
• 作者简历75-79
• 学位论文数据集79

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