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混合动力车用无刷爪极双转子电机的研究

作　者: 吴芊
导　师: 郑萍
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电机与电器
关键词: 混合动力系统爪极电机双转子电机转矩密度功率因数
分类号: TM359.9
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

复合结构电机是两台电机的高度集成，这种电机作为一种新兴的混联式混合动力系统的核心部件，能够分配内燃机和蓄电池的能量流动，达到提高车辆燃油经济性和降低尾气排放的目的。目前国际上对有刷复合结构电机的研究已趋于成熟，已有的研究工作证明了该方案的可行性和先进性，但也表明该方案存在内转子绕组严重发热和需要电刷滑环馈电的问题。本文提出一种新型无刷爪极双转子电机（Brushless Claw Pole Double Rotor Machine, BCDRM），该电机可以与不同结构的传统电机相配合，构成无刷复合结构电机方案。该方案既可以实现内燃机转矩转速独立控制，又能解决当前困扰业内的绕组发热和需要电刷滑环馈电的问题。本文所做的工作主要包括以下几个部分：首先，分析了无刷爪极双转子电机的主磁通和漏磁通的分布，根据无刷爪极双转子电机的磁路特点，建立了该电机的等效磁路模型；并以电机的等效磁路模型为基础，推导出了模型中各部分磁阻以及磁路不饱和情况下电磁转矩和电抗的解析表达式。其次，采用三维有限元分析方法计算了电机的磁通密度分布、空载反电动势、空载漏磁系数及电抗等参数；针对无刷爪极双转子电机漏磁丰富且路径复杂问题，对该种电机漏磁通进行了分析计算，修正了磁路模型中磁阻解析公式中近似处理带来的误差。另外，为了简化三维场计算复杂性和节省计算时间，研究了适用于工程应用的简化二维有限元模型，并研制了一套完善的电机实用设计流程，为该种电机的设计提供了快捷有效的方法。再次，推导了无刷爪极双转子电机的转矩密度和齿槽转矩的解析表达式，得出其转矩密度和齿槽转矩与电机主要设计参数之间的联系，进而用三维有限元法对电机转矩性能进行优化，得到了电机永磁转子结构、极对数、气隙长度、主要尺寸比以及爪极结构的最佳设计。之后，针对无刷爪极双转子电机漏磁通丰富所导致的功率因数偏低的缺点，研究了永磁体、绕组匝数、电流幅值和相角等参数对功率因数的影响趋势，给出了提高功率因数的途径。另外，探讨了硅钢片、软磁复合材料和实心铁作为爪极铁心时的铁心损耗，并且据此最终确定选用硅钢片材料制作爪极转子；对经过优化设计的无刷爪极双转子电机的各种损耗进行了计算，总结出各种损耗的比例关系并对该电机的效率进行了评价。最后，研制了一台无刷爪极双转子电机的样机，并对样机进行了实验测试和功能性验证。通过对比空载反电动势、齿槽转矩和电抗等参数的测试结果与计算结果，验证了理论分析的正确性和可行性。另外，在实验平台上对电机在混合动力车中的各种工作模式进行了实验模拟，测试结果验证了无刷爪极双转子电机的转速调节功能，为下一步该电机在混合动力车中的实际应用奠定了理论和技术基础。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-14
第1章绪论  14-31
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  14-15
  1.2 复合结构电机研究发展状况  15-24
    1.2.1 有刷复合结构电机的研究现状  16-20
    1.2.2 无刷复合结构电机的研究现状  20-24
  1.3 爪极电机研究发展状况  24-29
    1.3.1 爪极电机结构的发展状况  24-27
    1.3.2 爪极电机研究工作的发展状况  27-29
  1.4 本文的主要研究内容  29-31
第2章无刷爪极双转子电机的解析分析  31-51
  2.1 引言  31
  2.2 无刷爪极双转子电机的结构及工作原理  31-40
    2.2.1 无刷爪极双转子电机的结构  31-33
    2.2.2 无刷爪极双转子电机的数学模型  33-35
    2.2.3 无刷爪极双转子电机的转速调节原理  35-37
    2.2.4 无刷爪极双转子电机的工作模式分析  37-40
  2.3 无刷爪极双转子电机的参数及性能分析  40-50
    2.3.1 等效磁路模型的建立  40-42
    2.3.2 磁路参数分析  42-46
    2.3.3 磁通与电磁转矩的分析  46-48
    2.3.4 电抗参数分析  48-50
  2.4 本章小结  50-51
第3章无刷爪极双转子电机的三维场分析及简化建模方法  51-67
  3.1 引言  51
  3.2 无刷爪极双转子电机的三维有限元分析  51-60
    3.2.1 三维有限元模型的建立  51-53
    3.2.2 空载磁密的分析  53-55
    3.2.3 空载反电动势的分析  55-57
    3.2.4 漏磁系数的计算  57-58
    3.2.5 电抗参数的计算  58-60
  3.3 无刷爪极双转子电机的简化建模方法  60-66
    3.3.1 简化二维模型建立  60-62
    3.3.2 二维场与三维场仿真结果对比  62-64
    3.3.3 无刷爪极双转子电机的实用设计流程  64-66
  3.4 本章小结  66-67
第4章无刷爪极双转子电机转矩的分析与优化  67-81
  4.1 引言  67
  4.2 无刷爪极双转子电机转矩性能的解析分析  67-71
    4.2.1 转矩密度的解析分析  67-69
    4.2.2 齿槽转矩的解析分析  69-71
  4.3 无刷爪极双转子电机转矩的有限元优化  71-80
    4.3.1 永磁转子形式对转矩性能的影响  71-73
    4.3.2 极对数对转矩性能的影响  73-75
    4.3.3 电机主要尺寸比对转矩性能的影响  75-76
    4.3.4 气隙长度对转矩性能的影响  76-77
    4.3.5 爪极形状对转矩的影响  77-80
  4.4 本章小结  80-81
第5章无刷爪极双转子电机功率因数和效率的分析  81-92
  5.1 引言  81
  5.2 电机功率因数的分析  81-86
    5.2.1 功率因数影响因素的分析  81-83
    5.2.2 永磁体尺寸对功率因数的影响  83-84
    5.2.3 绕组匝数和输入电流幅值对功率因数的影响  84-85
    5.2.4 输入电流相角对功率因数的影响  85-86
  5.3 电机损耗及效率的计算  86-91
    5.3.1 铜耗的计算  86-87
    5.3.2 铁耗的计算  87-89
    5.3.3 机械损耗的计算  89-90
    5.3.4 效率和功率密度的计算  90-91
  5.4 本章小结  91-92
第6章无刷爪极双转子电机的样机研制与实验研究  92-106
  6.1 引言  92
  6.2 样机的研制  92-96
    6.2.1 爪极转子部件的制作  93
    6.2.2 永磁转子部件的制作  93-94
    6.2.3 定子部件的制作  94-95
    6.2.4 样机的组装  95-96
  6.3 无刷爪极双转子电机性能的实验评估  96-105
    6.3.1 样机的测试平台  96-97
    6.3.2 空载反电动势测试  97-99
    6.3.3 齿槽转矩测试  99-100
    6.3.4 空载损耗及效率测试  100-102
    6.3.5 电流相角对功率因数影响的测试  102-103
    6.3.6 转速调节功能的实验验证  103-105
  6.4 本章小结  105-106
结论  106-108
参考文献  108-118
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  118-122
致谢  122-123
个人简历  123

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