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电动汽车用直驱式永磁无刷直流电机的优化设计与分析

作 者: 潘章慧
导 师: 李进京
学 校: 山东农业大学
专 业: 农业生物环境与能源工程
关键词: 直驱电机 优化设计 绕组串并联 齿槽转矩
分类号: TM33
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
下 载: 42次
引 用: 0次
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内容摘要


伴随着汽车产业的高速发展,石油资源短缺、环境污染和气候变暖等一系列问题已经凸显出来了。以纯电动汽车为代表的新能源汽车必将成为我国汽车发展的主要方向之一。而驱动电机作为纯电动汽车唯一的动力源,其性能好坏将直接影响整车运行的动力性、稳定性和续驶里程,因此设计一款能满足电动汽车安全行驶,并具有宽范围高效区的驱动电机具有重要意义。首先分析了电动汽车对驱动电机的性能要求,确定电机各项额定技术指标,包括电机额定功率、额定电压、额定电流等;给出了永磁无刷直流电机工作时的相关公式,为串并联绕组设计提供了理论基础;针对电动汽车驱动特性的分析和驱动电机自身特点的研究,利用SolidWorks三维设计软件建立了直驱电机的机械结构模型,包括电机冷却系统的设计;分析了电枢绕组串并联对提高电机转矩和转速范围的原理,给出了绕组总体设计方案;给出了霍尔位置传感器安装方法,完成了电机总体方案的设计。利用磁路法和相关经验公式对电机的主要尺寸进行初步计算,然后基于AnsoftMaxwell有限元软件分别对电机定子电枢内径和有效长度,定子槽型及冲片尺寸,转子磁路结构,永磁体材料、充磁方向和尺寸,电磁负荷,气隙长度,极槽配合方案和电枢绕组等关键参数进行研究分析,反复调整、验证和修改,完成了电磁方案的优化设计。在电机机械结构和电磁方案的基础上,对电机在空载和负载下的瞬态性能进行仿真分析,得到了电机运行过程中电与磁的变化规律及分布情况,如电机的电磁转矩、绕组电流、电压波形、电机转速、绕组磁链、感应电动势等电磁量,同时可以观察任意时刻的磁场分布情况(如磁力线、磁密分布和计算电机漏磁系数),校核是否存在局部过饱和点,从而调整设计参数,优化电机结构。通过对齿槽转矩的分析,得出了抑制齿槽转矩的措施,并利用有限元软件分析了电机的极槽配合、极弧系数、槽口宽度、斜槽等参数对齿槽转矩的影响,以减小齿槽转矩为目标对电磁方案进一步优化。提出并采用定子电枢绕组串并联切换方法来扩大电机的转速范围,在低速爬坡和起步加速工况下使用串联绕组来改善电机高转矩运行特性;在巡航和高速行驶时使用绕组并联方式来改善电机高速低转矩运行特性。利用Matlab/Simulink搭建了双速电机的仿真平台,对比两种模式下电机的起动特性以及运行过程中的转速、转矩及三相电流。

全文目录


目录  4-7
中文摘要  7-8
Abstract  8-10
1 引言  10-18
  1.1 研究目的和意义  10-11
  1.2 国内外研究及应用现状  11-15
    1.2.1 电动汽车的研究及应用现状  11-14
    1.2.2 驱动电机的研究及应用现状  14-15
  1.3 研究内容和技术路线  15-17
    1.3.1 研究内容  15-16
    1.3.2 技术路线  16-17
  1.4 本章小结  17-18
2 直驱式电机整体方案设计  18-29
  2.1 电动汽车对驱动电机的性能要求  18
  2.2 驱动电机技术指标的确定  18-21
    2.2.1 电动汽车行驶阻力分析  18-19
    2.2.2 电动汽车整车性能参数  19-20
    2.2.3 电机额定转速的确定  20
    2.2.4 电机额定功率的确定  20-21
    2.2.5 电机额定电压的确定  21
  2.3 永磁无刷直流电机的数学模型  21-23
  2.4 电机整体机械结构设计  23-24
  2.5 电机水冷设计  24-25
  2.6 电机串并联双速绕组设计  25-28
    2.6.1 双速绕组切换设计原理  25-26
    2.6.2 绕组切换前后电机参数的变化  26
    2.6.3 双速绕组切换的实现  26-28
  2.7 电机位置传感器设计  28
  2.8 本章小结  28-29
3 基于有限元法的电磁方案设计  29-46
  3.1 Ansoft Maxwell 有限元软件简介  29
  3.2 有限元模型的建立  29-31
    3.2.1 材料定义  29-30
    3.2.2 激励电路模型  30
    3.2.3 模型建立及网格划分  30-31
  3.3 定子电枢内径和有效长度的确定  31-32
  3.4 电磁负荷的选取  32-33
  3.5 极槽配合方案的确定  33-34
  3.6 槽型及冲片尺寸的设计  34-36
  3.7 转子磁路结构和永磁体的设计  36-41
    3.7.1 电机磁路结构设计  36-37
    3.7.2 永磁体材料选择  37-38
    3.7.3 充磁方向设计  38-40
    3.7.4 永磁体尺寸设计  40-41
  3.8 气隙长度的设计  41-42
  3.9 电枢绕组的设计  42-45
  3.10 本章小结  45-46
4 电机性能的优化和仿真分析  46-64
  4.1 电机空载瞬态性能分析  46-51
    4.1.1 空载磁场计算  46-48
    4.1.2 空载漏磁系数计算  48-49
    4.1.3 空载反电动势计算  49-50
    4.1.4 齿槽转矩计算  50-51
  4.2 电机负载性能分析  51-55
    4.2.1 外电路加载  51-52
    4.2.2 电机负载特性分析  52-54
    4.2.3 电机负载磁场计算  54-55
  4.3 齿槽转矩的抑制  55-61
    4.3.1 齿槽转矩形成机理  56-57
    4.3.2 极槽配合对齿槽转矩的影响  57-58
    4.3.3 极弧系数对齿槽转矩的影响  58-59
    4.3.4 槽口宽度对齿槽转矩的影响  59
    4.3.5 斜槽对齿槽转矩的影响  59-61
  4.4 基于 Matlab/Simulink 的双速电机仿真分析  61-63
  4.5 本章小结  63-64
5 样机的试制与测试  64-68
  5.1 样机的试制  64-66
  5.2 电机的测试  66-67
  5.3 本章小结  67-68
6 结论与建议  68-70
  6.1 结论  68
  6.2 创新点  68-69
  6.3 建议  69-70
参考文献  70-74
致谢  74-75
硕士期间发表论文情况  75

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电机 > 直流电机
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