新能源汽车驱动用永磁同步电机的设计

【摘要】：当今人类社会在石油资源匮乏、环境污染等严峻形势下，各国汽车厂商正逐步向汽车电力化道路方向转变，大力发展新能源汽车，这无疑是保证汽车动力最可靠、最具可持续发展性的技术路线，同时也将促进汽车工业可持续健康发展。对于新能源汽车来说，其驱动系统的核心就是驱动电机，驱动电机性能的优劣直接决定了新能源汽车性能的好坏。由于永磁同步电机具有铁耗小，效率高，功率密度大，输出转矩能力高并且运行平稳，调速范围宽，对控制器要求低等一系列优点，再加上我国稀土资源的优厚条件，本课题选定以永磁同步电机为研究对象，设计符合新能源汽车驱动要求的驱动电机。 目前新能源汽车驱动用永磁同步电机的设计方法还不够成熟，设计过程中还存在着许多瓶颈问题。本文对国内外有关永磁同步电机的设计分析方法和主要尺寸公式进行详细的研究分析，并据此提出本课题新能源汽车驱动用永磁同步电机的详细分析设计步骤，求得了本课题电机主要尺寸及各类电磁参数初始值。 在上述解析计算的基础上，借助RMxprt计算软件及Maxwell电磁有限元分析软件，建立本课题电机的初始仿真分析模型并对其进行相关电磁参数优化微调，并以提高磁密及反电势波形正弦度为目的设计了两款新型不均匀气隙的转子结构。仿真分析结果表明此两种新型转子结构电机的气隙磁密及反电势波形正弦度较传统均匀气隙电机有较大提高，满足新能源汽车电机控制器对波形及谐波率方面的要求。 利用电磁有限元分析软件对本课题设计的两款新型转子结构永磁同步电机的性能进行较为全面的仿真分析，结果表明此两款电机具有转矩输出能力高、转矩波动小、铁耗小、效率高等一系列优点。并将此仿真性能与当今国际上技术比较先进并成熟的永磁同步驱动电机测试结果进行对比分析，对比数据表明本文设计电机相关性能接近成熟永磁同步驱动电机的性能。 最后制造样机，搭建试验台，进行试验分析研究。通过实验数据与软件仿真数据比较表明，空载反电势大小实测值与仿真值误差在5%以内，并且其谐波率不超过5.5%。综合性能仿真及试验结果，表明本课题新能源汽车驱动用永磁同步电机设计较为合理并且能够适用于新能源汽车驱动系统。 【关键词】：新能源汽车 永磁同步电机 本体设计 有限元分析
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：U469.7;U463.63
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-21
• 1.1 课题来源及研究的目的意义9-13
• 1.2 新能源汽车驱动用永磁同步电机的研究现状13-19
• 1.2.1 日本和韩国新能源汽车驱动用永磁同步电机的研究现状13-16
• 1.2.2 欧美新能源汽车驱动用永磁同步电机的研究现状16-18
• 1.2.3 国内新能源汽车驱动用永磁同步电机的研究现状18-19
• 1.3 本文主要研究内容19-21
• 第2章 新能源汽车驱动用永磁同步电机的相关设计方法研究21-29
• 2.1 新能源汽车驱动用永磁同步电机设计特点分析21-23
• 2.2 永磁同步电机设计方法的分析23-24
• 2.3 新能源汽车驱动用永磁同步电机设计方法研究24-28
• 2.3.1 转子磁路结构的合理设计24-25
• 2.3.2 主要尺寸公式的分析25-27
• 2.3.3 新能源汽车驱动用永磁同步电机设计方法27-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第3章 新能源汽车驱动用永磁同步电机电磁设计29-39
• 3.1 永磁同步电机的结构类型29-30
• 3.2 永磁同步电机的解析计算30-36
• 3.2.1 定转子主要尺寸计算30-34
• 3.2.2 定子槽型主要尺寸计算34-35
• 3.2.3 永磁体尺寸计算35-36
• 3.2.4 绕组参数的研究36
• 3.3 永磁同步电机解析计算结果36-38
• 3.4 本章小结38-39
• 第4章 新能源汽车驱动用永磁同步电机的优化39-54
• 4.1 电磁仿真软件介绍39-40
• 4.1.1 RMxprt 软件工具介绍39
• 4.1.2 Maxwell 软件工具介绍39-40
• 4.2 利用 RMxprt 对永磁同步电机进行优化40-48
• 4.2.1 在 RMxprt 中生成永磁同步电机原型40-41
• 4.2.2 永磁体尺寸的优化41-43
• 4.2.3 气隙长度 的优化43-46
• 4.2.4 定子槽口宽度bs 0的优化46-48
• 4.3 利用 maxwell 对永磁同步电机进行分析改进48-53
• 4.3.1 RMxprt 原型永磁同步电机48-50
• 4.3.2 新型转子结构永磁同步电机50-53
• 4.4 本章小结53-54
• 第5章 新能源汽车驱动用永磁同步电机仿真分析与试验研究54-75
• 5.1 新能源汽车驱动用永磁同步电机仿真分析54-61
• 5.1.1 仿真软件精确度验证54-55
• 5.1.2 新能源汽车驱动用永磁同步电机空载仿真分析55-58
• 5.1.3 新能源汽车驱动用永磁同步电机负载仿真分析58-61
• 5.1.4 新能源汽车驱动用永磁同步电机齿槽转矩仿真分析61
• 5.2 新能源汽车驱动用永磁同步电机可行性验证分析61-66
• 5.2.1 电机本体主要尺寸及性能的对比62
• 5.2.2 电机反电势对比62-63
• 5.2.3 电机电磁转矩对比63-64
• 5.2.4 电机空载铁耗对比64-65
• 5.2.5 电机齿槽转矩对比65-66
• 5.3 新能源汽车驱动用永磁同步电机样机制造与试验研究66-74
• 5.3.1 样机制造66-67
• 5.3.2 电机空载特性试验67-71
• 5.3.3 电机负载特性试验71-74
• 5.4 本章小结74-75
• 结论75-77
• 参考文献77-82
• 致谢82

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