电动汽车用永磁同步电机设计方法及相关问题的研究

摘要

由于能源与环境问题带来的影响，传统汽车产业正在向“电动”转变，世界各国和各大汽车厂商无不投入巨资进行电动汽车的研究。作为电动汽车核心驱动部件的电机系统，是这一方向的研究热点。然而，目前电动汽车用电机的设计大多数还局限于传统工频供电电机的设计方法，即基于电机额定工况运行的稳态设计方法。但电动汽车用电机由于汽车的频繁启停、加减速等，它的运行工况非常复杂，采用这种传统的设计方法显然不能满足电动汽车的要求。因此，本文将从电动汽车对驱动电机的要求出发，以永磁同步电机为例，尝试从电动汽车角度进行驱动电机设计及相关问题的研究。
　　电动汽车驱动电机不仅关注传统的额定性能，更重视峰值性能、区域性能等特殊指标。本文针对电动汽车的特殊要求，建立了一套电动汽车用永磁同步电机设计方法。方法包括六个部分，分别是：(1)主要尺寸设计。(2)磁路设计、绕组设计和电路参数设计。(3)额定工作性能设计。(4)弱磁扩速比和过载倍数计算。(5)区域性能设计。(6)依据车辆循环工况的电机性能设计。设计方法始终与电机的控制策略相结合，不仅实现了弱磁扩速比、过载倍数和Map图的计算，而且计算结果更符合实际情况，准确度更高。依据循环工况的工作性能计算，使电机本体设计兼顾了电动汽车的行驶情况，让电机更好的满足驱动车辆的要求。
　　电机尺寸对于整车的布置非常重要。因此，在整车设计阶段如何根据整车的要求，快速、准确给出电机主要尺寸估算结果，而不需要大量的计算就很有意义。为此，本文研究了主要尺寸公式，根据电机尺寸的基本关系，结合电负荷等参数的表达式，推导出了电机定子内径和定子外径之间关系的解析表达式，解决了传统尺寸公式已知电机尺寸，预测电机功率能力不方便的问题。
　　电枢反应电抗计算是电动汽车用永磁同步电机设计的必要步骤，一般地，电枢反应电抗计算需要进行大量有限元计算。本文针对这一情况，修正了传统永磁同步电机直交轴电抗解析计算法，在提高解析计算精度的同时，大幅减少了有限元计算所占用的时间。以此为基础，又给出了基于直交轴电枢反应折合系数的转子磁路结构对比方法。方便了估算阶段的电机设计方案对比。
　　温升计算，尤其是暂态温升的计算，是电动汽车电机复杂工况分析的基础。本文首先分析了集总热容等效法误差产生的原因，在此基础上，给出了一个近似计算公式，使集总热容等效法的计算精度得到了提高。然后，将电机的暂态温升问题等效为一维复合无限长平板的导热问题，并采用格林函数法求得了求解区域内偏微分方程组的近似解析解。解函数不仅可以描述温度随时间的变化情况，而且能够反映温度在空间上的分布。最后，通过实验验证了公式的精度，误差在10％以内。
　　电动汽车驱动系统的结构决定了电动汽车驱动电机的类型。本文针对双电机加 AMT混合动力轿车、单轴转矩并联混合动力客车、双电机加行星齿轮重型混合动力车和轮式驱动电动汽车，讨论了低速大转矩型、高速小转矩型和高功率大转矩型三种不同电动汽车驱动电机的设计特点，并给出了相应的设计建议。
　　本文给出的电动汽车用永磁同步电机设计方法充分考虑了电动汽车驱动用电机的特点，并经过了较多工程实践的检验，为电动汽车驱动电机的研究奠定了一定基础。
　　课题获国家863电动汽车专项“红旗牌混合动力轿车电机及其控制系统”和“解放牌混合动力客车电机及其控制系统”、横向项目“高功率密度永磁同步电机的研究”和“电动轮的研制”资助。其中，混合动力轿车用永磁同步电机通过了国家863电动汽车专项的测试，测试结果验证了方法的有效性。

目录

电动汽车用永磁同步电机设计方法及相关问题的研究

RESEARCH ON DESIGN METHODS AND RELATED PROBLEMS OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR FOR ELECTRIC VEHICLES APPLICATION

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 电动汽车用永磁同步电机设计方法的研究现状

1.2.1 基本设计步骤

1.2.2 设计中的磁路计算与磁场计算

1.3 电动汽车用永磁同步电机相关设计问题的研究现状

1.3.1 主要尺寸公式

1.3.2 直轴交轴电抗计算方法

1.3.3 转子磁路结构

1.3.4 温升计算

1.4 典型电动汽车用永磁同步电机工程样机

1.4.1 Prius车的电机驱动系统

1.4.2 Civic车的电机驱动系统

1.4.3 轮式驱动系统中的电机

1.5 本文的主要研究内容

第2章 电动汽车用永磁同步电机设计特点及 设计方法研究

2.1 引言

2.2 电动汽车用永磁同步电机设计特点分析

2.3 电动汽车用永磁同步电机主要性能的设计

2.3.1 工作性能的计算方法

2.3.2 弱磁扩速比的计算方法

2.3.3 过载倍数的计算方法

2.4 电动汽车用永磁同步电机的区域性能设计

2.5 基于电动汽车循环工况的性能计算

2.6 电动汽车用永磁同步电机的设计方法

2.7 本章小结

第3章 电动汽车用永磁同步电机相关设计参数 计算方法的研究

3.1 引言

3.2 主要尺寸公式的研究

3.2.1 电机定子内径和定子外径解析关系的推导

3.2.2 公式的算例

3.2.3 公式的验证

3.3 直轴交轴电枢反应电抗解析计算的研究

3.3.1 直轴电枢反应电抗的解析计算

3.3.2 交轴电枢反应电抗的解析计算

3.4 基于直轴交轴电枢反应折算系数的转子结构对比方法

3.5 本章小结

第4章 电动汽车用永磁同步电机暂态温升的 解析计算法

4.1 引言

4.2 基于集总热容等效热路的暂态温升计算法

4.2.1 稳态温升的计算

4.2.2 集总热容等效热路计算暂态温升

4.2.3 计算结果分析

4.2.4 集总热容等效热路计算法的改进

4.3 基于一维复合介质热传导的解析计算法

4.3.1 导热偏微分方程近似解析解的推导

4.3.2 计算结果分析

4.4 本章小结

第5章 不同类型电动汽车用永磁同步电机的 设计特点

5.1 引言

5.2 双电机加AMT混合动力轿车的驱动电机

5.2.1 轿车电机的设计特点

5.2.2 样机的实验

5.3 单轴转矩并联式混合动力客车的驱动电机

5.3.1 客车电机的设计特点

5.3.2 设计方案对比研究

5.4 双电机加行星齿轮重型混合动力汽车的驱动电机

5.4.1 重型车辆电机的设计特点

5.4.2 设计实例

5.5 外转子轮式驱动用电机

5.5.1 轮式电机的设计特点

5.5.2 外转子电机设计的特殊性

5.6 本章小结

结 论

参考文献

附录A 不同槽型公式的推导

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历