多单元内置式永磁容错直驱电机的设计与研究

摘要

随着时代进步，安全高效地使用能源、建设可持续发展的环境成为社会最关注的问题，电气驱动系统及其相关产业也随之到达了一个高速发展的阶段。电驱系统在电动汽车、多电飞机、舰船驱动等领域是非常关键的技术。而对这些应用背景来说，提高系统输出效率是最主要的目标。除此之外，在系统安全性上也有一定的要求，也就使得驱动系统需要具有较高的可靠性。近年来，由于外转子轮毂电机系统能实现机械结构的简化，多单元电机系统能实现电气结构的集成化，两者分别引起了研究人员的广泛关注。 本文以车轮直接驱动的纯电动汽车为背景，结合以上两种结构驱动电机的特点，对低速大转矩的外转子型多单元永磁容错同步电机开展研究，研究内容主要包括以下几个方面： 首先，推导了外转子轮毂电机的尺寸方程，根据基本的工作原理及其应用背景的分析，确定了额定设计参数，明确了设计流程。 其次，讨论了5种多单元永磁电机的极槽配合方案，通过合理的方案选择，可以使电机具有较好的输出性能和容错性能。在此基础上，针对24槽20极方案设计了V型永磁体外转子，研究了其与表贴式永磁体外转子电机在电感、稳态电磁转矩和空载反电势上的差异，分析了采用V型永磁体外转子的优势与劣势。 然后，探索了定子槽位移优化方式在分数槽集中绕组电机中的应用，对单、双层绕组下槽位移的规律进行了总结与比较，并通过槽导体反电势星形图的分析给槽位移提供了坚实的理论支撑。在此基础上，利用有限元软件建立了多单元内置式永磁容错直驱电机的参数化模型。以转矩、转矩脉动、单位永磁体输出转矩等为性能指标，选取变量对电机进行多参数优化，得到优化方案。利用响应面的方法，给出了不同性能指标下结构参数的敏感度，并计算了优化方案的损耗与效率，验证了方案的有效性。 最后，对多单元电机进行温度场仿真。从传热学的理论基础出发，对热导率、换热系数等进行了等效计算，进而计算了电机三维模型的稳态温度场情况。结果包含了电机定、转子，电枢绕组，永磁体等各处温度分布，为电机绝缘材料耐热等级的选取以及进一步的优化提供了理论依据。

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