电动汽车用新型双定子双馈混合励磁电机的设计研究

摘要

随着能源紧缺与环境污染的日益严峻，节能与环保被世界各国提上议程并受到高度重视。而传统内燃式汽车的尾气排放及汽油消耗问题成为构成环境污染及能源紧缺的主要因素之一。电动汽车的出现给传统汽车行业带来了前所未有的机遇，以其低污染、节能高效等优势得到各国政府的大力支持。未来，电动汽车要想代替传统燃油汽车，其驱动行驶性能必须要能与传统燃油汽车相当甚至更加优越，电动汽车复杂的运行工况对驱动电机系统提出了更高的要求。传统永磁同步电机具有高功率密度、高转矩密度、高效率等优点而成为目前电动汽车驱动电机主要的研究方案，但存在磁场调节困难及永磁体易退磁两大问题限制其推广与应用。因此研究具有高输出能力、高可靠性及宽调速范围的新型驱动电机系统将具有重要的意义。与定子永磁型电机相比，转子永磁型电机在电动汽车驱动领域的应用更加成熟。如何在转子永磁型电机上实现高输出、高可靠及宽调速方面存在亟待解决的关键问题，具有广阔的市场及应用前景。 本文突破传统转子永磁型无刷混合励磁电机设计束缚，将双定子结构、交替极、交流励磁结合提出了一种新型双定子双馈混合励磁电机。该电机拓扑具有如下特点：（1）内外定子分别放置电枢绕组与励磁绕组，降低电枢绕组与励磁绕组的耦合，使得电机空间得到更有效的利用；（2）转子采用NS交替极结构设计，即NS充磁永磁体与铁芯极交替排布，减少永磁体用量的同时铁芯极可充当转子上可变磁通的磁极；（3）励磁绕组位于内定子上，避免电刷与滑环，实现无刷化且交流励磁的设计既可调节外气隙磁场又可在内气隙中产生转矩输出，达到电机高输出与宽调速的平衡；（4）电枢绕组采用三层错齿集中绕组，有效地将NS交替极结构与集中绕组相结合，改善由于NS交替极不平衡气隙磁通引起的反电势波形恶化的问题同时具有集中绕组的高可靠性与容错性的特点。 该新型双定子双馈混合励磁电机将是适用于电动汽车高输出、高可靠、宽调速驱动系统的新型结构类型电机，其工作原理、设计方法、控制策略等等将不同于传统转子永磁型混合励磁电机，因此仍存在大量基础性问题有待研究。本文首先介绍了少稀土电机及转子永磁型无刷混合励磁电机国内外研究现状，并研究了交替极永磁同步电机的基本性能，在此基础上提出新型双定子双馈混合励磁电机，详细阐述其拓扑结构及工作原理，并对一台2kW的原理样机进行设计包括相数选择、极槽配合、电枢绕组及励磁绕组等。 然后，利用有限元软件Ansoft建立该电机二维仿真模型，分析其基本电磁性能，并且研究其主要设计参数包括永磁极、铁芯极等对其性能的影响，在此基础上对该电机进行一定的优化。此后建立该电机的数学模型，采用Matlab/Simulink搭建其仿真模型，动态分析该电机的调速特性。 最后，对2kW的实验样机进行测试包括阻感测试、反电势测试等，验证所提出的新型双定子双馈混合励磁电机拓扑方案的合理性与正确性。

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