电动车辆再生制动用飞轮储能电机的研究

摘要

电动车辆作为一种以电能为原动力，采用牵引电机驱动的绿色环保交通工具，在城市公共交通系统中起着举足轻重的作用。其运行过程具有频繁起动和制动的特点，如能通过再生制动系统回收并再利用制动时的能量，对于提高电动车辆的能量利用率具有重要意义。由于综合性能突出，飞轮储能系统近些年来发展迅速，本文采用飞轮储能技术吸收再生制动能量，以一种新型拓扑结构轴向飞轮储能电机为研究重点，主要研究内容如下:
　　首先，归纳总结了电动车辆再生制动技术与飞轮储能技术的发展现状。以南京地铁1号线为研究对象，从运动学及列车牵引、制动特性曲线两个角度分别搭建了Matlab/Simulink仿真分析模型，定量分析了城市地铁列车再生制动能量的特征;据此，提出了用于飞轮储能的飞轮电机所需满足的基本性能要求，并对不同结构电机进行了对比，从诸多方面综合考虑，最终确定了飞轮储能电机的选型及设计要求。
　　其次，针对轴向永磁电机磁场与性能计算，基于等效磁路法构建了一种快速、准确的磁阻网络计算模型，同时可考虑磁路饱和、铁磁材料非线性及永磁磁场与电枢反应磁场相互作用等因素的影响。为实现简化计算，将所建立的磁阻网络类比转化为对应电阻网络，利用Matlab数学软件进行仿真分析，获取了网络各节点磁位，得到了电机磁场分布，计算了其静、动态电磁性能特征。在此基础上，基于遗传算法综合考虑电机电磁与机械性能约束，建立了以电机转矩密度与效率为目标的优化模型，借助遗传算法工具箱进行优化处理，获取了单目标和多目标优化结果，并通过三维有限元分析验证了等效磁路模型及遗传算法优化设计的可行性。
　　最后，制作了一台定子无磁轭模块化轴向永磁电机样机，并进行了样机的基本性能测试，进一步验证了等效磁路法的正确性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景与现实意义

1．2 电动车辆再生制动技术国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 飞轮储能技术的发展状况

1．4 本文主要内容和结构

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 论文结构

第2章 电动车辆再生制动能量分析与利用

2．1 引言

2．2 城轨交通供电系统

2．3 制动与再生能量吸收方式

2．3．1 电阻耗能型

2．3．2 电容储能型

2．3．3 飞轮储能型

2．3．4 逆变回馈型

2．4 电动车辆制动能量分析

2．4．1 运动学分析

2．4．2 牵引制动特性曲线分析

2．4．3 制动能量计算结果

2．5 本章小结

第3章 飞轮储能电机选型及新型拓扑结构研究

3．1 引言

3．2 飞轮储能及对电机性能要求

3．2．1 飞轮储能系统

3．2．2 飞轮储能用电机的性能要求

3．3 飞轮储能电机拓扑结构分析与对比

3．3．1 异步电机

3．3．2 磁阻电机

3．3．3 永磁电机

3．3．4 飞轮储能电机性能比较

3．4 新型轴向飞轮储能电机研究

3．4．1 飞轮电机基本参数

3．4．2 电机主要尺寸方程

3．4．3 飞轮电机电磁结构

3．4．4 飞轮电机设计参数

3．5 本章小结

第4章 轴向永磁电机磁场分析

4．1 引言

4．2 常用磁场分析方法

4．2．1 解析法

4．2．2 有限元法

4．2．3 等效磁路法

4．3 等效磁路模型

4．3．1 定子建模

4．3．2 转子与永磁体建模

4．3．3 气隙建模

4．4 等效磁路模型求解方法

4．5 电机电磁特性分析

4．5．1 气隙磁密

4．5．2 永磁磁链与空载反电动势

4．5．3 电磁转矩

4．5．4 损耗与效率

4．6 本章小结

第5章 飞轮储能电机遗传算法优化设计

5．1 引言

5．2．1 遗传算法基本思想

5．2．2 遗传算法基本操作

5．2．3 遗传算法的特点

5．2．4 多目标优化及Pareto最优解

5．2 遗传算法原理

5．3 飞轮储能电机优化模型

5．3．1 目标函数

5．3．2 优化变量

5．3．3 约束条件

5．4 遗传算法优化设计

5．4．1 MATLAB遗传算法工具箱

5．4．2 单目标优化设计

5．4．3 多目标优化设计

5．5 优化结果有限元验证

5．6 本章小结

第6章 轴向飞轮储能电机样机制作与实验

6．1 样机制作工艺

6．1．1 定子制作

6．1．2 转子制作

6．2 样机性能测试

6．2．1 电阻测量

6．2．2 反电动势波形

6．3 本章小结

第7章 全文总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢