混合永磁型少稀土永磁无刷电机的设计与研究

摘要

近年来，随着能源环保的不断深入，以“智能化、电动化、电商化、共享化”为设计理念的新能源电动汽车获得了国内外众多汽车企业和研究学者的密切关注，推动了电动汽车的迅猛发展。考虑到各种复杂的工况条件，电动汽车对其驱动电机提出了较高的性能需求。稀土永磁电机由于具有高功率密度、高效率与高可靠性等优点，在电动汽车驱动电机领域获得了广泛应用。然而，由于不断扩大的市场需求与不合理的开采利用等引发了稀土资源危机，非稀土或少稀土类永磁电机逐渐成为了电动汽车驱动领域的研究热点方向之一。 本文为了降低对稀土永磁的依赖性，引入多励磁源共同励磁的概念，提出了一种混合永磁型少稀土永磁无刷电机（less-rare-earth permanent magnet brushless motor with hybrid permanent magnet material, 简称LRE-PMBL电机），并对该电机的电磁优化设计与实验等进行了研究。 首先，论述了电动汽车的研究背景以及非稀土或少稀土类电机的研究意义，针对电动汽车驱动电机的性能需求，提出了一种LRE-PMBL电机，该电机采用稀土钕铁硼和非稀土铁氧体永磁共同励磁的形式。 其次，通过对两种永磁材料共同励磁的可行磁钢结构进行对比分析，确定了LRE-PMBL 电机的初始拓扑结构。基于稀土永磁电机提出了一种励磁源等效方法，推导了两种永磁材料的用量关系，完成了LRE-PMBL电机的初始设计。 然后，为了获得LRE-PMBL电机的最优性能，提出了一种多目标分层优化策略。通过敏感度分析法获得了关键设计参数对输出转矩、永磁材料成本、转矩脉动、定位力矩和效率这五个优化目标的影响程度，将这五个优化目标分为两个优先级，并结合高效的优化算法进行有序优化，实现了多个优化目标之间的综合权衡最优，为该类永磁电机提供了一种高效的优化设计方法。 接着，利用有限元法对LRE-PMBL电机的相关性能进行了一系列仿真研究分析，并与稀土永磁电机进行对比与验证。不仅对两台电机的空载磁场分布、空载反电势、电感特性、转矩性能等基本电磁性能展开了详细的对比与分析，还对永磁材料的工作点与相应的退磁特性进行了校验。通过对比分析，验证了LRE-PMBL电机的设计与优化方法的正确性与可行性。 最后，加工了上述两台原理样机，搭建了实验测试平台，对两台电机的空载反电势、稳态运行特性与变速变载动态响应特性进行了实验分析与对比，结果进一步验证了LRE-PMBL电机的设计与优化方法的正确性与可行性。

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