HEV用磁通切换定子永磁式双转子电机基本性能研究

摘要

随着能源危机的到来和环境恶化的延续，混合动力汽车作为节能减排的最有利竞争车型之一，近年来受到了全球汽车制造商和各国研究学者的广泛关注。但是现有的混合动力汽车主要采用机械式行星齿轮作为动力耦合装置，该类机械式动力系统存在传动噪音大、特定工况运行效率低、维护费用高等不足。为了解决上述问题，本文根据混合动力汽车的运行特点，提出一种新型的电磁式动力耦合装置—磁通切换定子永磁式双转子电机（简称FSSPM-DR电机）。该电机继承了定子永磁型电机和双转子电机的优点，具有结构紧凑、功率密度高以及动力性能优异的特点，并且还避免了传统双转子电机中间转子的散热问题，作为混合动力系统的核心部件之一，其具有潜在的研究价值和应用前景。
　　本文首先阐述了混合动力汽车、永磁式磁通切换电机及双转子电机的研究现状，简述了混合动力车用驱动电机的设计要求及基本内容，在此基础上分析了FSSPM-DR电机的结构特点、工作原理及其应用于混合动力汽车中的几种运行工况，并建立了其基本的数学方程，为FSSPM-DR电机的控制奠定了理论基础。
　　其次，通过借鉴传统电机的设计方法，并结合整车实际运行特性，总结了FSSPM-DR电机的设计方法,计算出电机的初始结构参数。利用多参数优化算法，以定位力矩为优化目标，对电机的多个参数进行优化，最终确定样机本体结构。建立了FSSPM-DR电机的有限元模型，分别分析了其电磁性能、过载能力及温度效应，并利用Simplorer与Maxwell软件，根据混合动力汽车典型工况对电机进行联合仿真。仿真结果表明，所设计的FSSPM-DR电机能够满足混合动力汽车不同运行工况的要求。
　　接着，建立了FSSPM-DR电机的温度场模型，研究了其在不同负载条件下的温度分布，并分析了在模拟混合动力汽车运行环境下电机的温度分布。根据热分析结果，提出相应的冷却系统，并分析了不同冷却措施对样机不同部件冷却效果的影响。同时研究了FSSPM-DR电机的温度测试系统，为电机安全运行提供了保障。
　　最后，加工了FSSPM-DR电机的原理样机，搭建了实验平台，测试了样机的反电势、电阻参数、动态性能及温升情况，验证了该电机结构设计的合理性及仿真分析的正确。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课愿研究的背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 混合动力汽车的研究现状

1．2．2 永磁式磁通切换电机的研究现状

1．2．3 双转于电机的研究现状

1．3 混合动力车用电机的设计

1．3．1 混合动力车用电机的要求

1．3．2 混合动力车用电机设计的基本内容

1．3．3 温度计算

1．4 本文的主要研究内容

第二章 FSSPM-DR电机混合动力系统的理论分析

2．1 FSSPM-DR电机结构及工作原理

2．1．1 FSSPM-DR电机结构

2．1．2 FSSPM-DR电机的工作原理

2．2 双转子式混合动力系统的工作原理

2．3 FSSPM-DR电机的运行工况

2．4 FSSPM-DR电机的基本方程

2．4．1 FSSPM-DR电机的电压方程

2．4．2 FSSPM-DR电机的磁链方程

2．4．3 FSSPM-DR电机的转矩方程

2．4．4 FSSPM-DR电机的运动方程

2．5 本章小结

第三章 FSSPM-DR电机的设计及分析

3．1 FSSPM-DR电机设计的特点

3．2 FSSPM-DR电机的初始设计

3．2．1 电机初始尺寸的计算

3．2．2 电机设计的初始数据

3．3 FSSPM-DR电机的优化

3．3．1 多参数优化

3．3．2 电机优化结果分析

3．4 FSSPM-DR电机性能分析

3．4．1 2D限元模型的建立

3．4．2 电磁设计结果分析

3．4．3 过载能力分析

3．4．4 温度效应分析

3．5 常见的工况仿真

3．5．1 带载起动工况

3．5．2 高速巡航运行工况

3．5．3 混合动力模式运行工况

3．5．4 回馈制动运行工况

3．6 本章小结

第四章 FSSPM-DR电机的温度分析及测试系统的研究

4．1 电机温度分析的一般方法

4．2 温度场计算模型

4．3 FSSPM-DR电机的温度场有限元模型

4．3．1 热源的计算

4．3．2 导热系数

4．3．3 对液散热系数的计算

4．4 FSSPM-DR电机初始温度场有限元的分析结果

4．4．1 空载情况下温度场分布

4．4．2 额定负戴情况下温度场分布

4．5 模拟HEV运行时FSSPM-DR电机温度场分析结果

4．5．1 无冷却措施条件下FSSPM-DR电机温度分布

4．5．2 冷却系统下FSSPM-DR电机温度分布

4．5．3 不同冷却措施对FSSPM-DR电机温度分布的影响

4．6 FSSPM-DR电机的温度测试系统的研究

4．7 本章小结

第五章 FSSPM-DR电机的实验研究

5．1 样机的研制及实验平台

5．2 样机的基础测试

5．2．1 电机的反电势测试

5．2．2 电机的电阻参数测试

5．2．3 内电机的实验测试

5．2．4 外电机实验测试

5．2．5 内外电机同时运行实验测试

5．3 样机的温升测试

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

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