电动汽车用高扭矩密度永磁电机的设计与分析

摘要

随着汽车数量的急剧增加，石油的进口依存度持续增长，能源危机和环境污染已经成为我国面临的两大难题。与传统燃油车相比，新能源电动汽车由于其低排放的特点而成为研究热点。因此，我国也相应地推出了一系列政策和措施，以推动电动汽车行业的发展。 驱动电机作为电动汽车驱动系统的核心部件，需要满足汽车高过载能力、宽调速范围以及高效率的要求。永磁同步电机由于具有良好的性能，成为电动汽车驱动电机的主要选择。本文以电动汽车驱动用永磁同步电机为研究对象，以高转矩密度为目标进行设计与优化，并分析校核了其机械强度和效率。 首先根据电动汽车的参数和动力性要求，得到汽车的驱动需求，并确定电机的转速-转矩输出特性。基于高转矩密度的目标，选择电机的整体结构，包括极槽配合、定子槽结构和永磁体布置结构。在此基础上，使用电磁负荷预取法计算定子内径及轴向长度，并对其它主要参数进行了设计和计算。 接着基于永磁同步电机的简化模型分析了电机的电磁转矩，研究了电磁转矩各部分对平均转矩和转矩波动的影响，并推导了谐波所引起的转矩含量。基于所设计和计算的参数，建立了电机的二维初始模型，并进行空载仿真分析和负载仿真分析，得到了电机的转矩性能，与解析分析相符合。 然后分别选择对转矩性能有影响的定子参数和转子参数进行参数化分析，研究各参数的变化对转矩波动和转矩输出的影响。基于分析结果，确定各参数的优化范围，结合多目标遗传算法进行综合优化。从优化解集中选择一个解作为优化结果，通过优化前后输出转矩对比，说明了优化结果的合理性。 为了获得更高的转矩密度，对电机进一步减重优化。在保证转矩性能不变的前提下，定子轭部作开槽处理，转子轭部作直接增大内径处理，结果表明减重效果明显。由于转子受力情况最为恶劣，研究了磁桥长度和转子内径对机械强度的影响，并基于单向顺序耦合法校验了电磁力和离心力共同作用下的转子应力分布。最后对电机的损耗进行了分析，得到了铁心损耗和永磁体涡流损耗的分布情况，并计算校验了电机效率，结果表明能够满足设计要求。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景及意义

1．2电动汽车及电动汽车驱动电机的发展现状

1．2．1电动汽车及电动汽车驱动电机的国外发展状况

1．2．2电动汽车及电动汽车驱动电机的国内发展状况

1．3电动汽车对电机的要求

1．4提高永磁同步电机转矩密度的措施

1．5本文主要研究内容

2驱动电机的动力参数匹配和主要参数确定

2．1电动汽车的动力性要求及电机特性匹配

2．1．1电动汽车的驱动力

2．1．2电动汽车的行驶阻力

2．1．3汽车的部分参数性能及动力性计算

2．1．4电机输出特性匹配

2．2电机整体结构

2．2．1极槽配合选择

2．2．2定子槽结构选择

2．2．3永磁体布置方式选择

2．3主要参数设计

2．3．1定子内径及轴向长度计算

2．3．2定子齿宽和轭厚计算

2．3．3绕组结构设计

2．3．4气隙长度选择

2．3．5永磁体尺寸计算

2．4本章小结

3电机转矩性能分析及初始模型仿真对比

3．1转矩性能分析

3．1．1磁阻转矩分析

3．1．2永磁转矩分析

3．1．3齿槽转矩分析

3．1．4平均转矩和转矩波动分析

3．2初始电机模型的有限元分析对比

3．2．1空载性能仿真

3．2．2负载性能仿真

3．3本章小结

4驱动电机转矩性能优化

4．1定子参数优化

4．2转子参数优化

4．2．1肋宽参数化分析

4．2．2极靴角度参数化分析

4．2．3偏心距参数化分析

4．2．4永磁体夹角参数化分析

4．3综合优化

4．3．1多目标优化遗传算法基本介绍

4．3．2多目标优化

4．4本章小结

5驱动电机减重优化及性能分析

5．1电机减重优化

5．1．1定子减重优化

5．1．2转子减重优化

5．2转子机械强度分析

5．2．1磁桥长度对机械强度的影响

5．2．2转子内径对机械强度的影响

5．2．3转子机械强度校核

5．3电机损耗与效率分析

5．3．1损耗分析

5．3．2效率校核

5．4本章小结

6总结与展望

6．1全文总结

6．2研究展望

致谢

参考文献

附录