基于软磁复合材料的电动车用永磁无刷电机研究

摘要

永磁无刷电机(Permanent magnet brushless motor，PMBM)不仅具有有刷直流电机调速优良、容易控制等全部的优点，同时又取消了电刷和换向器，运行可靠，寿命更长。因此，很多汽车公司使用PMBM作为电动车驱动电机。但是在制造中电机绕组端部占据了大量空间而又不产生能量，限制了电机功率密度的提高，影响到该种电机的推广和应用。作为一种新型导磁材料，软磁复合材料(Soft Magnetic Composite，SMC)采用粉末冶金技术制作，具有磁及热的各向同性、高频铁耗低、易模压成形等优点。本文将SMC材料应用于永磁无刷电机定子，提出一种新型结构的永磁无刷电机，可以使定子具有三维磁路，以满足电动车对高性能驱动电机的需求。电机三维结构的使用，可以缩短绕组端部，不仅节约了绕组用量，减小电机轴向长度，还使得电机性能有所提升。因此，对基于SMC的永磁无刷电机的研究，不但具有重要理论研究意义，而且具有一定的实用价值。本文主要研究内容如下:
　　首先，介绍本课题的研究背景和意义，同时介绍了PMSM、SMC电机和基于SMC的永磁电机，最后给出本文的研究内容。
　　其次，对SMC材料及硅钢叠片材料进行铁磁性能对比测试研究。首先试制标准圆环试块对比测试SMC材料、硅钢叠片材料的磁化性能及铁耗性能;鉴于标准试块与实际电机结构的差异，分别采用SMC材料、50SW300、35SW300硅钢叠片材料制成3相10极12槽永磁无刷电机样机，通过测量电机永磁相电动势波形比较材料的磁化性能，通过测量电机的铁耗比较材料的铁耗特性。通过实验测试得出，在常规的电机铁心频率和磁密下，SMC材料无论磁化特性还是铁耗特性都低于硅钢叠片材料，因此，在将SMC材料应用于电机时，应充分利用SMC材料的各向同性磁特性，将SMC材料应用于本质上具有三维磁路结构的电机、或采用SMC材料将通常的二维结构电机改成三维磁路电机。
　　然后，对比研究基于SMC的二维及三维磁路永磁无刷电机，研究SMC材料及硅钢叠片材料电机槽口宽度对电机性能的影响，提出三维磁路结构SMC永磁无刷电机的二维等效设计方法。通过与常见二维结构的SMC电机及硅钢电机的对比，阐明SMC三维磁路电机在电动势方面的优越性;由于SMC三维磁路电机的三维结构，对其相关研究只能在三维有限元场中进行，需花费大量时间，因此提出一种二维等效方法，将SMC三维磁路电机等效为普通的二维结构电机。鉴于SMC材料与硅钢材料磁特性的不同，同时研究了槽口宽度对两种不同材料电机性能的影响区别。最后制作了样机并通过样机实验证明了SMC三维磁路电机的可行性。
　　再次，提出一种新型SMC-Si钢组合铁心永磁无刷电机结构并进行性能对比研究。由于SMC三维磁路电机存在电机损耗大、实际难加工等问题，提出一种硅钢叠片材料和SMC材料组合定子铁心结构及相应的永磁无刷电机，不但充分利用SMC材料的各向同性磁特性而使定子铁心具有三维磁路结构，使电机的性能得到提高;而且硅钢叠片的使用同时避免了SMC材料低导磁率缺陷和电机工作频率范围内的高铁耗缺陷而引起的电机永磁体用量增加和电机铁耗增大。通过与硅钢电机、SMC三维磁路电机的对比，组合定子铁心电机具有最优性能。
　　最后，全文总结。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 永磁无刷电机的研究现状

1．2．2 SMC在电机中的应用研究现状

1．2．3 SMC电机在电动车中的研究现状

1．2．4 基于SMC的永磁无刷电机研究现状

1．3 本文研究的主要内容

第2章 SMC性能测试及其在永磁无刷电机中的应用研究

2．1 SMC材料与硅钢叠片材料铁磁性能测试比较

2．2 SMC电机与硅钢电机性能比较

2．2．1 永磁相电动势实验比较

2．2．2 铁耗实验比较

2．3 基于SMC的永磁电机的结构原理及其优越性

2．4 本章小结

3．1 引言

3．2 SMC电机的三维磁场分析

3．3 SMC三维磁路电机的二维设计研究

3．4 不等厚定子齿槽口宽度对电机电动势的影响

3．4．1 硅钢电机

3．4．2 SMC电机

3．5 等厚定子齿槽口宽度对电机永磁相电动势的影响

3．5．1 硅钢电机

3．5．2 SMC电机

3．6 样机试制及试验

3．6．1 空载实验

3．6．2 负载实验

3．7 本章小结

第4章 SMC-Si钢组合定子电机

4．1 引言

4．2 SMC-Si钢组合定子电机结构原理

4．3 SMC-Si钢组合定子电机优越性

4．3．1 理论优越性

4．3．2 有限元验证

4．4 槽口宽度对组合定子电机的性能的影响

4．5 硅钢电机、SMC三维磁路电机与组合定子电机的比较

4．6 本章小结

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表学术论文和参加科研情况