商务车用高效永磁驱动电机的设计与温度场计算

摘要

驱动电机作为电动汽车的核心组件，要求其具有较高的功率密度、较宽的调速范围、较大的过载能力等，这些高性能的要求都需要通过对驱动电机及其系统的电磁设计和控制来实现。在各种车用驱动电机中，内置式永磁驱动电机以其效率高、调速性能好、功率密度高等优势成为车用驱动电机的首选方案。本文以一台商务车用80kW永磁驱动电机为例，对车用永磁驱动电机的电磁设计、结构性能优化及温度场分析进行了研究，主要包括以下内容:
　　首先，分析车用永磁驱动电机的设计目标，根据永磁电机的设计理论，从电机的d、g轴磁路设计入手，通过理论研究分析了影响永磁电机过载能力、调速范围的因素，计算了永磁驱动电机的定子、转子尺寸。然后利用有限元电磁场计算软件，建立永磁驱动电机的二维有限元仿真模型，计算电机在空载和带载工况下的电磁性能。
　　其次，对定子、转子拓扑结构进行优化，从d、g轴电感、凸极率等方面研究不同定、转子磁路结构对电机性能的影响。首先分析并计算定子参数（齿槽比、齿轭比）变化对电机磁阻转矩、过载能力和弱磁能力的影响;然后又分析计算了转子拓扑结构参数（包括Ⅴ型磁钢夹角、磁钢宽度、磁钢厚度以及隔磁桥宽度和厚度）对电机峰值转矩和磁钢利用率的影响，进而得到满足设计目标的最优定子、转子拓扑结构，并与优化前的电机性能进行了对比。
　　然后，依据传热学基本理论，结合电磁场计算的电机损耗值，利用软件建立了电机的热网络仿真模型，计算了电机主要部件在额定稳态工况和峰值瞬态工况下的温升，并与实验测试数据进行了对比分析。随后，对电机的最大退磁电流，转子受力与变形量进行了仿真和校核计算，均满足预期的设计目标值。
　　最后，完成了实验样机的制造，并搭建了电机测试实验平台，实测了样机在不同工况下的电机性能和温升数值，并与仿真结果进行了对比，验证了有限元设计的准确性和可行性。实验结果表明，Ⅴ型内置式永磁驱动电机具有转矩电流比高、弱磁能力强的优点，在电动汽车的驱动应用中具有很好的应用前景。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 车用驱动电机的研究目的和意义

1．2 车用永磁驱动电机国内外研究现状

1．3 永磁驱动电机温度场国内外研究现状

1．4 本文主要研究内容

2 永磁驱动电机的理论分析和有限元建模与分析

2．1 车用永磁驱动电机设计目标

2．2 永磁驱动电机电磁性能分析

2．2．1 调速范围

2．2．2 过载能力

2．3 永磁驱动电机初步尺寸参数设计

2．4 V型内置式永磁驱动电机有限元建模与分析

2．4．1 空载工况仿真

2．4．2 带载工况仿真

2．5 本章小结

3 永磁驱动电机定转子拓扑结构优化

3．1 定子拓扑结构优化

3．1．1 永磁驱动电机功角特性和饱和特性

3．1．2 齿槽比对电机性能的影响

3．1．3 齿轭比对电机性能的影响

3．1．4 齿槽比和齿轭比对电机性能的影响

3．2 转子拓扑结构优化

3．2．1 磁钢用量对电机性能的影响

3．2．2 磁钢夹角对电机性能的影响

3．2．3 隔磁桥大小对电磁性能的影响

3．3 优化前后对比

3．4 本章小结

4 永磁驱动电机温度场计算与可靠性分析

4．1 热网络法求解永磁驱动电机温升

4．1．1 热传递方式

4．1．2 永磁驱动电机损耗分析

4．1．3 热网络模型建立

4．1．4 电机在额定工况下的稳态温升计算

4．1．5 电机在峰值工况下的瞬态温升计算

4．2 转子磁钢退磁计算

4．2．1 永磁体退磁原因

4．2．1 永磁体退磁仿真

4．3 转子应力强度计算

4．3．1 材料属性和仿真模型建立

4．3．2 转子强度场仿真结果

4．4 本章小结

5 永磁驱动电机样机制作与实验分析

5．1 样机制作与实验平台搭建

5．2 电磁性能实验

5．2．1 静态直流电阻测量

5．2．2 空载实验

5．2．3 额定工况点和峰值工况点测试

5．2．4 电机在不同母线电压的外特性曲线和效率Map图测试

5．3 电机温升实验

5．3．1 额定稳态温升测试

5．3．2 峰值瞬态温升测试

5．4 本章小结

6 总结与展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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