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电动汽车永磁同步电机的有限元分析及优化设计

甘源  
【摘要】:随着世界经济的高速发展,汽车成为人们出行必不可少的交通工具,然而传统燃油汽车的大量使用,也带来了一定的环境和能源问题。因此,大力发展节能环保的新能源汽车尤其是电动汽车成为社会的一大焦点。作为电动汽车的核心部件,电动机性能的优劣直接关系到电动汽车的运行状况,因此对电动汽车驱动电机的研究成为电机行业越来越热门的话题。其中永磁同步电机具有效率高、功率密度高、可靠性强等特点,非常适用于电动汽车驱动电机低速大转矩、宽弱磁调速范围的性能要求。本文主要基于有限元法与电磁场理论对电动汽车用永磁同步电机进行分析、设计与优化,致力于进一步提高电机的性能,主要研究内容如下:基于永磁同步电机的运行原理、稳态性能以及数学模型,根据工程设计经验与计算公式对电机进行电磁设计,基于磁路法的快速性对电机的制造参数进行参数化分析,得到电机的初步设计方案。采用有限元法仿真计算电机电磁性能,对设计方案的合理性做进一步的验证,得到了永磁同步电机空载下的磁密分布、气隙磁密波形、空载反电动势波形,进而推导出极弧系数、空载漏磁系数、气隙波形系数等电机重要参数。采用遗传算法对电机的齿槽转矩、气隙磁密以及永磁体用量进行优化设计,计算结果显示,电机的各项性能得到明显改善。同时采用连续非线性规划算法对电机进行优化,经过对比,遗传算法在求解速度和精度方面都更适用于电机优化。对电机进行负载工况的分析,计算得到电机在额定工况内部磁场分布情况,以及转矩、定子电流、感应电动势、损耗等性能曲线,结果表明电机运行较为平稳;在低速下,电机能够提供较大电磁转矩,具有较强的过载能力;高速下,电机依然能够提供需要的功率,具有较宽的调速范围。采用参数化分析,计算得到电机基于转速-转矩的效率、输入电压、输入电流以及损耗的MAP图,结果表明,电机能够在较大范围内保持95%以上的高效率,具有较强的续航能力。总结出转矩与输入电压、转速与输入电流的关系,同时分析了不同工况下电机损耗产生的原因。计算得到交直轴相关参数的分布云图,可为电机控制的相关研究提供有力依据。


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