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高转矩永磁轮毂电机磁系统的研究

宫海龙  
【摘要】:轮毂电机驱动系统因具有传动效率高、结构紧凑等优点,成为当前电驱动系统中一个重要的研究方向。随着电驱动系统性能要求的不断提高,轮毂电机磁系统的设计方法及其外在特性的研究还有待于进一步的改进与完善,如高转矩密度电机的结构设计、参数的准确计算、转矩波动的抑制以及振动特性的研究等。本文以高转矩永磁同步轮毂电机为研究对象,针对上述问题进行了深入研究,为提高轮毂电机的性能奠定了理论基础。 本文首先从实现电磁性能方面给出了轮毂电机的设计原则,阐述了转子结构和绕组形式的选择方法;从转矩密度最大化的角度出发,建立了考虑端部绕组的单位转矩密度数学模型,并得到转矩密度最大值随定子裂比和磁密的变化曲线,从而为确定电机的主要尺寸提供了初选范围;以普通弱磁控制为基础,对轮毂电机的弱磁扩速能力进行了分析。然后,基于单向顺序耦合的有限元方法详细分析了电磁转矩和结构强度随磁桥宽度、磁桥肋宽的变化趋势,给出了转子磁桥的最优设计原则,并对样机的定、转子机械强度进行了计算。最后,研制了轮毂电机样机并对其进行了相关的实验验证。 直、交轴电感参数的准确评测对于轮毂电机的设计与控制至关重要。本文分析了绕组磁势谐波和饱和效应对绕组电感的影响;提出了一种基于假定磁极的电感计算方法,阐述了该方法的基本原理,对自、互感变化曲线进行了重新构建,由此得到的直、交轴电感较之传统的自互感系数法准确地反映了饱和的影响。给出了交流静止法的测量原理,并采用该方法对样机的电感参数进行了实验研究。提出了一种基于电机稳态运行的电感参数实验研究方法,建立了考虑铁耗因素的稳态运行相量图,以此为基础推导了直、交轴电感的数学模型,阐述了稳态下电感测量的实现方法,并对该方法在电压、空载反电动势和绕组电流存在扰动时的敏感性进行了分析。 在轮毂驱动方式下,轮毂电机磁系统的不平衡状态对转矩波动产生了复杂的影响,本文分别采用洛伦兹力法、能量法对此状态下的转矩脉动和齿槽转矩进行了理论分析,给出了转矩波动的变化规律。采用有限元法分析了不同槽口宽度、齿顶斜肩高度、极弧系数和气隙长度等结构参数对转矩波动的影响;根据实测数据建立了非理想电机模型,对存在定子椭圆、永磁体偏移和转子偏心时的齿槽转矩以及转矩波动进行了研究,并以此分析了转矩波动引起的振动频率。给出了抑制转矩波动的主要方法和措施,提出了一种由步进电机等元件组成的静态测试系统,对齿槽转矩进行了实验研究,最后针对样机的转矩波动进行了实验验证。 轮毂电机的振动是引起动力系统总成振动并造成车内噪声的重要激励源。本文以气隙磁场为基础,给出了不同供电条件下的电磁力波特性。采用有限元法对不同负载条件下的电磁力进行了分析,并对轮毂电机的振动位移进行了计算;分别采用双环型计算方法和有限元法对固有频率进行了分析,应用锤击法对样机的模态进行了实验测试,并分析了电机的主要振动来源。针对样机的振动和噪声进行了实验研究,实验结果与理论分析较为一致;采用突然断电法分析了电磁与机械噪声的比例,并给出了相应的抑制措施。


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