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电动汽车用复合结构永磁同步电机的电磁和温升问题研究

刘勇  
【摘要】:随着电动汽车行业的迅猛发展,混合动力驱动系统引起人们越来越多的关注,其中混联式混合动力汽车以其良好的动力和节油性能逐渐成为人们的研究热点。但混联式混合动力系统广泛使用的行星齿轮存在加工成本高、传动损耗、需要定期润滑维护和噪声振动等问题。本文研究的复合结构永磁同步电机(Compound-Structure Permanent-Magnet Synchronous Machine, CS-PMSM)在实现混合动力系统功能的同时大大简化混合动力系统结构,是一种替代行星齿轮实现动力分配的新型电控无级变速方案。本文对该类电机拓扑结构方案对比、磁解耦设计、冷却测温及样机实验等方面问题进行了深入研究。 通过研究复合结构永磁同步电机在混合动力系统中应用时发动机、双转子电机和定子电机的转矩、转速及功率关系,确定了最佳的能量变换方式。同时对复合结构永磁同步电机的六种拓扑结构方案在转矩密度、加工工艺性、散热能力和磁耦合等方面进行分析对比,从全方位对各种方案给出评价。提出复合结构永磁同步电机在混合动力系统中应用时的选择原则,为复合结构永磁同步电机总体方案的确定提供参考。 研究了复合结构永磁同步电机磁系统的设计原则。考虑到径向-径向磁通电机在磁耦合和发热等问题上最为突出,而其加工工艺性和实用性最好,因此选择径向-径向磁通电机进行研究。参考丰田Prius系统的电机指标确定了复合结构永磁同步电机的技术指标并进行了该电机磁系统的设计,研究了当两电机功率等级相差较大、内外两层永磁体厚度也相差较大时,为实现磁解耦设计,永磁体和外转子轭厚的匹配规律;并研究电枢反应对磁解耦设计的影响,为复合结构永磁同步电机磁系统设计提供了重要借鉴。 对复合结构永磁同步电机温升及其精确测量方法进行研究。考虑到实验验证方便,以所研制样机为分析对象,对复合结构永磁同步电机的温升问题进行了研究。建立电机的温度场有限元分析模型,使用Fluent软件对不同冷却条件下电机内部温度场分布进行了计算,得出该种电机的温升规律和冷却系统选择原则。为保证电机的实时安全运行,研究了可精确监测电机内多点工作温度的温度检测系统,解决了测温过程中传感器引线电阻、电路元件误差及电磁干扰等因素引起的测量误差问题,研制了实际测温电路。为电机冷却系统的选择及电机的安全可靠运行提供了方法和依据。 研制了样机,进行了电机的电磁、温升及系统测试。考虑到实验室测试条件的限制,研制了小功率实验样机,对样机的反电势、转矩-电流曲线、效率和温升情况进行了测试,并与理论计算值进行了对比,测试和计算结果具有很好的一致性。用所研制的样机搭建了实验平台,模拟纽约城市驾驶工况进行了实验测试,测试结果与仿真结果非常一致。同时,基于Advisor仿真平台,在相同的测试工况下,将采用复合结构永磁同步电机的混合动力系统和传统汽车以及丰田Prius混合动力系统进行仿真对比,研究结果表明基于复合结构永磁同步电机的混合动力系统与丰田Prius动力系统节油效果相当,可节油40%以上,验证了该系统的先进性。


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