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电动汽车用内置式永磁同步电机的研究

胡耀华  
【摘要】:内置式永磁同步电机(Interion Permanent Magnet Synchronous Machines,IPMSM)由于具有高功率密度、低永磁体涡流损耗、宽恒功率运行区和高效率等特点,在混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle,HEV)和纯电动汽车(Electric Vehicle,EV)中的应用越来越广泛。对于内置式永磁同步电机,由于其隔磁磁桥存在很高的饱和,会导致气隙磁密中存在很多谐波分量,这些谐波分量的大小主要取决于其转子的结构。在低速运行时,这些谐波会导致转矩脉动,带来电机的振动和噪声;在高速运行时,在定子铁芯上带来磁密的波动,导致很大的铁芯损耗从而降低了电机的运行效率。典型的电动汽车用单层内置式永磁同步电机结构是V型结构,包括2004 Prius,2007 Camry,2010 Prius,和2014 Accord。多层转子结构也越来越多的用于电动汽车驱动,典型的双层内置式永磁同步电机结构是?型结构,包括2008 LS 600h和2012Leaf。新型的双层结构包括2017 Prius和2016 BMW i3。本文选定三种传统内置式结构进行研究,包括单层V型、双层?、和三层结构。由于传统三层结构的转子结构复杂,特别是其永磁体长度不一致增加了加工难度。本文提出一种?+U型的三层结构,该结构可以有效的降低永磁体尺寸设计参数和加工难度。为了降低内置式永磁同步电机气隙磁密的谐波含量,对永磁体极弧系数进行了参数优化。选择了气隙磁密谐波含量最小点附近的永磁体极弧系数。结果表明随着永磁体层数的增加,可以有效的降低气隙磁密谐波含量,所以?+U型的气隙磁密谐波含量最小。电动汽车用内置式永磁同步电机需要运行在高速区,其转子上隔磁磁桥、加强筋和永磁体上所受的应力也进行了分析,并合理的设计了隔磁磁桥和加强筋宽度。本文采用最大转矩电流控制,对不同电流密度下的转矩密度、功角特性和转矩脉动进行了研究。研究表明:?型结构的转矩密度最大;随着永磁体层数的增加,凸极转矩所占的比重也在增加,?+U型结构在过载时凸极转矩所占的比重可以达到60%;由于?+U型的气隙磁密谐波含量最小,所以转矩脉动比V型和?结构要小。为了提高电动汽车用内置式永磁同步电机的弱磁能力,本文研究了弱磁能力与特征电流的关系,对转子结构进行了优化设计。研究表明:降低永磁体用量可以有效的降低永磁磁链;额外增加加强筋或者增加其宽度可以有效的增大直轴电感,从而降低特征电流,实现宽恒功率运行范围。同时得到,弱磁能力与凸极率的关系不大,而是由特征电流的大小决定的;当特征电流小于等于额定电流时,电机具有无限弱磁的能力。电机运行在弱磁高速区时,铁芯损耗会增大,使得运行效率降低。本文对V型、?型和?+U型结构定转子铁芯上的磁密、铁芯损耗密度、铁芯损耗谐波分解、定转子铁芯损耗分离等进行了研究。研究表明:铁芯损耗主要集中在定子齿上,且定子上的铁芯损耗由转子磁动势中的谐波产生;增加永磁体层数可以有效的降低转子磁动势中的谐波含量,?+U型结构的铁芯损耗比V型和?型有了大幅度的降低。本文还研究了不同永磁体层数下的永磁体涡流损耗分布,提出了两种减小永磁体涡流损耗的方法。研究表明:随着永磁体层数的增加,对电枢反应磁通的阻碍作用加强会使得永磁体涡流损耗增加;对于两层永磁体结构,增加外层永磁体与转子表面的距离和两层永磁体之间的距离,从而为电枢反应磁通提供更大的铁芯路径可以有效的降低永磁体涡流损耗;永磁体径向分段将永磁体内涡流路径分成很小的环状,对涡流增加阻碍作用,从而降低了永磁体涡流损耗。本文还对V型、?型和?+U型结构的效率云图进行了分析。在弱磁控制区时,由于?+U型结构的铁芯损耗最小,所以?+U型结构的高效区比V型和?型结构要宽。最后,加工了48kW的?+U型样机,并验证了有限元分析的结果。


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