纯电动车用轮边直驱外转子电机的研究

发布时间：2020-09-20 21:34

　　永磁轮边直驱动力总成结构无论是高传动效率还是有效减少车体空间占用等方面,都明显优于集中驱动结构。而相较于传统内转子永磁电机而言,外转子永磁同步电机拥有更高的功率密度和转矩密度。该课题对电动汽车轮边直驱电机进行研究。针对轮边直驱电机的特殊需求,本文以轮边直驱电机的拓扑结构研究为主线,同时对电机的控制进行研究,最后计算温度是否满足要求。本文从汽车动力学特性角度出发,根据轮边驱动纯电动汽车的动力特性指标要求,对电机性能参数进行校核,确定电机的性能参数。首先,合理选取电机极槽配合、转子磁路结构。接下来通过电机磁路算法计算电机主要尺寸、定子齿轭磁密、电磁负荷、空载反电势等电机基本参数。在初步方案确定之后,用有限元软件对电机额定工况、过载工况以及弱磁工况进行仿真计算。对于车用轮边直驱电机来说,电机的振动对车辆的安全运行以及舒适性会产生很大影响,其中电机转矩脉动是电机振动的重要来源,因此本文采用不均匀气隙的方法降低电机齿槽转矩和转矩脉动。最后针对于电机续航能力问题,分析了电机在整个运行区间的效率分布。对于纯电动汽车来说,电机的控制策略对电机运行状况有很重要的影响。因此,对轮边直驱永磁电机的控制策略进行分析,设计了一款滑模速度控制器,相比于传统的PI速度控制器,整个系统的控制精度和响应速度有所提高,搭建永磁电机的矢量控制模型,仿真电机的转速、转矩、电流波形,验证了控制模型的可行性。由于轮边直驱电机在额定工况长时间运行,在过载工况时电机输出峰值转矩,电机电流较大,电机的热负荷以及铜耗偏高,因此电机在这两个工况运行时温度较高。为验算永磁电机温升能否满足绝缘材料要求,建立了永磁电机温度场仿真模型。计算电机在额定以及过载工况时的电机温度分布,验证电机能够安全运行。
【学位单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U469.72;TM341
【部分图文】：

波形,气隙磁密,反电势

空载反电势大小的选取应充分考虑。图 2.5 为电机在不带负载情况下，同时电机转速为额定转速时定子绕组感应电动势的波形。图2.4 气隙磁密图2.5 空载反电势Fig. 2.4 Air gap magnetic density Fig. 2.5 Back EMF at no load电机的空载反电势影响着电机在额定状态下的效率以及功率因数。通常情况下，电机空载反电势越接近额定电压的时候，定子电流越小，电机效率越高。但是由于电机需要运行在峰值转速的工况，此时将会引起负载反电势过高，导致将会需要更大的去磁电流，这将会导致峰值转速的时候，转矩输出达不到要求。因此，电机在额定转速时的空载反电势的大小的选取应该谨慎考虑。仿真计算中，通过将路算与仿真相结合，合理调整电机漏磁系数。电机空载反电势的有效值为 203.5V。与电机路算程序计算值基本一致。电机额定相电压为 220V，空载反电势标幺值为 0.93。这个数值保证额定工况运行时的效率以及功率因数的同时，也保证了峰值转速工况的正常运行。

波形,反电势

云图,磁密,云图,额定工况

要考虑电机在其他工况运行时的性能。电机在空载时磁密云图如图 2.6 所示。定子齿部磁密约为 1.45T，轭部磁密约为 1.02T。均在合理的设计范围之内。图2.6 空载磁密云图Fig. 2.6 Magnetic density of no load2.3.2 轮边直驱电机额定及峰值工况分析电机的额定工况是电机转速为 800r/min、转矩为 299N.m 时电机的状态。由于轮边直驱电机需要长期运行在此工况，因此额定工况时电机的运行状态至关重要。通过对电机内功率因数角扫描后，当额定电流为 41A、内功角为8 时，额定转矩为 299N.m。额定工况的转矩波形如图2.7 所示。图2.7 电机额定工况的输出转矩Fig. 2.7 The rated torque of motor

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