电动汽车高功率密度永磁电机设计及优化分析
发布时间：2021-09-30 02:04
随着科技的发展以及近年来人们对环保意识的提升,各国已经发布禁售燃油汽车的时间节点,电动汽车逐渐进入人们的视野当中。关于电动汽车电机以及如何提高电动汽车电机的功率密度是当下讨论的热点问题。永磁同步电机由于其体积较小、质量较轻且输出功率较高的特点使得其在电动汽车上的应用前景尤为突出。电机的散热是实现正常工作的核心保障,因此本文从高功率密度电机的电磁设计、结构优化以及冷却结构等问题进行深入研究,设计一款满足工况要求的8极高功率密度电机。首先,对电动汽车传动系统进行分析,研究电动汽车动力性能以及所受阻力,并对电动汽车电机相关性能参数进行匹配分析。提出电机设计的基本参数要求。然后,明确高功率密度电机的设计流程。关于电磁设计,如何通过合理设计并优化电机结构提高功率密度是重点研究的问题。本文从以下方面对电机电磁结构进行设计:电机的极槽配合及合理设置斜槽降低齿槽转矩;设计定子槽高和槽深以及优化槽口宽度降低电机损耗;良好的永磁体材料以及永磁体尺寸设计;“V”型转子结构可提高永磁材料利用率和气隙磁密度。并在保证效率基本不变的原则基础上对电机转子磁钢进行结构改进设计。搭建优化平台对其相关性进行分析,改进后,...
【文章来源】：辽宁工程技术大学辽宁省
【文章页数】：101 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
美国电动机能效标准与一般工业电机效率对比
w/kg的车用永磁同步电机。采用机壳水冷的结构且早在2006年，开发出额定功率55kw的永磁同步电动机[5-7]。张懿夫提出了一种基于遗传算法和响应面法相结合的电机设计方法，通过降低转矩的脉动频率，使得电机运行的平稳性进一步提高[8]。周胜梅提出了定子槽型宽度的不同会影响电机的性能这一观点[9]。外国学者K.Yamazaki运用了三维有限元法提出了在不同的永磁体轴向分段在PWM调制下对电机涡流损耗的影响。欧美国家相较于日本关于永磁电机的研究较晚，如Satcon公司通过改变定子绕组使得电机转速得以提高，具有较高的调速范围。如图1.2为美国的橡树岭国家实验室在2017年开发出一款铁氧体永磁同步电机，该电机采用双层SPOKE结构，该电机的峰值功率为103kw，转矩密度比日本的Prius2010提高了10%，最高的转速更是提高了20%[10]。图1.2美国橡树岭研发的电机结构Figure1.2MotorstructuredevelopedbyOakRidgeUSASaharSharouni和PeymanNaderi提出了一种新型的磁等效电路法MEC对外转子电机进行建模，比较了不同状态下的槽偏角以及齿槽角，优化了电机的动态性能[11]。丰田公司推出的前3代Prius混合动力汽车将永磁同步电机的功率由最初的33kw提升至60kw，其结构选定均为内置式结构的永磁同步电机[12]。第3代Prius电机的定子以及转子如图1.3所示。该公司在2015年研制并发布了第四代电机，相比于第三代转速提高了3500rpm，功率密度提高了10%。而英国公司Equipmake对电机进行颠覆性创新，其瞄准的电动汽车市场，开发的电机转速高达12万转，持续功率17kw的电机只有3.9kg，具备突破性的功
电动汽车高功率密度永磁电机设计及优化分析4率密度优势。图1.3第3代Prius电机的定转子结构Figure1.3Fixedrotorstructureofthe3rdgenerationPriusmotor1.2.2国内外电机冷却研究现状永磁同步电机以其较高的功率密度被广泛应用在各类行业中，但是如何将电机温度降低是很多学者研究的重要内容之一。在空冷方面，高雄智巳等学者设计出一种新式全封闭风冷系统，可有效减少了电机的噪声问题[13]。由于电机水冷使得电机的对流换热效率更高，因此也就成为了研究的热点问题。国内学者吴桂珍提出了一种新型的S型定子外壳结构，可以有效地提高电机的散热能力[14]。吴琳等学者提出了关于电机的水冷系统设计的计算模型[15]。H.Neudorfer设计了一种新型基座，利用双臂的结构使得冷却液利用旋转流道流回基座，通过实验的测定，满足电机的温升试验要求[16]。PingZheng等设计了适用于混合动力汽车上的一种二维电机温升图[17]。BogliettiA和StatonA分别进行的是感应电机的冷却系统设计和对电机冷却方式的研究[18-19]。Marignetti等人提出了一种采用有限元的方法对电机的温度场以及流体场设计研究的方式[20]。AhamdDarabi在研究横向磁场的永磁电机时，提出了电机的六项爪极的设计，由于电机的体积较大，在采用水冷的方式进行散热时，每项铝壳内涂有两项由铜管制成的冷却通道，经过实验测定，可有效地传递出电机内部的热量，改善电机的冷却散热问题[21]。1.3论文主要研究内容关于电动汽车所用的高功率密度永磁同步电机的设计包含有结构、电磁、流体等方面。目前，增大功率密度可以通过优化电机的电磁结构、合理使用性能好的电磁材料、通过调节速度将转速增大、优化并提高电机的散热性能等方法。但目前关于电机在冷却壳体散热方面研究比较少，因此，本文着重研究了
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Ansys和MotorCAD仿真的无刷直流电机温度场分析[J]. 王其锋,魏雪环,刘勇,赵飞. 机电信息. 2019(17)
[2]基于耦合电抗的内置式永磁同步电机凸极率及失步转矩算法研究[J]. 张永平,段小丽,刘慧玲. 微电机. 2019(01)
[3]一种基于混沌粒子群改进的果蝇优化算法[J]. 刘晓悦,李朋园. 火力与指挥控制. 2018(12)
[4]槽口宽度和磁极偏心对伺服电动机齿槽转矩的影响[J]. 孙兆琼,李定华,钱荣超. 微特电机. 2018(06)
[5]永磁同步电动机定子槽尺寸的优化分析[J]. 周胜梅,赵龙涛,窦钟森. 微特电机. 2018(01)
[6]改进蚁群算法及其在高光谱影像分类中的研究[J]. 王偲晗,万幼川,王明威,高雄. 计算机工程与应用. 2018(01)
[7]纯电动汽车动力传动系统参数的匹配设计[J]. 刘江红. 传动技术. 2017(03)
[8]轴向磁通反作用飞轮电机PCB绕组损耗优化研究[J]. 王孝伟,杨贵杰,汪云涛,宁蜀悦. 微特电机. 2016(06)
[9]车用高功率密度永磁同步电机设计及试验研究[J]. 刘奇林,沈启平. 电机与控制应用. 2016(01)
[10]自适应调整参数的果蝇优化算法[J]. 韩俊英,刘成忠. 计算机工程与应用. 2014(07)
博士论文
[1]电动汽车用内置式永磁同步电机的研究[D]. 胡耀华.南京航空航天大学 2017
[2]电动汽车用高效高功率密度电机的设计与研究[D]. 杜静娟.天津大学 2017
[3]纯电动汽车水冷永磁同步电机多工况热特性及冷却系统研究[D]. 刘蕾.合肥工业大学 2015
[4]低速大扭矩潜油永磁同步电机电磁参数优化研究[D]. 崔俊国.中国石油大学(华东) 2014
[5]无人机主推进高力能密度永磁电动机关键技术研究[D]. 王森.沈阳工业大学 2014
[6]高速电主轴主动磁轴承温度场参数设计及控制研究[D]. 杨益飞.江苏大学 2013
硕士论文
[1]电动汽车用V形转子磁体结构永磁同步电动机研究[D]. 张懿夫.山东大学 2019
[2]纯电动汽车动力总成热管理策略研究[D]. 冯权.浙江大学 2019
[3]电动汽车轮毂电机温升与冷却特性仿真研究[D]. 姚宏义.吉林大学 2018
[4]热—结构—声三场耦合下随机结构的动力响应及可靠性分析[D]. 刘备.西安电子科技大学 2018
[5]水冷永磁电机多工况热特性及冷却水道研究[D]. 刘威.北京交通大学 2018
[6]无齿轮球磨机的永磁同步直驱电机设计与控制[D]. 郑云广.西南交通大学 2018
[7]水内冷永磁同步电机设计与温升研究[D]. 殷浩文.重庆大学 2018
[8]外转子磁通切换永磁电机电磁性能及温度场分析[D]. 刘畅.江苏大学 2018
[9]电动汽车动力总成能量流测试平台开发及其应用研究[D]. 沈天浩.浙江大学 2018
[10]纯电动汽车电机控制器全域温度场仿真与IGBT结温计算[D]. 路玲.合肥工业大学 2018
本文编号：3414904
【文章来源】：辽宁工程技术大学辽宁省
【文章页数】：101 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
美国电动机能效标准与一般工业电机效率对比
w/kg的车用永磁同步电机。采用机壳水冷的结构且早在2006年，开发出额定功率55kw的永磁同步电动机[5-7]。张懿夫提出了一种基于遗传算法和响应面法相结合的电机设计方法，通过降低转矩的脉动频率，使得电机运行的平稳性进一步提高[8]。周胜梅提出了定子槽型宽度的不同会影响电机的性能这一观点[9]。外国学者K.Yamazaki运用了三维有限元法提出了在不同的永磁体轴向分段在PWM调制下对电机涡流损耗的影响。欧美国家相较于日本关于永磁电机的研究较晚，如Satcon公司通过改变定子绕组使得电机转速得以提高，具有较高的调速范围。如图1.2为美国的橡树岭国家实验室在2017年开发出一款铁氧体永磁同步电机，该电机采用双层SPOKE结构，该电机的峰值功率为103kw，转矩密度比日本的Prius2010提高了10%，最高的转速更是提高了20%[10]。图1.2美国橡树岭研发的电机结构Figure1.2MotorstructuredevelopedbyOakRidgeUSASaharSharouni和PeymanNaderi提出了一种新型的磁等效电路法MEC对外转子电机进行建模，比较了不同状态下的槽偏角以及齿槽角，优化了电机的动态性能[11]。丰田公司推出的前3代Prius混合动力汽车将永磁同步电机的功率由最初的33kw提升至60kw，其结构选定均为内置式结构的永磁同步电机[12]。第3代Prius电机的定子以及转子如图1.3所示。该公司在2015年研制并发布了第四代电机，相比于第三代转速提高了3500rpm，功率密度提高了10%。而英国公司Equipmake对电机进行颠覆性创新，其瞄准的电动汽车市场，开发的电机转速高达12万转，持续功率17kw的电机只有3.9kg，具备突破性的功
电动汽车高功率密度永磁电机设计及优化分析4率密度优势。图1.3第3代Prius电机的定转子结构Figure1.3Fixedrotorstructureofthe3rdgenerationPriusmotor1.2.2国内外电机冷却研究现状永磁同步电机以其较高的功率密度被广泛应用在各类行业中，但是如何将电机温度降低是很多学者研究的重要内容之一。在空冷方面，高雄智巳等学者设计出一种新式全封闭风冷系统，可有效减少了电机的噪声问题[13]。由于电机水冷使得电机的对流换热效率更高，因此也就成为了研究的热点问题。国内学者吴桂珍提出了一种新型的S型定子外壳结构，可以有效地提高电机的散热能力[14]。吴琳等学者提出了关于电机的水冷系统设计的计算模型[15]。H.Neudorfer设计了一种新型基座，利用双臂的结构使得冷却液利用旋转流道流回基座，通过实验的测定，满足电机的温升试验要求[16]。PingZheng等设计了适用于混合动力汽车上的一种二维电机温升图[17]。BogliettiA和StatonA分别进行的是感应电机的冷却系统设计和对电机冷却方式的研究[18-19]。Marignetti等人提出了一种采用有限元的方法对电机的温度场以及流体场设计研究的方式[20]。AhamdDarabi在研究横向磁场的永磁电机时，提出了电机的六项爪极的设计，由于电机的体积较大，在采用水冷的方式进行散热时，每项铝壳内涂有两项由铜管制成的冷却通道，经过实验测定，可有效地传递出电机内部的热量，改善电机的冷却散热问题[21]。1.3论文主要研究内容关于电动汽车所用的高功率密度永磁同步电机的设计包含有结构、电磁、流体等方面。目前，增大功率密度可以通过优化电机的电磁结构、合理使用性能好的电磁材料、通过调节速度将转速增大、优化并提高电机的散热性能等方法。但目前关于电机在冷却壳体散热方面研究比较少，因此，本文着重研究了
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Ansys和MotorCAD仿真的无刷直流电机温度场分析[J]. 王其锋,魏雪环,刘勇,赵飞. 机电信息. 2019(17)
[2]基于耦合电抗的内置式永磁同步电机凸极率及失步转矩算法研究[J]. 张永平,段小丽,刘慧玲. 微电机. 2019(01)
[3]一种基于混沌粒子群改进的果蝇优化算法[J]. 刘晓悦,李朋园. 火力与指挥控制. 2018(12)
[4]槽口宽度和磁极偏心对伺服电动机齿槽转矩的影响[J]. 孙兆琼,李定华,钱荣超. 微特电机. 2018(06)
[5]永磁同步电动机定子槽尺寸的优化分析[J]. 周胜梅,赵龙涛,窦钟森. 微特电机. 2018(01)
[6]改进蚁群算法及其在高光谱影像分类中的研究[J]. 王偲晗,万幼川,王明威,高雄. 计算机工程与应用. 2018(01)
[7]纯电动汽车动力传动系统参数的匹配设计[J]. 刘江红. 传动技术. 2017(03)
[8]轴向磁通反作用飞轮电机PCB绕组损耗优化研究[J]. 王孝伟,杨贵杰,汪云涛,宁蜀悦. 微特电机. 2016(06)
[9]车用高功率密度永磁同步电机设计及试验研究[J]. 刘奇林,沈启平. 电机与控制应用. 2016(01)
[10]自适应调整参数的果蝇优化算法[J]. 韩俊英,刘成忠. 计算机工程与应用. 2014(07)
博士论文
[1]电动汽车用内置式永磁同步电机的研究[D]. 胡耀华.南京航空航天大学 2017
[2]电动汽车用高效高功率密度电机的设计与研究[D]. 杜静娟.天津大学 2017
[3]纯电动汽车水冷永磁同步电机多工况热特性及冷却系统研究[D]. 刘蕾.合肥工业大学 2015
[4]低速大扭矩潜油永磁同步电机电磁参数优化研究[D]. 崔俊国.中国石油大学(华东) 2014
[5]无人机主推进高力能密度永磁电动机关键技术研究[D]. 王森.沈阳工业大学 2014
[6]高速电主轴主动磁轴承温度场参数设计及控制研究[D]. 杨益飞.江苏大学 2013
硕士论文
[1]电动汽车用V形转子磁体结构永磁同步电动机研究[D]. 张懿夫.山东大学 2019
[2]纯电动汽车动力总成热管理策略研究[D]. 冯权.浙江大学 2019
[3]电动汽车轮毂电机温升与冷却特性仿真研究[D]. 姚宏义.吉林大学 2018
[4]热—结构—声三场耦合下随机结构的动力响应及可靠性分析[D]. 刘备.西安电子科技大学 2018
[5]水冷永磁电机多工况热特性及冷却水道研究[D]. 刘威.北京交通大学 2018
[6]无齿轮球磨机的永磁同步直驱电机设计与控制[D]. 郑云广.西南交通大学 2018
[7]水内冷永磁同步电机设计与温升研究[D]. 殷浩文.重庆大学 2018
[8]外转子磁通切换永磁电机电磁性能及温度场分析[D]. 刘畅.江苏大学 2018
[9]电动汽车动力总成能量流测试平台开发及其应用研究[D]. 沈天浩.浙江大学 2018
[10]纯电动汽车电机控制器全域温度场仿真与IGBT结温计算[D]. 路玲.合肥工业大学 2018
本文编号：3414904
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