混合动力车用轴向—轴向磁通复合结构永磁同步电机的研究

论文摘要

随着混合动力电动汽车的蓬勃发展,混合动力系统逐渐成为人们研究的热点。混联式混合动力系统综合了串联式与并联式混合动力系统的优点,具有很大的发展潜力。目前最成功的混联式混合动力汽车技术采用了行星齿轮配合一台发电机和一台电动机的机、电混合功率分配装置,来调节发动机与汽车负载的转矩转速差,提供无级变速的驱动功能。复合结构电机是两台电机的高度集成,这种新结构电机可集行星齿轮、发电机、电动机三者功能于一体,成为一种纯电气功率分配装置,使得系统结构更加紧凑、控制更加灵活,开辟了混合动力领域的一个新方向。本文对这种复合结构电机的其中一种拓扑结构——轴向-轴向磁通复合结构永磁同步电机（Axial-Axial Flux Compound-Structure Permanet-Magnet Synchronous Machine,AAF-CS-PMSM）进行研究。首先,针对AAF-CS-PMSM的特殊结构引起的复合在一起的两电机之间的磁耦合问题进行了研究,通过分析与有限元仿真,研究了永磁体轴向充磁时永磁体磁动势与电枢磁动势引起的两电机磁耦合的一般性规律,为这种复合结构电机磁解耦的设计提供依据。根据盘式电机盘体空间有限的特点,对表面插入式与表面凸出式永磁转子磁路结构进行了对比研究,为电机永磁转子结构的选择提供了参考与建议;提出利用Halbach阵列永磁体“自屏蔽效应”,在不增大电机体积的前提下解决两电机极数不等的设计问题,为电机更灵活的设计提供了一种新方法。根据研究结果设计了一台20kW的AAF-CS-PMSM,采用有限元法对电机磁耦合程度进行了评估,验证了理论研究成果的正确性。其次,针对AAF-CS-PMSM内磁场三维复杂分布的特点,从电机磁场分布规律、电机电磁性能、材料利用及加工工艺等方面对不同电磁结构进行对比研究,重点讨论了不同电磁结构对绕组端部空间的利用情况及对材料的利用率问题,为电机电磁方案的优化选择提供了重要依据。对电机轴向电磁拉力进行了分析及有限元计算,对影响电机电磁拉力的因素进行研究,给出了各因素对电机电磁拉力的影响规律,并讨论了不均匀气隙对电机的影响,为电机的设计提供了重要参考。再次,为满足混合动力车用驱动电机对宽调速区的要求,对电机的弱磁方法进行了研究。提出了基于改变永磁体与铁心正对面积的磁场调节机理的径向滑动永磁体弱磁方案,给出了永磁体径向滑动对电机电磁性能的调节规律,仿真分析了此种弱磁方法的弱磁效果,讨论了永磁体受力对电机性能的影响,并给出了这种电机的设计方法与步骤。对另一种变气隙弱磁方法进行了研究,着重讨论了气隙长度对电机性能的影响规律,给出了初始气隙长度的设计原则,并验证了变气隙方案的弱磁调速特性。这为电机的弱磁控制开拓了新思路、提供了重要理论支撑。最后,研制了一台AAF-CS-PMSM的样机,并对样机进行了实验测试。实验测试结果验证了本文提出的设计方法和计算方法的正确性和可行性,并根据测试结果进一步提出了样机的优化建议,为电机的工程应用提供重要借鉴。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 高度集成能量转换器的国内外研究现状
• 1.2.1 四象限能量转换器
• 1.2.2 电气变换器
• 1.2.3 开关磁阻式四端口机电能量变换器
• 1.2.4 双机械端口电机
• 1.2.5 双转轴混合磁路能量变换器
• 1.2.6 电磁耦合无级变速器
• 1.2.7 复合结构永磁同步电机
• 1.3 轴向磁通电机发展现状及AAF-CS-PMSM中出现的新问题
• 1.4 本文的研究工作
• 第2章 AAF-CS-PMSM磁耦合问题的研究
• 2.1 引言
• 2.2 轴向充磁永磁体磁动势引起的磁耦合规律
• 2.2.1 两电机极数相同时的磁耦合
• 2.2.2 两电机极数不同时的磁耦合
• 2.3 电枢磁动势引起的磁耦合规律
• 2.4 永磁转子结构对磁耦合的影响
• 2.4.1 轴向充磁结构转子
• 2.4.2 Halbach阵列永磁体转子
• 2.5 样机磁耦合情况仿真分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 AAF-CS-PMSM电磁方案与特殊电磁问题的研究
• 3.1 引言
• 3.2 电磁方案研究
• 3.2.1 备选的电磁结构方案
• 3.2.2 不同电磁结构方案的磁场分布规律
• 3.2.3 不同电磁结构电机的性能研究
• 3.2.4 不同电磁结构电机的材料利用率
• 3.2.5 不同电磁结构的选择
• 3.3 轴向磁拉力的研究
• 3.3.1 电机电磁力的计算方法
• 3.3.2 电机电磁力的分布规律
• 3.3.3 轴向电磁力的影响因素
• 3.4 样机不均匀气隙对电机性能的影响
• 3.4.1 不均匀气隙对磁密的影响
• 3.4.2 不均匀气隙对电磁力的影响
• 3.4.3 气隙不均匀对电机空载反电动势的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 AAF-CS-PMSM弱磁扩速方法的研究
• 4.1 引言
• 4.2 径向滑动永磁体弱磁方法的研究
• 4.2.1 径向滑动永磁体弱磁方法机理
• 4.2.2 实现径向滑动永磁体弱磁的转子结构
• 4.2.3 永磁体滑动对电机电磁性能的调节特性
• 4.2.4 径向滑动永磁体电机的弱磁调速特性
• 4.2.5 永磁体受力及其对电机性能的影响
• 4.2.6 径向永磁体滑动弱磁电机的设计方法
• 4.3 变气隙弱磁方法的研究
• 4.3.1 变气隙弱磁方法机理
• 4.3.2 气隙长度变化对电机电磁性能的调节特性研究
• 4.3.3 变气隙电机弱磁调速特性的研究
• 4.4 本章小结
• 第5章 AAF-CS-PMSM的实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 样机研制及实验测试平台
• 5.2.1 样机的研制
• 5.2.2 样机的测试平台
• 5.3 样机反电动势测试
• 5.3.1 空载反电动势测试
• 5.3.2 气隙不均匀对电机空载反电动势的影响
• 5.3.3 AAF-CS-PMSM磁耦合实验
• 5.4 样机损耗与效率的测试及分析
• 5.4.1 双转子电机的损耗及效率测试与分析
• 5.4.2 定子电机损耗及效率测试与分析
• 5.5 样机温升实验
• 5.5.1 双转子电机温升测试
• 5.5.2 定子电机温升测试
• 5.5.3 双转子电机与定子电机温升比较
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历