57110字硕士毕业论文新型低成本汽车驱动同步电机的探讨
论文类型：硕士毕业论文
论文字数：57110字
论点：永磁,电机,转子
论文概述：
本文是在职硕士论文，本文研究低成本永磁辅助式磁阻同步电动机，对电机转子结构、极槽配合、绕组设计和多领域仿真等方面进行研究，在此基础上试制6kW永磁辅助式磁阻同步电动机。
论文正文：
第一章简介
市场上现有的纯电动公交车驱动电机主要有三相交流异步电机、开关磁阻电机、永磁无刷DC电机和永磁同步电机。三相交流异步电动机是一种应用广泛的电动机。日常生活中见到的大多数电动机都是异步电动机。该电机具有相对简单的定子和转子结构。电机内部没有换向器和滑环等换向结构。定子和转子都是由硅钢片层压而成的。转子内部的永磁体不需要像永磁电机内部的永磁体那样提供永久磁场，因此具有良好可靠的运行性能。现有异步电动机的转速可达15000转/分钟，高速时效率也更高。冷却方法一般是水冷和空冷，可以更好地适应一般的工作环境。交流电机的功率密度高于普通DC电机。交流电机通常只有同等功率的DC电机质量的一半，成本只有三分之一，效率更高，电机成本更便宜，电机控制装置和维护也非常简单方便[6】。虽然三相交流异步电动机有许多优点，但异步电动机消耗无功功率，这将降低电网的功率因数。异步电动机的调速性能有待提高。在调速范围和调速精度要求较高的地方，一般采用同步电机。同时，异步电动机的转子产生更多的热量，产生的铜耗对电动机的效率有较大的影响。
……
第2章永磁辅助磁阻电机优化设计方案
2.1驱动电机要求和尺寸的确定
一旦估算出所需的转子体积，下一步就是确定转子直径。转子的直径通常是转子铁芯长度的0.5到2倍(注:主尺寸比λ = D/L =0.5 ~ 2)[27]。然而，由于电机的定子在实验室中采用异步电机的定子，并且测量的内径和外径分别为325毫米和445毫米，因此在估计电机转子时必须确保电机转子的外径小于325毫米。转子外径为323.5毫米。
2.2永磁辅助磁阻电机极槽匹配的选择
不同的极槽匹配使得电机转子每极对应的定子槽数量不同，这对电机的齿槽转矩以及电机的磁阻转矩有很大影响，从而影响电机的转矩性能。因此，极槽匹配的选择对电机非常重要。NdFeB电机驱动新能源汽车常用的极数是6极和8极，但大多数是8极。随着永磁同步电机磁极的增加，电磁转矩越稳定，但电机的铁耗会增加[34]。本节分别比较和分析了4极、48槽、6极、54槽和8极、72槽永磁辅助磁阻同步电机的电磁性能。在仿真设计中，电机磁钢由铁氧体永磁材料制成。电机尺寸结构相同，磁钢用量相等。图2.1是三种不同极槽匹配电机的模型。
第3章永磁辅助磁阻电机的多域仿真...................27
3.1电机多域仿真软件.............................................28
3.2永磁辅助磁阻电机铁损分析.........................................29
3.3永磁辅助磁阻电机温度场分析.........................................33
3.4永磁辅助磁阻电机应力场分析.........................................39
3.5永磁辅助磁阻电动机场联合仿真.........................................42
第4章原型试制和实验.............................................46
4.1 6KW实验样机电磁方案设计..............................46
4.2 6kW实验样机的应力模拟和装配.........................................50
4.3 6kW样机制造工艺........................................................52
4.4本章概述...........................................58
第5章全文总结与展望..............................59
第4章原型试生产和实验
4.1 6kw实验原型的电磁方案设计
现有定子为36槽结构。采用电磁场仿真方法对不同转子磁极电机的性能进行了比较分析，得到了更合适的极槽配合，并制作了实验样机。对于6kW永磁辅助磁阻同步电机样机，其设计应满足表4.1所示的性能指标和材料类型要求。鉴于实验室中现有的36槽定子，首先需要确定电机转子的极数。由于现有电机尺寸的限制，电机转子只能放置三层磁钢，所以采用两层铀、一层钒的转子结构。设计了四极和六极两种不同的转子结构，并从气隙磁场空负载反电动势和转矩能力方面比较了它们的性能。用于两个转子的永磁材料的量是相同的。图4.1是两个不同极槽匹配电机的转子结构图；其中，图4.1(a)是4极36槽电机转子的结构图，图4.1(b)是6极36槽电机转子的结构图。4.2是两个不同极槽匹配电机空的磁云图和磁场分布图，其中图4.2(a)是4极36槽电机空的磁云图和磁场分布图，图4.2(b)是6极36槽电机空的磁云图和磁场分布图；图4.3是四极36槽电机空的反电动势和傅立叶分析图；图4.4是6极36槽电机空的反电动势和傅立叶分析图；图4.5是额定功率下四极36槽电机的扭矩模拟图。图4.6是峰值功率下4极36槽电机的扭矩模拟图。图4.7是额定功率下6极36槽电机的扭矩模拟图。
4.26千瓦实验样机
应力模拟与装配由于永磁辅助磁阻同步电机的转子采用三层转子结构，结构更加复杂，转子中的槽数也比较大，为了保证转子在运行过程中的安全性，需要考虑电机在高速运行过程中的机械应力。现在用ANSYS软件模拟了4极36槽6 kW小型样机在高速下的应力。最高速度下仿真速度设置为7500转/分钟，每个磁桥宽度为0.8毫米，仿真采用1/8模型。在建立模型时，不仅需要考虑电机旋转时产生的离心力，还需要考虑电机此时受到的切向力。为了真正考虑切向力对电机应力的影响，切向力的大小需要转换并作为转子切向方向的载荷加载。应力模拟结果如图4.11所示，其中图4.11(a)是应力分布图，图4.11(b)是变形图。
……
第五章全文
总结与展望针对现有纯电动公交车驱动电机存在的问题，研究了低成本永磁辅助磁阻同步电机，研究了电机的转子结构、极槽匹配、绕组设计和多场仿真，并在此基础上对6kW永磁辅助磁阻同步电机进行了测试。本文的主要成果如下:(1)优化了永磁辅助磁阻同步电机的转子结构。从磁密度分布和转矩容量两个方面对四种不同转子结构的永磁辅助磁阻同步电机进行了仿真分析，研究了V形磁钢开度角和磁隔离桥开度角对电机性能的影响。在此基础上，讨论了极槽匹配和不同绕组方式的影响。分析比较结果表明，8极72槽电机模型、转子四层磁钢结构(其中V形磁钢开口角为145°)、转子磁隔离层开口角为4°，定子绕组采用双层短距离满足电磁性能要求。(2)针对永磁辅助磁阻同步电机多层磁钢结构转子可能存在的应力安全问题，利用Ansys workbench软件进行温度场和应力场的多场联合仿真。首先用麦克斯韦尔模拟电机的铁耗，以负载的形式加载铁耗和铜耗，模拟电机的温度场。然后将温度场模拟结果作为载荷来模拟应力场。
……
参考文献(省略)