本文關(guān)鍵詞： 雙定子永磁無(wú)刷電機(jī) 繞組換接 電動(dòng)汽車(chē) 有限元分析 優(yōu)化設(shè)計(jì)　出處：《山東大學(xué)》2014年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著環(huán)境污染及石油危機(jī)的加劇,電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)得到廣泛重視,在目前車(chē)載蓄電池技術(shù)未得突破的前提下,電動(dòng)汽車(chē)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是研究重點(diǎn),顯然電動(dòng)汽車(chē)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)依賴于不同類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。盡管永磁無(wú)刷電機(jī)在電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)中具有綜合優(yōu)勢(shì),但其固有的難以實(shí)現(xiàn)弱磁擴(kuò)速,從而難以實(shí)現(xiàn)較低逆變器容量下的低速大轉(zhuǎn)矩和高速小轉(zhuǎn)矩輸出的缺陷,影響到電動(dòng)汽車(chē)性能的進(jìn)一步提高。因此,隨著電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電機(jī)性能要求的不斷提高,需要開(kāi)發(fā)研究具有新結(jié)構(gòu)、新概念的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)是近幾年提出的一種新型永磁無(wú)刷電機(jī),因其具有雙定子結(jié)構(gòu),大大改善了傳統(tǒng)永磁無(wú)刷電機(jī)的性能,在電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)中具有重要應(yīng)用價(jià)值,目前對(duì)該種電機(jī)的研究相對(duì)較少,因此本文基于電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用對(duì)雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行深入分析研究,主要包括以下幾部分內(nèi)容： (1)分析了雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)適合用于電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)原理及其性能的優(yōu)越性。 雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)由內(nèi)定子、中間轉(zhuǎn)子、外定子嵌套而成,可以看作是一個(gè)外轉(zhuǎn)子永磁無(wú)刷電機(jī)和一個(gè)內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁無(wú)刷電機(jī)的合成。與傳統(tǒng)的單定子永磁無(wú)刷電機(jī)相比,雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)不但具有一般永磁無(wú)刷電機(jī)的優(yōu)點(diǎn),且在相同的體積下,當(dāng)內(nèi)、外定子繞組共同作用時(shí)將具有更高的功率密度。當(dāng)用作發(fā)電機(jī)時(shí),可以提高電機(jī)的發(fā)電能力；當(dāng)用作電動(dòng)機(jī)時(shí),可以提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力。通過(guò)分析各種雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式,得出串聯(lián)磁路表貼式結(jié)構(gòu)具有更適合電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用的性能優(yōu)勢(shì)：其轉(zhuǎn)子鐵心軛部圓周方向沒(méi)有主磁通,在機(jī)械強(qiáng)度允許范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心軛部可以很薄,從而減少電機(jī)的體積和重量。 雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)的內(nèi)、外定子上繞有獨(dú)立的定子繞組,通常外定子繞組匝數(shù)多于內(nèi)定子繞組匝數(shù),因此,兩套繞組既可串聯(lián)運(yùn)行,又可單獨(dú)運(yùn)行。當(dāng)內(nèi)、外定子繞組串聯(lián)運(yùn)行時(shí),每相繞組有效串聯(lián)匝數(shù)多,反電動(dòng)勢(shì)高,同時(shí)轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速低,且產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩,從而能夠很好的滿足電動(dòng)汽車(chē)低速爬坡及起動(dòng)加速的要求。當(dāng)外或內(nèi)定子繞組單獨(dú)運(yùn)行時(shí),每相繞組有效串聯(lián)匝數(shù)少,反電動(dòng)勢(shì)低,產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩較小,但轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速高,使電機(jī)能夠高速運(yùn)行,因此即使不經(jīng)過(guò)弱磁擴(kuò)速,電機(jī)也能達(dá)到較高的轉(zhuǎn)速。而且當(dāng)電機(jī)一套繞組出現(xiàn)故障時(shí),另一套繞組可以單獨(dú)運(yùn)行,使電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)具有容錯(cuò)性。同時(shí),通過(guò)靈活控制繞組的連接方式,可使電機(jī)運(yùn)行在不同工況下以滿足電動(dòng)汽車(chē)不同運(yùn)行狀態(tài)的需求。 (2)根據(jù)雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出了一種雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)的設(shè)計(jì)方法。 串聯(lián)磁路表貼式結(jié)構(gòu)的雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)因其雙定子結(jié)構(gòu)而具有優(yōu)越的性能,但電機(jī)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜了,不僅內(nèi)、外定子設(shè)計(jì)參數(shù)相互制約,其內(nèi)、外定子間還存在電磁耦合關(guān)系,這大大增加了電機(jī)的設(shè)計(jì)難度,難以采用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)手段對(duì)其進(jìn)行電磁設(shè)計(jì),從而限制了該種電機(jī)的深入研究和推廣應(yīng)用。因此,本文基于雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),提出了一種雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)的設(shè)計(jì)方法,即將雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)看作內(nèi)、外兩個(gè)單定子永磁無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì),然后合成為雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)設(shè)計(jì)方案。由于設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及到內(nèi)、外單定子電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的匹配,為了加快設(shè)計(jì)過(guò)程,并得到更為合理的設(shè)計(jì)方案,在設(shè)計(jì)過(guò)程中加入了響應(yīng)面法和遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化。該方法對(duì)設(shè)計(jì)雙定子永磁無(wú)刷發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)同樣適用。本文以雙定子永磁同步發(fā)電機(jī)為例,詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)過(guò)程,對(duì)最終的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了有限元分析并制作了樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的正確性。 (3)通過(guò)對(duì)雙定子永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的性能分析,提出了該種電機(jī)應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)時(shí)繞組連接方式的選擇原則。 本文首先設(shè)計(jì)了一臺(tái)用于電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)的雙定子永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī),并對(duì)不同繞組連接方式下電機(jī)的性能進(jìn)行了電磁場(chǎng)有限元分析,得到了相同逆變器供電時(shí)電機(jī)的三個(gè)額定工作點(diǎn),即轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速點(diǎn),從而得到了雙定子永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線。其次,進(jìn)一步對(duì)該電機(jī)的各運(yùn)行區(qū)域進(jìn)行細(xì)分,并對(duì)各運(yùn)行區(qū)域內(nèi)不同繞組連接方式下電機(jī)的性能進(jìn)行有限元分析,得到了各運(yùn)行區(qū)域內(nèi)不同繞組連接方式下電機(jī)性能的優(yōu)劣順序。進(jìn)而提出了雙定子永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)基于電動(dòng)汽車(chē)不同運(yùn)行工況的繞組連接方式選擇原則,使電機(jī)不僅具有較寬的運(yùn)行范圍,且在較寬的運(yùn)行范圍內(nèi)能夠高效運(yùn)行,以滿足電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求。最后制作了樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 (4)提出了雙定子永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)繞組連接方式的切換方法及繞組換接電路,并分析了繞組換接的動(dòng)態(tài)過(guò)程。 為了滿足電動(dòng)汽車(chē)不同運(yùn)行工況的需求并使電機(jī)在各運(yùn)行工況下具有高效率,需要合理的進(jìn)行繞組連接方式的切換。經(jīng)分析,常用的繞組換接方法需將電機(jī)電流降至零或接近零時(shí)進(jìn)行繞組切換,換接過(guò)程會(huì)出現(xiàn)電流和轉(zhuǎn)矩的明顯中斷。為了避免電流和轉(zhuǎn)矩中斷現(xiàn)象、降低繞組換接過(guò)程對(duì)電機(jī)正常運(yùn)行的影響,本文提出了在電機(jī)各相繞組電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)依次進(jìn)行繞組切換的繞組換接方法,并提出了基于雙向晶閘管的繞組換接電路。首先,為了降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜性,選用雙向晶閘管作為繞組換接電路的開(kāi)關(guān)元件,給出了雙定子永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的繞組換接電路。其次,以方波電流驅(qū)動(dòng)的雙定子永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和正弦波電流驅(qū)動(dòng)的雙定子永磁同步電動(dòng)機(jī)為例,分別對(duì)繞組換接的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了理論分析。最后,利用有限元仿真軟件分別建立了兩電機(jī)的場(chǎng)路耦合時(shí)步有限元仿真模型,對(duì)繞組換接的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了有限元仿真,驗(yàn)證了繞組換接方法及繞組換接電路的可行性。
[Abstract]:With the increase of the environmental pollution and the oil crisis , the research and development of electric automobile has been paid much attention , and the electric drive system of electric automobile is the focus of research . It is obvious that the electric drive system of electric automobile is dependent on different types of drive motors . ( 1 ) The principle and the performance of the double - stator permanent magnet brushless motor are analyzed . Compared with the traditional single - stator permanent - magnet brushless motor , the double - stator permanent - magnet brushless motor not only has the advantages of a common permanent magnet brushless motor , but also has higher power density when used as a generator ; when the outer or inner stator winding is operated in series , the effective serial number of turns of each phase winding is small , the back electromotive force is high , the rotating speed is low , and a large electromagnetic torque is generated , so that the motor can be operated at high speed even without the weak magnetic expansion speed , and the motor can be operated under different working conditions to meet the requirements of different operating conditions of the electric automobile . ( 2 ) According to the structure characteristics of the double - stator permanent magnet brushless motor , a design method of a double - stator permanent magnet brushless motor is proposed . This paper presents a design method of double - stator permanent magnet brushless motor because of its double stator structure , but the structure of the motor is more complicated . In this paper , the design method of double stator permanent magnet brushless motor is proposed . ( 3 ) By analyzing the performance of the double - stator permanent - magnet brushless motor , the selection principle of the motor applied to the winding connection mode of the electric automobile driving is put forward . This paper first designs a double - stator permanent - magnet brushless DC motor driven by electric automobile , and analyzes the performance of the motor under different winding connection modes . ( 4 ) The switching method of the winding connection mode of the double - stator permanent magnet brushless motor and the winding connection circuit are put forward , and the dynamic process of the winding change is analyzed . In order to meet the demand of different operating conditions of electric automobile and to make the motor have high efficiency under various operating conditions , it is necessary to switch the winding connection mode reasonably .

【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：TM351;U469.72

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 余晉岳,張琛,楊春生,朱軍,錢(qián)建國(guó),張明生,周狄,俞愛(ài)斌,魏福林;直徑1mm電磁型雙定子微馬達(dá)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及稀土永磁在其中的應(yīng)用[J];磁性材料及器件;2000年01期

2 徐衍亮,許家群,唐任遠(yuǎn);電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電動(dòng)機(jī)的繞組換接運(yùn)行分析[J];電工技術(shù)學(xué)報(bào);2002年05期

3 劉細(xì)平;林鶴云;楊成峰;;雙定子永磁電機(jī)內(nèi)外定子繞組相軸相對(duì)位置確定方法[J];電工技術(shù)學(xué)報(bào);2009年04期

4 王玉彬;程明;樊英;鄒國(guó)棠;;功率分配用雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)設(shè)計(jì)與電磁特性分析[J];電工技術(shù)學(xué)報(bào);2010年10期

5 王雅玲;徐衍亮;劉西全;;雙定子永磁同步發(fā)電機(jī)(I)—結(jié)構(gòu)原理及其響應(yīng)面法設(shè)計(jì)[J];電工技術(shù)學(xué)報(bào);2011年07期

6 徐衍亮;王雅玲;劉西泉;;雙定子永磁同步發(fā)電機(jī)(Ⅱ)——有限元分析及樣機(jī)試驗(yàn)[J];電工技術(shù)學(xué)報(bào);2012年03期

7 胡明正，，曾成碧，黃耀群，楊國(guó)強(qiáng)，謝應(yīng)璞，李興源，蘇異德;雙定子籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型及起動(dòng)過(guò)程仿真[J];電工技術(shù)學(xué)報(bào);1995年04期

8 黃衛(wèi)星,王雪帆,韋忠朝,李松;新型雙定子電機(jī)的原理及應(yīng)用綜述[J];電機(jī)電器技術(shù);1999年04期

9 于雷,鄭云龍;逐步回歸響應(yīng)面法[J];大連理工大學(xué)學(xué)報(bào);1999年06期

10 劉細(xì)平;林鶴云;;雙定子永磁同步電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩削弱方法[J];東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2007年04期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 張東;新型雙定子永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)與研究[D];上海大學(xué);2008年

本文編號(hào)：1498600