本文關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車(chē)用橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的研究

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【摘要】：為了提高汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性,并降低尾氣污染,混合動(dòng)力汽車(chē)得到了廣泛的研究。其中,動(dòng)力分配裝置負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)蓄電池和內(nèi)燃機(jī)的輸出功率,并高效適應(yīng)各種復(fù)雜工況,因此成為混合動(dòng)力汽車(chē)研究的重要方向之一。采用復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī),能夠在混合動(dòng)力汽車(chē)中實(shí)現(xiàn)動(dòng)力分配,并且具有結(jié)構(gòu)緊湊和易于控制等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前,有刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)已得到較為廣泛和深入的研究,其優(yōu)勢(shì)和可行性均得到驗(yàn)證;然而研究也表明,電刷滑環(huán)機(jī)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的下降。本文提出了一種新型橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī),可與另外一臺(tái)普通永磁同步電機(jī)相配合,構(gòu)成無(wú)刷復(fù)合結(jié)構(gòu)橫向磁通永磁同步電機(jī)。該方案可對(duì)內(nèi)燃機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制,并且能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)刷化。本文主要針對(duì)橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理和特性等進(jìn)行了研究,具體工作包括以下幾個(gè)部分:首先,提出了橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的結(jié)構(gòu)方案,分析了其工作原理,并且建立了電機(jī)的等效磁路模型。分析了橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)矩傳遞功能;給出了橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的磁鏈電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)平衡方程。結(jié)合混合動(dòng)力汽車(chē)可能面對(duì)的多種路況條件,對(duì)橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的工作模式進(jìn)行了研究;并且討論了橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩應(yīng)該滿(mǎn)足的設(shè)計(jì)條件。對(duì)橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的復(fù)雜三維磁通路徑進(jìn)行了分析,具體研究了電機(jī)的主磁通和漏磁通的分布。根據(jù)橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的磁通路徑,建立了電機(jī)的等效磁路模型。其次,推導(dǎo)了橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的內(nèi)氣隙磁通密度和磁路中各磁阻的解析表達(dá)式;并且對(duì)電機(jī)的電樞反應(yīng)電抗、電磁轉(zhuǎn)矩和功率因數(shù)進(jìn)行了研究。具體分析了聚磁式永磁轉(zhuǎn)子對(duì)于提高內(nèi)氣隙磁通密度的作用,以及各磁阻受到相關(guān)尺寸參數(shù)的影響。根據(jù)橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的等效磁路模型,分析得出了電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式。之后,根據(jù)橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的磁路特點(diǎn),重新定義電負(fù)荷和磁負(fù)荷,并推導(dǎo)了轉(zhuǎn)矩密度的解析表達(dá)式,分析了獲得較高轉(zhuǎn)矩密度的方法。根據(jù)電壓電流平衡方程,建立了橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的相量圖,推導(dǎo)了功率因數(shù)的解析表達(dá)式,研究了功率因數(shù)偏低的主要原因,并給出了在電機(jī)設(shè)計(jì)和控制過(guò)程中改善功率因數(shù)的方法。再次,建立了橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)三維有限元模型,并對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化;對(duì)橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的參數(shù)和性能進(jìn)行了具體的仿真研究。針對(duì)橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的復(fù)雜三維磁通路徑,建立了其三維有限元模型。橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的三維有限元模型較大、仿真過(guò)程消耗時(shí)間較長(zhǎng),因此根據(jù)電機(jī)各相獨(dú)立和每相具有周期性的特點(diǎn),將仿真模型簡(jiǎn)化為一相下一對(duì)極的模型。采用三維有限元方法,仿真分析了橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)內(nèi)部的磁通密度分布和空載漏磁系數(shù);研究了電機(jī)參數(shù)對(duì)空載反電動(dòng)勢(shì)、輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和功率因數(shù)的影響。在此基礎(chǔ)之上,結(jié)合前述理論分析結(jié)果,對(duì)橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和功率因數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,給出了電機(jī)極對(duì)數(shù)、內(nèi)外氣隙長(zhǎng)度、橫向磁通齒尺寸和永磁體尺寸等參數(shù)的取值范圍。最后,針對(duì)橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了各部件的結(jié)構(gòu)和加工工藝;制造了橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的樣機(jī),并且對(duì)其參數(shù)和性能進(jìn)行了測(cè)試。為了簡(jiǎn)化工藝并獲得較高的槽滿(mǎn)率,設(shè)計(jì)了電機(jī)定子鐵心軛部與端部分別制造,再進(jìn)行裝配的制造方式。另外,采用酚醛環(huán)氧玻璃纖維布板來(lái)制造橫向磁通轉(zhuǎn)子支架,以達(dá)到減小支架上渦流損耗并保證強(qiáng)度的目的。之后,搭建了橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái),測(cè)試了樣機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)、平均轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、功率因數(shù)和效率等參數(shù)和性能。然后,在連續(xù)變化工況條件下,測(cè)試了電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率變化曲線(xiàn),來(lái)驗(yàn)證橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)矩傳遞功能。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TM341;U469.7

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本文編號(hào)：1145489