18/12极外转子双凸极永磁轮毂电机的设计与分析

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近年来,随着人们生活水平的不断提高,汽车需求量呈井喷式发展态势。据中国汽车工业协会的相关数据统计,2015年全国汽车销量约达到2459.76万台。然而汽车工业发展与能源、环境之间的矛盾日益突出。传统汽车主要以燃油汽车为主,其能源消耗直接造成环境污染,同时也是造成全球石油危机的主要原因。迫于环境保护和能源危机两重压力,各国政府、科研院校、汽车厂商不得不投入大量人力、财力研发新型高性能且零排放的环保电动汽车。而作为车用电机研究领域主要技术之一的轮毂电机技术,很有希望成为未来车用驱动的主力方向。根据转子型式的不同,轮毂电机驱动系统可分为内转子式和外转子式两种结构。其中,外转子式没有减速装置,电机的转速与车轮转速相同,最高转速达到1000~1500r/min。内转子式通常配备有固定转动比的减速器,电机的最高转速可达到10000r/min,功率密度比较高。本论文在结合汽车轮毂相关标准的前提下,查阅了大量文献,设计出了一种性能优越的外转子18/12极双凸极永磁轮毂电机。双凸极永磁电机是在开关磁阻电机的基础上发展而来的,它结合了开关磁阻电机和永磁电机的优点,其特性与前两种电机相比,具有相对的优越性和实用性,因此,具有广阔的发展空间。本文首先介绍了课题研究的背景以及车用电机的发展现状和趋势,其中重点介绍双凸极永磁电机的研究现状,并指出电机研究关键点,如定子绕组设计、转动脉动抑制、弱磁控制。接着简单阐述了开关磁阻电机的运行原理和数学模型,并在此基础上重点介绍了双凸极永磁电机的数学模型和运行原理。然后以一款本田车型为例,介绍了电机额定数据的选择、电机极数和相数选择、定子尺寸选择、转子尺寸选择、永磁体尺寸的选择、电机各部分材料的选择。接下来重点对电机的进行了有限元分析,主要是空载分析和负载分析。空载分析主要包括磁力线分析、磁场强度分析、磁链分析。通过空载分析也验证电机设计的合理性,还通过磁链还分析导出了驱动电路开关管的导通顺序和导通区间。负载分析主要包括转矩分析和机械特性分析,通过转矩分析分析了减小转矩脉动的方法。通过机械特性分析得出了电动汽车驱动电机的适合运行转速区间。紧跟着对18/12极和12/8极双凸极永磁电机的本体结构、功率密度以及转矩脉动进行比较,表明了18/12极双凸极永磁电机的性能优越性。最后对本论文所设计电机的过程进行了总结,并对本论文设计电机过程中的没有设计的部分进行了简单展望。为以后研究该电机做了铺垫。
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