混合動(dòng)力汽車用橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的研究.pdf

1、為了提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，并降低尾氣污染，混合動(dòng)力汽車得到了廣泛的研究。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)

2、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)

3、平衡方程。結(jié)合混合動(dòng)力汽車可能面對(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

4、。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)和控制過程中改善功率因數(shù)

5、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、仿真過程消耗時(shí)間較長，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

6、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。為了簡化工藝并獲得較高的槽滿率，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