【摘 要】
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纯电动汽车凭借着环保和节能的优势,成为了汽车行业的重要发展方向。驱动电机是纯电动汽车的关键部件,其特性对纯电动汽车的性能有直接影响。采用以钕铁硼为代表的纯稀土永磁驱动电机凭借高效率、高功率密度、运行可靠等优点成为纯电动汽车的首选电机。然而,随着人类对稀土资源的大肆开采使得稀土永磁材料价格飙升,导致了纯稀土永磁驱动电机成本的增加,而且传统内置式永磁电机存在齿槽转矩过大、空载反电势波形畸变率高、转矩脉
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纯电动汽车凭借着环保和节能的优势,成为了汽车行业的重要发展方向。驱动电机是纯电动汽车的关键部件,其特性对纯电动汽车的性能有直接影响。采用以钕铁硼为代表的纯稀土永磁驱动电机凭借高效率、高功率密度、运行可靠等优点成为纯电动汽车的首选电机。然而,随着人类对稀土资源的大肆开采使得稀土永磁材料价格飙升,导致了纯稀土永磁驱动电机成本的增加,而且传统内置式永磁电机存在齿槽转矩过大、空载反电势波形畸变率高、转矩脉动过大等问题。针对以上问题,提出了一种非对称组合磁极式永磁电机,该电机一方面降低了齿槽转矩、空载反电势波形畸变率和转矩脉动,另一方面在满足输出转矩要求的同时减少了稀土材料使用量。分析了电机的运行原理,并基于功率尺寸方程确定了电机的基本尺寸。通过对非对称组合磁极式永磁电机理论研究,建立了等效气隙磁密模型,推导出空载反电势在非对称组合磁极下的N次谐波解析表达式;结合能量法与傅里叶分解法揭示了非均匀气隙对齿槽转矩的影响机理,验证了本结构的优势。结合有限元法分析了不同槽数对电机性能的影响规律,确定了8极48槽的电机方案,并对定子槽参数进行分析,完成了非对称组合磁极式永磁电机拓扑结构的初始设计。为进一步提高电机的性能,降低稀土材料使用量,提出了一种适用于非对称组合磁极类永磁电机的高效多目标分层优化策略。采用单变量扫描法分析了优化参数对于电机性能的影响规律,获取了最佳取值范围,为避免优化结果陷入局部最优解奠定了基础。基于敏感度分析法完成了对优化参数的分层,以齿槽转矩、转矩脉动以及空载反电势波形畸变率作为优化目标,平均输出转矩作为约束条件,对于高敏感度的参数,采用田口多目标优化算法;对于低敏感度的参数,采用响应面法优化。最终得到了电机优化后的尺寸参数,实现了优化目标之间的综合最优。为了客观地分析非对称组合磁极式永磁电机的特性,本文引入了相同尺寸下的传统V型纯稀土永磁电机作为参照电机。建立了有限元仿真模型,对两台电机的磁场分布、气隙磁密、齿槽转矩、损耗与效率等基本电磁性能展开了详细的对比分析,并基于非对称组合磁极分解模型揭示了非对称组合磁极转矩补偿机理。针对铁氧体材料易退磁的问题,校验了材料的抗不可逆退磁能力。仿真结果表明:非对称组合磁极式永磁电机在满足输出转矩的前提下,不但减少了19%的稀土材料使用量,而且具有更好的电磁性能以及抗不可逆退磁的能力。制作了一台5k W的非对称组合磁极式永磁电机样机,并搭建了电机测试平台,对样机进行齿槽转矩、空载反电势以及机械特性验证。实验表明,样机的实验值与仿真值接近,验证了上述研究的正确性与可行性。
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