混合动力车用径向—径向磁通复合结构永磁同步电机的研究

题名:混合动力车用径向—径向磁通复合结构永磁同步电机的研究
作者:刘冉冉
学位授予单位:哈尔滨工业大学
关键词:混合动力车;;电气无级变速;;永磁同步电机;;复合结构;;径向-径向磁通
摘要:

 在混合动力系统中,采用行星齿轮和两台电机的混联式驱动系统是目前最为先进和成功的电驱动系统,提供了高性能的电控无级变速驱动功能。而省去行星齿轮、将两台电机集成在一起的方案(我们称之为复合结构电Magnetic lifter机系统)可以实现相同的功能,同时具有结构紧凑、成本低廉、控制灵活等优势,是当前混合动力领域新的发展方向。本文对该类复合结构电机中的一种,即径向-径向磁通复合结构永磁同步电机(Compound-Structure Permanet-Magnet Synchronous Machine, CS-PMSM)进行了深入的研究,所做的工作主要包括以下几个部分:

 首先,对径向-径向磁通CS-PMSM由于结构的特殊性而产生的特殊电磁问题——磁耦合问题进行了研究,提出了实现磁解耦的设计原则,并提出了在保证磁解耦的前提下使外转子轭部厚度最小化来提高功率密度的设计方法。依照所提出的设计方法设计了一台20kW的CS-PMSM,通过有限元计算对磁场干涉程度进行了评估,验证了设计方法的正确性。另外,基于磁解耦的可行性,建立了全面反映CS-PMSM的电磁、机电关系并且能够考虑交叉磁化现象影响的统一数学模型,为CS-PMSM的精确控制奠定了基础。

 其次,对CS-PMSM的性能进行了有限元计算与验证,对电感参数进行了精确计算并对磁场特性进行了分析。采用多截面二维有限元法对电机的性能进行了计算,该方法可以利用二维求解结果解决斜槽电机三维有限元计算带来的计算机硬件要求高、计算时间长、计算精度有限等问题,计算结果表明CS-PMSM具有良好的工作性能。另外,给出了能够考虑电机饱和和交叉磁化现象求解电机的直、交轴自感和交叉磁化电感的方法和步骤,采用该方法对双转子电机和定子电机的电感参数进行了计算,并根据计算结果给出了两台电机的参数特点,为电机的精确控制提供依据。

 再次,建立了二维有限元热模型,对CS-PMSM的温度场分布进行了计算,给出了电机的局部过热点。采用了水冷和受迫风冷对CS-PMSM进行冷却,通过有限元计算对两种冷却方式的影响区域和冷却效力进行了分析,并提出了冷却流体参数对冷却效力的影响规律,该规律可以为合理地选择流体参数,反推冷却系统原动力的设计指标,优化地设计冷却系统,提高系统效率提供理论支撑。

 最后,研制了一台径向-径向磁通CS-PMSM的样机,并对样机进行了实验测试和功能性验证。实验测试结果验证了本文提出的设计方法和计算方法的正确性和可行性,并根据测试结果进一步提出了样机优化http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter的建议。另外,对CS-PMSM系统应用于混合动力车中的特点和基本运行模式进行了分析,并在搭建的实验平台上模拟混合动力系统的运行模式进行测试,测试结果验证了CS-PMSM作启动机、发电机和无级变速器进行转速转矩调节的功能,为下一步CS-PMSM系统在混合动力车中的实际应用开发提供了重要借鉴。
学位年度:2010