电动汽车用永磁同步电动机设计

摘要

　　全球能源问题和世界环境问题日益严峻，发展新能源势在必行，新能源汽车尤为重要。在电动汽车驱动电机中，永磁同步电动机受到广泛的青睐，其优点很多，如高效率、体积小、低损耗、高功率密度等。永磁电动机作为电动汽车驱动系统的核心部件，其性能的优良直接影响了整辆车的运行性能。因此，精心设计电动机的性能，制造出性能优良的永磁同步电动机具有重要的现实意义和应用价值。本文比较详细地探讨了电动汽车用永磁同步电动机的设计方案，其中包括永磁电机的设计方法、性能分析、有限元仿真、参数优化等。

　　首先，本文描述了课题的背景与研究意义，综合描述了车用驱动电动机在国内以及国外的研究发展状态，列出了车用永磁同步电动机的一些研究性关键技术研究和发展现状，同时也介绍了实现宽范围调速的弱磁性能及实现弱磁的一些方法的研究现状。

　　接着，根据前章节的叙述，设计一台 30kW 的电动汽车用永磁同步电动机。通过对电机主要尺寸、气隙长度、极槽配合等参数的对比分析作出选择，设计出一台符合设计要求的宽调速范围的永磁电动机。

　　然后，本文结合电动汽车的结构特点的要求，得出了本文弱磁研究的理论和分析观点依据，分析永磁电机实现弱磁的方法，找出电机中影响弱磁的参数，从三个方面入手总结归纳。从永磁铁的简介开始，分析永磁体的厚度和宽度对电机的弱磁的影响。接下来分析气隙长度对电动汽车用永磁同步电机弱磁性能的影响，最后分析极弧系数对电机弱磁性能的影响。总结分析影响永磁电机弱磁性能的参数，得出最优弱磁方法。

　　最后，对转子磁路结构进行对比分析。通过分析三种转子，对比其气隙磁密、齿槽转矩等参数，得出适合电动汽车的磁路结构。从电机转子两个方面进行优化分析，首先讨论永磁同步电机的转子中永磁体分段对电机性能和电机弱磁能力的影响，对比分段前后电机各项参数及性能指标，总结永磁体分段对电机的影响；随后对电机永磁体之间的夹角进行调整，对比不同夹角的电机的各项性能参数，得出有利于弱磁的永磁体夹角。

　　关键词：永磁同步电动机，弱磁，分段，电动汽车

Abstract

　　With the increasingly serious global energy and environmental problems, it is imperative to develop new energy vehicles. Permanent magnet synchronous motor (PMSM) has many advantages, such as small volume, high efficiency, high power density and low loss. As the core component of the electric vehicle drive system, its performance directly determines the performance of the vehicle. Therefore, it is of great practical significance and application value to design the permanent magnet synchronous motor with excellent performance. In this paper, the design of the permanent magnet synchronous motor (PMSM) is studied systematically, including the design method, performance calculation, finite element simulation, parameter analysis, optimization performance and so on.

　　In the first, this words writes the background and significance of this subject theme, investigates the electric vehicle with permanent magnet synchronous motor development at home and abroad, introduces the electric vehicle with permanent magnet synchronous motor and the research status of key technologies, research status and some methods of weak magnetic field weakening performance of wide range speed is also introduced.

　　Then, according to the structural characteristics of electric vehicles, to establish the theoretic basis for permanent magnet motor weak magnetic field discuss, analysis method of weak magnetic field of permanent magnet motor, the motor was found in the effect of weak magnetic parameters from three aspects summarized. Starting from the introduction of the permanent magnet, the influence of the thickness and width of the permanent magnet on the weak magnetic field of the motor is analyzed. Secondly, the influence of the length of air gap on the weak magnetic performance of permanent magnet synchronous motor (PMSM) is analyzed. The parameters affecting the performance of permanent magnet motor are summarized and analyzed.

　　Finally, the rotor magnetic circuit structure is analyzed. Through the analysis of three kinds of rotor, comparing the air gap flux density, the cogging torque and other parameters, the magnetic circuit structure suitable for electric vehicle. From two aspects of motor rotor optimization analysis, first discusses the magnet segmentation effect on motor performance and motor ability of the weak magnetic rotor of permanent magnet synchronous motor, motor parameters and the comparison of segmentation before and after the performance, summarize the magnet segmentation effect on motor; then adjust the angle between the permanent magnet motor. Comparison of performance parameters of different angle of the motor, that are conducive to the permanent magnet angle of weak magnetic field.

　　Key words: PMSM, weak magnetic, segmentation, electric cars

　　最近这些年，全球变暖、世界环境问题受到人们重视，人类赖以生存的常规化石类能源，比如天然气、石油等能源的大量减少，而新能源电动汽车作为一种使用电能作为其驱动能源的现代交通工具，其区别于依赖传统石油提供动能的普通汽车，变成了解决其问题的有效方式[1]。

　　最近几年以来，除了中国以外的国家政府、企业积极推动和促进电动汽车的发展和研究，美国、日本、德国等国家纷纷定制产业规划，投入人力物力着手进行深入研究，以期实现新能源汽车产业的发展和变化[2]。我国政府以及研究部门同样也高度重视新能源汽车的研究开发问的发展，国家近年先后把电动汽车的探究问题作为我国国家的科学技术重点研究方向、国家重要的科学技术产业化项目、“ 863 计划”节能减排与新能源汽车的重点攻关技术，呼吁各单位深入讨论电动汽车的关键技术问题、整个系统集成技术和汽车全车技术上获得进展，来加快新能源汽车研究系统形成的步伐以及产品产业化形式的发展[3]。

　　电驱动系统是整车运行的核心，而驱动电机又作为电驱动系统的核心部件，电动汽车的运行状况的好坏主要又由驱动电机的性能影响。专攻汽车驱动所用电机的设计开发研究已经变成了汽车行业发展的一种主要研究方式，设计者能够设计制造出具有效率高、稳定性好、可靠性强、较高的功率密度的电动机对电动汽车更好地平稳行驶意义重大。电动汽车电机系统不但要求其有普通电气传动的性能以外，还要求其适应电动汽车特定特殊用途的运用。其要求既能高速驰骋，又能频繁起动、制动；既能平稳上坡下坡，又能快速超车、紧急刹车；既能承受所经道路的颠簸、震动，又能适应雨雪天、寒冬盛夏、雪后撒盐等恶劣天气，同时还应保证司乘人员的安全与舒适。

　　因此，电机驱动系统的设计要求满足以下几点条件：

　　(1) 为了适应电动汽车的启动、加速、爬坡、起停等要求，驱动电机需要在基速下以大转矩运行；同时基速以上小转矩运行，恒功率、宽范围调速以适应电动汽车车速等要求。

　　(2)为保证汽车电池一次充电后的续驰能力尽可能大，要求在整个转矩/转速运行范围内的电机效率最优化。

　　(3)电机及电控装置结构坚固、抗震抗颠簸能力强，体积小、重量轻保证汽车整车重量要求。

　　(4)电动汽车的操纵性能应该适合司机驾驶方式，要求其运行平稳、驾乘舒适，当电气系统失效时，保障措施必须完善。

　　(5)保证单位功率的设备成本尽可能低。

　　依据电动汽车电机驱动系统要求，目前电动汽车的驱动电机形式主要包括下面几种：异步机、开关磁阻电机和永磁电机乃至无刷直流电机等类型的电机种类。通过对几种电机的综合比较，鉴于永磁同步电动机体积相对较小、效率等级高、具有相对高的功率密度值、可调速范围宽等特点，这使永磁电机变成新能源电动车电机发展研究中的佼佼者[4-6]。

　　电动汽车用永磁电动机具有以上优点的同时，因为其励磁方式是通过永磁体提供磁场进行能量转换，这使得电动机的弱磁调速难度有所增加，要实现电机稳定宽范围调速是电动车用永磁电动机设计的一个关键研究项目。

　　为了使电动汽车达到稳定运行，电机的运行平稳性非常重要，要求设计者在电机的设计过程中驱动电机的电负荷适宜，同时使电机的磁负荷进行妥善选择，进而让电动汽车电机的高效平稳得当运行。因此，要想电机以最优的条件下运行，设计中必须在选择电机的技术参数过程中恰当选优，以使电机运行达到优良状态，尽量使电机的稳定性大大提升、效率不断攀升的运行，从而保证电动汽车用永磁同步电机实现最优状态。

　　永磁电机转子结构选优及仿真分析：

“一”字型转子结构

“V”型转子结构

“V 一”型转子结构

不同转子结构电机的气隙磁密波形及其谐波分析

不同转子结构下交直轴电感

永磁体未分段电机磁场分布

永磁体分段电机磁场分布

目录

　　摘要
　　Abstract
　　目录
　　第 1 章 绪论
　　　　1.1 课题研究背景及意义
　　　　1.2 国内外研究现状
　　　　　　1.2.1 电动汽车用永磁同步电机的研究现状
　　　　　　1.2.2 电动汽车用永磁电机关键技术研究现状
　　　　1.3 课题的研究内容
　　　　　　1.3.1 电动汽车用永磁同步电动机的设计
　　　　1.3.2 电动汽车用永磁同步电动机弱磁性能分析
　　　　　　1.3.3 电动汽车用永磁电机的转子结构分析
　　第 2 章 电动汽车用永磁电机设计
　　　　2.1 电动汽车用永磁电机参数要求
　　　　2.2 永磁电机的主要尺寸选择
　　　　2.3 永磁同步电机的转子磁路结构选取
　　　　2.4 永磁电机的极数选择
　　　　2.5 永磁电机的槽数选择
　　　　2.6 永磁电机的气隙长度的选择
　　　　2.7 转子开减重孔分析
　　　　2.8 样机主要结构参数
　　　　2.9 本章小结
　　第 3 章 电动汽车用永磁同步电机弱磁性能的研究
　　　　3.1 永磁同步电机弱磁性能分析
　　　　3.2 永磁同步电机电抗参数的求解
　　　　　　3.2.1 求解电抗方法概述
　　　　　　3.2.2 dq0 等效坐标变换
　　　　3.3 永磁体设计对弱磁性能的影响
　　　　3.4 气隙长度对弱磁性能影响
　　　　3.5 极弧系数对弱磁性能影响
　　　　3.6 本章小结
　　第 4 章 永磁电机转子结构选优及仿真分析
　　　　4.1 永磁同步电动机转子结构
　　　　4.2 不同转子结构对电机气隙磁密的影响
　　　　4.3 不同转子结构对永磁电机 d，q 轴电感影响
　　　　4.4 不同转子结构对永磁电机其他参数影响
　　　　4.5 永磁体分段分析
　　　　　　4.5.1 分段式永磁体电机原理阐述
　　　　　　4.5.2 电机永磁体分段分析
　　　　4.6 永磁体夹角分析
　　　　　　4.6.1 磁场分布分析
　　　　　　4.6.2 气隙磁密及其谐波分析
　　　　　　4.6.3 反电动势波形及其谐波分析
　　　　4.7 本章小结
　　第 5 章 结论
　　参考文献
　　致谢

（如您需要查看本篇毕业设计全文，请您联系客服索取）