无刷化双转子磁通切换永磁电机电磁性能及温度场分析

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随着环境污染和能源危机问题的迫在眉睫,大力发展电动汽车已成为各国政府和全球汽车制造商的共识。近年来,由于增程式电动汽车不仅兼顾了纯电动汽车“零排放”的优势,同时具有续航里程长的特点,因而受到了领域内的广泛关注和高度重视。双转子永磁电机由于其高功率密度、高转矩密度、高效率以及灵活的运行模式等优点在增程式电动汽车混合动力系统中具有潜在的应用前景。该类电机通常由两个永磁电机巧妙结合而成,因此不仅实现了空间集成度的提升,而且具有多样的功率分配模式,满足现代增程式电动汽车的应用特点。然而,在电机实际运行过程中,也正是由于该优点,使得双转子类永磁电机相比传统单转子类永磁电机具有更高的温升幅度。尤其,随着城市车辆行驶工况日趋复杂,频繁的运行模式转换和有限的运行空间给该类电机带来了不可忽视的温升影响,使得电机的运行性能难以持续维持在一个相对较高的水准。因此,对该类电机精确的温度场分析以及不同温度对电机运行性能产生的实际影响进行研究显得尤为重要。本文以一种无刷化双转子磁通切换永磁电机(Brushless Double-Rotor Flux Switching Permanent Magnet motor,BDR-FSPM motor)为研究对象,对该类双转子电机的基本电磁性能、运行温升以及基于电-热双向耦合的电磁性能进行深入研究分析,文章的主要内容如下:首先,本文根据增程式电动汽车用电机的需求,以BDR-FSPM电机为研究对象。建立该电机的仿真模型,进行电机基本电磁性能分析以及电机损耗计算,为后续BDR-FSPM电机温度场分析及基于电-热双向耦合方法进行电磁性能分析奠定基础。其次,根据BDR-FSPM电机的结构特点,建立了电机的三维温度场模型,对该电机的温度分布计算分析。由于车辆运行工况的复杂性,对BDR-FSPM电机在不同负载下和不同工作模式下的温度分布进行了分析。在此基础上,针对BDR-FSPM电机的结构特点进行通风冷却系统的设计,并建立该冷却系统温度场模型,对电机进行散热效果的分析,为后续基于电-热双向耦合方法进行电磁性能分析奠定基础。再次,在对电机进行基本电磁性能分析及温度场分析的基础上,介绍电机中材料的温度特性,主要包括硅钢片、绕组导线以及永磁体,并建立不同温度下永磁体的退磁模型。根据电机中材料的温度特性,融合一种电-热双向耦合分析方法,对BDR-FSPM电机进行实时电磁性能分析,深入研究温度对电机性能的影响,为后续实验提供理论数据依据。最后,加工了BDR-FSPM电机原理样机,并搭建样机的实验平台,进行原理电机的基本性能测试,实验结果验证了该原理电机设计的合理性,同时也验证了电-热双向耦合分析方法的有效性。
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