论文部分内容阅读
模块化多单元磁通切换永磁(Modular Multi-Element Flux-Switching PermanentMagnet,简称MMEFSPM)电机缓解了传统定子永磁型磁通切换永磁(Stator-PermanentMagnet Flux-Switching,简称SPM-FS)电机中定子过饱和的问题,同时继承了磁通切换原理与聚磁效应,能够实现相对更高的转矩密度和更强的过载能力,因而被期望用作电动汽车分布式驱动系统中的轮毂电机。由于结构上与普通辐条式转子永磁型电机相似,因此又被称为模块化辐条式永磁(Modular-Spoke-Type Permanent-Magnet,以下简称MSTPM)电机。考虑到温升是制约轮毂电机性能的重要因素,并且温度场与电磁场之间存在强耦合,因此本文以MSTPM电机为研究对象,深入研究了以温度场和电磁场之间双向耦合为主的多物理场性能分析。首先,提出了针对MSTPM电机精确子域法的改进建模方法,并对一台MSTPM电机电磁场进行了解析计算;进而,深入分析了MSTPM电机热网络法建模方法,综合考虑电磁场和温度场之间的耦合影响,并实现了双向耦合迭代运算,与传统单向耦合结果相比,温度性能计算精度更高。本文的创新点与主要研究内容如下:(1)阐述总结了电机电磁场、温度场研究现状,分析了现有研究存在的不足,并指出了本文研究的创新性和必要性。(2)分析了MSTPM电机基本结构与工作原理,对其电磁转矩特性进行了分析和有限元仿真,验证了其拥有一定的磁阻转矩。(3)提出了用于MSTPM电机精确子域法的改进建模方法,建立了一台MSTPM电机子域法模型,解决了气隙与转子齿边界条件难以满足、齿槽转矩误差较大等问题,并通过有限元法验证了子域法结果的准确性。(4)提出了一种MSTPM电机热网络建模方法,建立了轮毂和端盖对流换热系数的解析表达式,并推导出了一种热网络计算瞬态温升的解析算法,解决了传统数值运算中步长敏感、收敛性不确定、迭代较慢等问题,得到了有限元结果验证。(5)提出了一种MSTPM电机电磁场和温度场双向耦合分析方法,通过迭代计算充分计及了电磁场、温度场以及材料属性之间的相互作用,与单向耦合方法相比,稳态温度分布和短时瞬态温升计算精度均得到提高,并通过了有限元结果验证。(6)搭建了一台2.1kW三相MSTPM样机实验平台,完成了稳态温度分布与瞬态温升实验,对上述理论分析结果进行了一系列实验验证,证明了所提双向耦合建模与分析方法的有效性。