基于电流角正向逼近的混合永磁电机设计与优化

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近年来,随着“能源危机”与“环境污染”等问题日益突出,绿色低碳、节能环保的新能源电动汽车越来越受到各国政府、企业以及学者的关注,具有良好的发展前景。其中,稀土永磁电机因其高功率密度、高转矩密度、高效率等优点,在新能源电动汽车驱动电机领域得到了广泛应用。然而,近年来由于各领域对稀土永磁资源的需求逐年攀升,以及对其不合理的开采利用等引发了稀土危机,采用少量稀土永磁与适量非稀土永磁共同励磁的混合永磁电机逐渐成为新能源电动汽车驱动电机领域的研究热点之一。针对混合永磁电机的特性,本文提出了“电流角正向逼近”设计理念,并将其融入到电机的结构设计中,提出并设计了一种偏移放置式混合永磁电机(Offset-placement hybrid permanent magnet motor,简称OP-HPM电机)。在该电机设计中,通过巧妙地偏移钕铁硼稀土永磁中心轴,形成了一种永磁体偏移拓扑结构,从而有效调节了电机的最大转矩电流角,使得dq轴电流分量的大小占比被重新调整,最终实现电机性能的正向提升,包括输出转矩、抗退磁性能等。本文主要的研究内容包括以下几个方面:首先,阐述新能源电动汽车的研究背景与稀土永磁的资源现状,分析了非稀土永磁电机与混合永磁电机的研究现状。根据电动汽车驱动电机的性能需求,初步确定了电机的主要参数,并通过极槽配比选择、定转子结构设计,确定了所提混合永磁电机的初始设计。随后,提出了“电流角正向逼近”设计理念,旨在通过永磁体偏置设计,实现电机最大转矩电流角的降低,进而获得转矩性能与抗退磁性能的正向提升。在此期间,通过定性分析永磁体偏置设计、最大转矩电流角与电机性能三者的关系,表明通过永磁体偏置设计实现电流角正向逼近的可行性,为电机的优化设计奠定基础。接着,为了综合提升初始电机电磁性能,将“电流角正向逼近”设计理念引入初始电机内,提出并设计了偏移放置式混合永磁(OP-HPM)电机。并提出一种优化设计方法,首先对永磁体偏移进行优化设计,随后采用多目标优化设计方法,进一步提升电机性能,确定所提电机的最优设计。然后,为验证电机设计的合理性与优化方法的有效性,本文基于有限元分析方法,详细对比分析了所提混合永磁电机的初始设计与最优设计的电磁性能,包括电机的磁密以及磁力线分布、永磁磁链与感应电动势、气隙磁密、转矩特性、退磁特性与损耗特性等。最后,加工制造了一台OP-HPM实验样机,并在实验平台上对样机的空载感应电势、转矩-电流角、稳态运行特性以及动态响应特性等进行了实验测试,验证了OP-HPM电机的设计理念以及优化设计方法的可行性与有效性。
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