车载飞轮电池电机与支承系统设计研究

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由于能源短缺和全球气候变暖问题日益严重,无污染的电动汽车和节能的混动汽车成为汽车行业未来发展的趋势之一。飞轮电池由于其比能量高,比功率大,充电时间短,无环境污染等优点,在电动汽车和混动汽车上有广阔的应用前景。高速电机作为实现飞轮电池充放电的关键部位,严重影响着飞轮电池的工作效率。磁轴承作为飞轮电池的支承系统,其动态特性也直接影响飞轮电池的工作性能。为保证飞轮电池在多干扰的汽车工况下仍能稳定运行,对高速电机的性能以及磁悬浮支撑系统的拓扑结构设计都提出了高的要求。本文主要研究内容如下:1.介绍了车载飞轮电池的研究背景,详细说明了车载飞轮电池的工作原理。总结了国内外研究现状及其发展趋势,对车载飞轮电池关键技术难点进行探讨,指出本文的研究意义与目的。2.考虑到车载飞轮电池受汽车复杂基础运动影响,分析飞轮电池立式和卧式放置的区别,为减小基础运动带来的陀螺力矩和动载荷,采用立式放置方式。对比常用飞轮电池拓扑结构方案的优势和不足,并且分析它们的优缺点,从而确定合适的车载飞轮电池的拓扑结构。指出电机和磁轴承的设计和优化的要求:高稳定性和低能耗兼具,为下文关于磁轴承的具体设计指明了方向。归纳总结了车载飞轮电池电机的选型、设计和优化的要求,为后续电机的设计和优化奠定基础。3.选用永磁无刷直流电机作为车载飞轮电池系统的驱动电机,对电机各个参数进行选取和参数化设计并分析其电磁性能,空载磁密和负载电枢反应的影响。对电机永磁体进行了优化设计,选取输出转矩,空载齿槽转矩以及永磁体面积作为优化的目标,使用多目标遗传算法进行结构变量的寻优,优化结果使齿槽转矩大幅度减少,输出转矩脉动也相应的减少,符合车载飞轮电池系统要求。4.为了满足垂直放置的车载飞轮电池系统转子高速稳定运行和低功耗的要求,提出了一种新型的三自由度磁轴承—阻尼器装置。它不仅具有控制磁悬浮转子悬浮的功能,而且阻尼单元能有效地抑制振动,从而使振幅降低一个数量级。与一般对称永磁体结构不同的是,本文所采用的上、下非对称永磁体在相同的承载力设计下,可减少轴向功率损失,功率损失减少45%。
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