车用永磁同步电机考虑磁饱和的电磁损耗研究

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近年来永磁同步电机凭借其高功率密度、高效率等优势在车用驱动系统中得到广泛应用。电机的高功率密度使得定子内磁饱和效应显著,严重影响电机产生的电磁损耗,包括定子铁损、转子涡流损耗和铜耗,尤其是对电机在空间矢量控制(SVPWM)下电磁损耗的影响更为严重。其中SVPWM控制下电机定子铁损的传统计算方法在计算时间和计算精度间存在矛盾,不利于电机初始设计阶段多个工作点的迭代计算。同时,电机工作在低速大转矩区时,磁饱和效应显著,电磁损耗相对较高,导致电机的温升问题突出,制约电机峰值转矩的提升。因此,研究电机在考虑磁饱和效应下的定子铁损计算方法以及低速大转矩区内降低电磁损耗和最高工作温度的方法对电机峰值转矩的提高很有意义。本文分别以中国-德国科技合作项目中所用的轮毂外转子表贴式永磁同步电机和某装甲车辆电传动系统中所用的大功率内置式永磁同步电机为研究对象。在考虑磁饱和效应的基础上,对永磁同步电机正弦电流源下定子铁损的解析方法和SVPWM控制下定子铁损的半解析半有限元仿真方法进行了研究,在此基础上,对电机低速大转矩区内降低电磁损耗和最高工作温度的方法进行了分析,最后通过电机实验对SVPWM控制下考虑磁饱和效应的电磁损耗计算方法的有效性进行了验证。首先,基于等效磁路和保角变换法,提出了适用于不同绕组形式、不同极槽配合的表贴式永磁同步电机考虑磁饱和效应的定子铁损解析计算方法。利用该方法对电机在工作特性曲线中恒转矩区、恒功率区及额定转速不同工作点的定子铁损进行了研究,并通过定子铁损的有限元仿真结果验证了该解析方法的计算精度。与有限元仿真方法相比,该解析计算方法具有快速准确计算定子铁损的能力,易于嵌入到电机的优化设计程序进行快速计算。其次,分别以表贴式永磁同步电机和内置式永磁同步电机为研究对象,基于电机的非线性磁链仿真数据,提出了计及磁饱和效应的电机在SVPWM控制下的分段变系数定子铁损计算方法,该方法适用于任意极槽配合的表贴式和内置式永磁同步电机。利用该定子铁损计算模型分别对电机工作特性曲线中恒转矩和恒功率区不同工作点的定子铁损进行了研究,并与目前常用的有限元联合仿真方法相比,得出了该分段变系数定子铁损计算方法具有较高的计算精度,且仿真时间大幅度减小。再次,结合SVPWM控制策略和磁饱和效应下的电磁损耗计算方法,提出了内置式永磁同步电机低速大转矩区内降低电磁损耗和最高工作温度的方法。分别研究了电机在SVPWM控制条件下考虑磁饱和效应的铜耗和永磁体涡流损耗计算方法,在此基础上,分别研究了电机定子结构参数和绕组参数对电机低速大转矩区内电磁损耗和最高工作温度的影响,对电机低速大转矩区内降低电磁损耗和最高工作温度的方法进行了研究,为电机峰值转矩的提高提供了参考。最后,分别搭建了油冷外转子表贴式永磁同步电机和水冷内置式永磁同步电机的实验平台,对电机在SVPWM控制下考虑磁饱和效应的电磁损耗计算方法的有效性进行了实验验证。
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