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原文传递混合动力汽车用横向磁通双转子电机的研究

论文题名：	混合动力汽车用横向磁通双转子电机的研究
关键词：	混合动力汽车;横向磁通双转子电机;转速调节;转矩传递;有限元分析
摘要：	为了提高汽车的燃油经济性，并降低尾气污染，混合动力汽车得到了广泛的研究。其中，动力分配装置负责调节蓄电池和内燃机的输出功率，并高效适应各种复杂工况，因此成为混合动力汽车研究的重要方向之一。采用复合结构电机，能够在混合动力汽车中实现动力分配，并且具有结构紧凑和易于控制等优点。当前，有刷复合结构电机已得到较为广泛和深入的研究，其优势和可行性均得到验证；然而研究也表明，电刷滑环机构会导致系统稳定性和可靠性的下降。本文提出了一种新型横向磁通双转子电机，可与另外一台普通永磁同步电机相配合，构成无刷复合结构横向磁通永磁同步电机。该方案可对内燃机输出转速和转矩进行控制，并且能够实现无刷化。本文主要针对横向磁通双转子电机的结构、原理和特性等进行了研究，具体工作包括以下几个部分：　　首先，提出了横向磁通双转子电机的结构方案，分析了其工作原理，并且建立了电机的等效磁路模型。分析了横向磁通双转子电机的转速调节和转矩传递功能；给出了横向磁通双转子电机的磁链电压方程、转矩方程和机械运动平衡方程。结合混合动力汽车可能面对的多种路况条件，对横向磁通双转子电机的工作模式进行了研究；并且讨论了横向磁通双转子电机的转速和转矩应该满足的设计条件。对横向磁通双转子电机的复杂三维磁通路径进行了分析，具体研究了电机的主磁通和漏磁通的分布。根据横向磁通双转子电机的磁通路径，建立了电机的等效磁路模型。　　其次，推导了横向磁通双转子电机的内气隙磁通密度和磁路中各磁阻的解析表达式；并且对电机的电枢反应电抗、电磁转矩和功率因数进行了研究。具体分析了聚磁式永磁转子对于提高内气隙磁通密度的作用，以及各磁阻受到相关尺寸参数的影响。根据横向磁通双转子电机的等效磁路模型，分析得出了电机的电磁转矩表达式。之后，根据横向磁通双转子电机的磁路特点，重新定义电负荷和磁负荷，并推导了转矩密度的解析表达式，分析了获得较高转矩密度的方法。根据电压电流平衡方程，建立了横向磁通双转子电机的相量图，推导了功率因数的解析表达式，研究了功率因数偏低的主要原因，并给出了在电机设计和控制过程中改善功率因数的方法。　　再次，建立了横向磁通双转子电机三维有限元模型，并对其进行了简化；对横向磁通双转子电机的参数和性能进行了具体的仿真研究。针对横向磁通双转子电机的复杂三维磁通路径，建立了其三维有限元模型。横向磁通双转子电机的三维有限元模型较大、仿真过程消耗时间较长，因此根据电机各相独立和每相具有周期性的特点，将仿真模型简化为一相下一对极的模型。采用三维有限元方法，仿真分析了横向磁通双转子电机内部的磁通密度分布和空载漏磁系数；研究了电机参数对空载反电动势、输出转矩、转矩脉动和功率因数的影响。在此基础之上，结合前述理论分析结果，对横向磁通双转子电机的输出转矩和功率因数进行了优化，给出了电机极对数、内外气隙长度、横向磁通齿尺寸和永磁体尺寸等参数的取值范围。　　最后，针对横向磁通双转子电机的特殊结构，设计了各部件的结构和加工工艺；制造了横向磁通双转子电机的样机，并且对其参数和性能进行了测试。为了简化工艺并获得较高的槽满率，设计了电机定子铁心轭部与端部分别制造，再进行装配的制造方式。另外，采用酚醛环氧玻璃纤维布板来制造横向磁通转子支架，以达到减小支架上涡流损耗并保证强度的目的。之后，搭建了横向磁通双转子电机样机的实验测试平台，测试了样机的空载反电动势、平均转矩、转矩脉动、功率因数和效率等参数和性能。然后，在连续变化工况条件下，测试了电机的转速、转矩和功率变化曲线，来验证横向磁通双转子电机的转速调节和转矩传递功能。
作者：	赵全斌
专业：	电机与电器
导师：	尚静;郑萍
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文