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原文传递混合动力汽车开关磁阻发电机温升研究

论文题名：	混合动力汽车开关磁阻发电机温升研究
关键词：	混合动力汽车;开关磁阻发电机;水冷结构;优化设计;温升分布
摘要：	中国已连续多年成为世界上最大的能源生产国、消费国和碳排放国。能源紧缺、气候变暖和环境污染已经对汽车产业提出了更大的挑战，“双碳”政策也在进一步促进新能源汽车和清洁能源汽车的发展。混合动力汽车是传统燃油汽车向纯电动汽车过渡的一类产品，开关磁阻电机因其结构简单、坚固安全和成本低廉等杰出特性成为混合动力汽车发电机的优良选择。开关磁阻发电机在运行过程中产生各种损耗会导致电机各部分温度的升高，过高的温升将直接影响电机的运行安全性和寿命周期，因此研究发电机工作时的温升特性和温升抑制具有重要意义。本文对一台三相6/4结构的开关磁阻发电机进行了温升热源计算、温升分布求解和冷却系统优化设计等方面的研究。论文主要内容安排如下：　　首先，建立了发电机的整体动态仿真模型为热源计算做铺垫。工作过程中的各类损耗是发电机的热源，即导致开关磁阻发电机温升的根本原因，而且铜损耗和铁损耗又是开关磁阻发电机的主要热源。考虑到具有双凸极结构的开关磁阻发电机运行过程中产生的非正弦和非线性的磁密波形使得发电机的铁损耗难以准确求解，本文采用了一种基于静态磁密的搜索法来计算发电机各特征点的瞬态磁密，然后采用改进的变系数Bertotti三项损耗分离计算公式来求解发电机各工况下的铁损耗，并通过傅里叶拟合的方法得到了相关铁耗系数的表达式，从而得到了较为准确的铁耗计算模型。　　然后，基于计算得到的损耗热源数据以及发电机样机的实际尺寸和制作材料，在FLUX软件中建立了发电机的三维有限元热模型，求解并分析了发电机的温度场分布和水冷系统散热效果并计算得到了不同转速和不同开通关断角多种工况下的温升结果。而后在电机热设计软件Motor-CAD中建立了发电机的等效热路模型，并对发电机各工况下的温升进行求解。　　接着，本文对发电机的发电效率、热路计算和冷却系统进行优化。第一，根据同时变化的开通角和关断角对发电机的发电效率进行寻优，并求解得到发电机各转速下最大发电效率所对应的绕组温升和铁心温升。第二，考虑到定子绕组区域有着较高的温升和较为复杂的传热路径，本文给出了一种考虑绕组准确传热路径的等效热路改进模型。首先分析并建立了由损耗热源、温度节点和各类热阻组成的发电机等效热路，详细计算热路中的各类热阻之后，在MATLAB/Simulink中建立了发电机的等效热路改进模型并进行温升求解。第三，在冷却系统优化方面，本文给出了一种对定子绕组进行直接冷却的新型水冷结构，并建立了配置该新型水冷结构的发电机三维有限元热模型，然后通过比较证明了该新型水冷结构的有效性。　　最后，搭建了水冷开关磁阻发电机的发电实验平台和温升测量平台，并采用检温计埋设测温的方法测量了不同工况下的绕组温升结果。通过三相发电电流波形的对比，证明了发电实验平台的可靠性，也验证了发电机整体动态仿真模型的准确性。将实验得到的绕组温升测量结果和几种仿真模型计算得到的温升结果进行对比，较小的结果偏差也验证了有限元热模型、Motor-CAD等效热路模型以及考虑绕组准确传热路径的等效热路改进模型的准确性。
作者：	刘永强
专业：	电气工程
导师：	陈昊
授予学位：	硕士
授予学位单位：	中国矿业大学(江苏)
学位年度：	2022