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原文传递少稀土轴向磁通永磁同步电机优化设计及弱磁特性分析

论文题名：	少稀土轴向磁通永磁同步电机优化设计及弱磁特性分析
关键词：	电动汽车;轴向磁通永磁电机;优化设计;弱磁性能
摘要：	定子无磁轭模块化轴向磁通永磁电机（Yokeless and Segmented Armature Axial Flux Motor,YASA）因其特殊的拓扑结构，不仅具有紧凑的轴向结构、转矩密度高等常规轴向磁通永磁电机结构带来的优势，同时还具有定子铁耗小、绕组端部短和槽满率高等优势，与电动汽车驱动电机未来的发展趋势十分契合。但受到近年来稀土永磁材料价格不断上调的影响，稀土永磁电机的制作成本飞速上升，在一定程度上阻碍了YASA电机的应用推广。因此，本文设计了一款电动汽车用的YASA电机作为基准电机，并在此基础上提出了一种混合励磁的少稀土转子结构，使电机在满足转矩密度要求的同时，有效减少稀土永磁用量以降低造价。并且采用多目标文化差分算法（Multi-objective Cultural Differential Evolution Algorithm，MOCDE）对电机结构进行多目标优化，进一步减少了电机稀土用量并降低了转矩波动。最后针对电动汽车驱动电机对于弱磁调速范围的要求，提出了一种高效、准确的混合弱磁性能分析方法验证了该电机具有较好的弱磁调速能力。本文主要完成的工作如下：　　（1）通过分析轴向磁通永磁电机的不同拓扑结构及各自的特点，并选择YASA电机作为本文的研究对象。根据电动汽车驱动电机的性能指标要求，通过分析磁路结构、设计经验确定预设参数。最后根据预设参数和尺寸方程得到YASA电机的定、转子尺寸、气隙长度等结构参数，并通过有限元建模仿真验证电机设计的合理性。　　（2）提出了一种混合励磁的少稀土转子结构，该结构将表贴式稀土永磁与混合磁材料组成的Halbach阵列径向组合构成电机磁极。以YASA电机为基准电机，根据励磁源等效原则和对混合磁材料Halbach阵列磁场的解析，初步确定了少稀土YASA电机（Less-rare earth YASA,LRE-YASA）的转子结构尺寸并通过有限元仿真验证初步设计方案的有效性。　　（3）本文基于LRE-YASA电机的初步设计方案，选择转矩/稀土永磁体用量比和转矩波动作为优化目标，并根据优化目标选择了六个密切相关的结构参数作为优化变量，通过正交试验建立样本空间并采用支持向量机对优化目标进行函数拟合，最后利用MOCDE算法进行优化。综合权衡得到的pareto最优解集，选择其中一个解作为结构参数建模仿真，结果验证了优化算法的准确性并确定了电机的最优结构尺寸。　　（4）本文根据LRE-YASA电机的运行原理选择合适的定子电流矢量控制策略。并考虑电机在运行过程中，永磁体工作点变化、磁路饱和与交叉耦合效应对交、直轴电感的影响，提出了一种基于有限元瞬态场和解析法的混合弱磁性能分析方法准确、高效地对LRE-YASA电机的弱磁性能进行分析，验证了优化后的电机不仅拥有在低速运行时具备高输出转矩，而且还拥有较宽的弱磁调速范围。
作者：	郭艺伟
专业：	电气工程
导师：	谷爱昱
授予学位：	硕士
授予学位单位：	广东工业大学
学位年度：	2022