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电动汽车轴向磁通电机的解析建模与优化设计
| 论文题名： | 电动汽车轴向磁通电机的解析建模与优化设计 |
| 关键词： | 电动汽车;轴向磁通永磁电机;电磁设计;解析模型 |
| 摘要： | 随着能源紧缺问题和环境污染问题日益严重，新能源汽车正在取代传统的石油燃料汽车，成为世界各国新兴的研发重点。在新能源汽车驱动方式中，分布式驱动能提高车辆的动态性、操控性、安全性、容错性和效率，因而逐步成为新能源汽车底盘动力的主流发展趋势。轮毂电机是实现分布式驱动系统的重要支撑，在轮毂电机选型方面，轴向磁通永磁电机凭借其高径长比、高转矩密度及高运行效率的优势成为研究的热点。然而，有别于新能源汽车中目前主流的径向磁通电机，轴向磁通永磁电机的主磁场呈三维分布，需要采用三维有限元法分析其性能。但是，三维有限元法虽然分析精确度较高，适用范围广，但是要耗费大量计算机资源，而且求解耗时大幅增长，导致电机的设计周期过长，全局优化困难。解析模型直接基于拉普拉斯方程求解气隙场，可在保证精度的前提下有效提高计算效率，对于轴向磁场永磁电机的电磁设计具有重要意义。 本文首先建立了考虑电枢反应的无铁芯轴向磁通永磁电机的三维解析模型，基于标量磁势拉普拉斯方程直接计算气隙磁场分布。提出线圈与等效永磁体的变换，实现了对电机反电势和输出转矩的预测。建立了有限元仿真模型，对比验证了所提出解析模型的准确性和高效性。 针对有铁芯轴向磁通电机，建立了考虑铁芯饱和的准三维混合解析模型，通过保角变换计算切片电机模型的气隙磁场的分布；通过等效电流片表征电枢反应的影响。通过径向叠加计算了有铁芯轴向磁场永磁同步电机的磁场分布、反电势与转矩。引入了磁网络以考虑电机定转子饱和对有铁芯轴向磁通永磁电机的影响。并通过三维有限元模型仿真对比，验证了解析模型的准确性和高效性。 在此基础上，对比分析了无铁芯和有铁芯轴向磁通拓扑结构在新能源汽车轮毂电机中的适用性，选择了适合轮毂电机的有铁芯拓扑结构。应用解析法分析了电机尺寸参数变化对电机输出转矩与转矩波动的影响。以输出转矩为目标函数，转矩波动为约束，在确定尺寸限制与冷却方案的情况下，引入差分进化算法对其进行全局优化，并通过有限元仿真了验证该优化方案能达到所需的电磁性能。 |
| 作者： | 谢奕 |
| 专业： | 电气工程 |
| 导师： | 黄晓艳 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 浙江大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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