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原文传递轴向磁通永磁同步轮毂电机关键技术问题研究

论文题名：	轴向磁通永磁同步轮毂电机关键技术问题研究
关键词：	轮毂电机;轴向磁通永磁同步电机;内置式磁极;三维有限元模型;冷却设计
摘要：	目前分布式电驱动系统以其独特的优点已成为电动汽车的重点发展方向之一，轮毂电机作为其主要动力部件，需要克服空间受限、散热环境恶劣等问题。轴向磁通电机结构扁平，易匹配轮辋内部空间，在轮毂系统中具有很大的应用潜力。但是其在设计与优化过程中存在三维有限元计算效率低、电机易受加工和装配误差影响等一系列问题。因此，本文重点对轴向磁通永磁同步电机在轮毂系统中应用所面临的关键技术问题开展研究，主要的研究工作包括以下几个方面：　　首先，根据轮毂系统的空间特点及散热条件，定义电机裂比和电机扁平比等关键结构参数，推导轴向磁通电机转矩与体积转矩密度表达式，分析关键结构参数和定转子盘数对轴向磁通电机转矩密度的影响规律。对比轴向磁通电机和径向磁通电机转矩密度，提出临界扁平比以区分两种电机各自的优势区间，并分析电机外径、气隙长度和极槽配合对临界扁平比的影响。探究磁极结构参数对电机电磁参数、恒功率特性以及转矩性能的影响，提出内置阶梯磁极结构，分析在保持永磁体用量和转子轴向长度不变的前提下，调整内置阶梯磁极尺寸参数对电机性能的优化效果。　　其次，针对轴向磁通电机电磁场三维有限元模型复杂、剖分网格数多、计算效率低的问题，对比多种二维等效模型在计算不同轴向磁通永磁电机性能时的计算精度，分析产生计算误差的原因。提出一种更适用于具有高电磁负荷和高饱和运行工况的轴向磁通永磁同步轮毂电机的三维等效模型，基于等效前后气隙区域拉普拉斯方程等价、边界条件相同的原则，推导气隙区域材料属性的变化规则，以空载反电势和转矩性能作为计算精度的衡量标准，分析等效气隙长度对三维等效模型计算精度的影响。对比二维等效模型、三维等效模型以及传统三维有限元模型的剖分网格数及计算时间，分析三维等效模型对计算效率的提升情况。通过样机实验测试样机性能，并进一步验证三维等效模型在轴向磁通电机设计和优化中应用的可行性。　　再次，以双定子单转子轴向磁通结构为例，根据材料属性和热源分布划分电机内部区域，基于T型等效热路模型计算电机各区域对应热阻，建立双定子单转子轴向磁通电机三维精细化热网络模型。利用热网络模型分析轴向磁通电机内部的传热路径，提出一种高热导率金属和环氧树脂结合的混合强化散热方案，根据端部传热区域中不同材料的属性和相互之间的位置关系，推导端部传热区域等效热导率，并进一步分析填充材料厚度及热导率对电机冷却效果的影响规律。通过计算流体动力学仿真比较无环氧填充方案、环氧填充方案及混合散热方案在不同工况时电机的温度分布情况，并结合样机实验验证混合散热方案对电机冷却性能的增强效果　　最后，归纳双定子单转子轴向磁通电机常见机械不对称问题的结构特点，推导内置阶梯磁极轴向磁通电机齿绕组反电势表达式，分析各种机械不对称对齿绕组反电势的影响规律，建立机械不对称与齿绕组反电势波形幅值和相位信息的对应关系。提出基于检测线圈反电势分析的机械不对称问题检测方法，利用Fourier分解和Clark变换处理检测线圈反电势波形数据，提取并分离各种机械不对称信息。采用三维有限元仿真分别验证电机具有单一机械不对称问题和混合机械不对称问题的检测精度，并通过对比样机几何测量结果和实验测试结果验证检测方法的准确性。
作者：	毕云龙
专业：	电机与电器
导师：	柴凤
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2022