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原文传递电动汽车轮毂驱动用永磁游标电机电磁振动噪声研究

论文题名：	电动汽车轮毂驱动用永磁游标电机电磁振动噪声研究
关键词：	永磁游标电机;电动汽车;轮毂驱动;电磁振动噪声;齿槽转矩
摘要：	为应对经济发展、能源危机与环境污染等所带来的多重挑战，电动汽车作为一种有效解决方案受到广泛关注并得到大力发展。其中，直驱式轮毂驱动系统以其传动效率高、结构简单紧凑、体积小等独特优势正成为未来电动汽车驱动系统的重要发展方向。轮毂电机作为轮毂驱动电动汽车的主要动力装置，需要同时具有高效率、高功率密度、高转矩密度和低转矩脉动等特点；同时轮毂电机因其工作环境的特殊性，使得轮毂电机振动噪声机理分析和抑制等关键技术问题的研究对轮毂驱动电动汽车的发展至关重要。基于磁场调制原理工作的永磁游标电机（PermanentMagnetVernierMotor,PMVM）具有高功率密度、高转矩密度和低转矩脉动等诸多优点，是未来轮毂驱动电机的重要选择之一。但永磁游标电机因其工作原理、定/转子拓扑的特殊性，电机内部产生的电磁激励更加复杂，使得永磁游标电机的振动噪声产生机理与传统永磁电机存在显著差异；现阶段针对永磁游标电机振动噪声机理分析和低振动噪声永磁游标电机设计的理论研究相对匮乏，亟需补充完善。　　综上所述，本文以电动汽车轮毂驱动用永磁游标电机为研究对象，对轮毂驱动用永磁游标电机的振动噪声产生机理和优化等方面的问题开展了相关研究，主要研究工作可以概括如下：　　（1）针对外转子永磁游标电机磁场调制的工作原理、槽/极配合特征和电机拓扑结构有别于传统永磁电机，导致其电磁力波谐波特性更加复杂、分析更加困难的问题。结合电机磁场调制原理和麦克斯韦应力张量法，对作用在永磁游标电机外转子上的电磁力波进行了理论分析，并通过有限元法进行了定量验证。揭示了外转子永磁游标电机电磁力波的产生机理，提出了适用于永磁游标电机最低非零阶电磁力波阶次和特征电磁力波阶次的判定方法，阐明了特殊槽/极配合和定/转拓扑等设计因素对永磁游标电机电磁力波的调制机制；此外，揭示了永磁游标电机交替极转子和不等齿/槽宽分裂齿定子结构对齿槽转矩的影响规律，提出了利于减小齿槽转矩的设计方法；为永游标电机的电磁振动噪声机理研究和低振动噪声优化设计奠定了基础。　　（2）电机不平衡磁拉力（UnbalancedMagneticForce,UMF）本质上是其内部阶次为1的电磁力波的具体表现，对电机系统的振动噪声具有特殊的作用和贡献。针对外转子永磁游标电机有别于常规永磁电机的工作原理、槽/极配合特征和电机拓扑结构，其不平衡磁拉力产生机理尚不明确的问题。从槽/极配合、电机定/转子拓扑和绕组结构设计等角度，结合磁场调制原理和有限元法对不平衡磁拉力产生机理和抑制措施进行了系统研究。揭示了永磁游标电机槽/极配合对不平衡磁拉力的影响规律，归纳了存在不平衡磁拉力的存在判据；阐释了交替极转子结构常导致不平衡磁拉力增大的关键因素；分别从电机槽/极配合、定/转子拓扑与绕组设计等方面提出了不平衡磁拉力的抑制措施，实现了在保持永磁游标电机高转矩输出能力下的不平衡磁拉力有效抑制。此外，推导了不同气隙偏心时作用在外转子上的电磁力波表达式，揭示了静态和动态气隙偏心对定/转子坐标系下电磁力波具有相反的调制效应。　　（3）针对外转子永磁游标电机电磁振动噪声机理，分别从外转子系统和内定子系统的结构模态特征、电磁振动噪声特性两方面进行了系统研究。分析、归纳了外转子系统和内定子系统的模态振型变化规律，引入了内定子齿切向弯曲模态振型具象图，定义了定子齿各阶模态；明确了外转子永磁游标电机振动噪声源于径向电磁力波引起的外转子径向振动和切向电磁力波引起的内定子齿切向弯曲振动，其中定子齿切向弯曲振动对噪声的贡献同样不可忽视；阐明了交替极转子调制和定子结构对永磁游标电机定/转子振动噪声特性的影响机制；此外在轮毂系统中，不平衡磁拉力对振动形变存在显著影响；为轮毂驱动用永磁游标电机振动噪声分析和优化提供重要理论依据。　　（4）直驱式轮毂电机对转矩、振动噪声、损耗以及体积和成本等具有更加严格的要求。针对已有外转子永磁游标电机存在绕组端部长、绕组损耗大和不平衡磁拉力大的问题，面向轮毂电机设计和应用需求，综合永磁游标电机电磁力波与不平衡磁拉力机理研究，设计了一种具有高输出转矩、短绕组端部和低不平衡磁拉力的双三相分数槽集中绕组外转子交替极永磁游标电机；在此基础上应用响应面法和粒子群算法对电机的转矩和振动噪声性能进行了多目标优化，同时实现了输出转矩的提升和振动噪声的改善，为高性能轮毂驱动用永磁游标电机的设计和优化提供宝贵参考。　　（5）外转子交替极永磁游标电机样机的实验研究。考虑结构材料特性变化和转子与机壳的非理想接触等因素，建立了外转子系统的等效有限元结构模型，并通过模态实验测试结果验证了该模型的准确性；根据电机噪声的计算结果与测试结果，验证了外转子系统是噪声主要来源，同时内定子所产生的噪声也不可忽视；结合峰值噪声处的外转子振动形变，验证了交替极转子对电磁振动噪声的调制效应。此外，通过噪声实验测试，进一步研究了不同负载、不同转速和逆变器电流谐波等对振动噪声特性的影响规律。　　本文针对永磁游标电机磁场调制的工作原理和电机拓扑结构对外转子永磁游标电机的电磁力波、不平衡磁拉力、以及定/转子系统的振动噪声特性等进行了系统性研究，并结合上述研究实现了对外转子交替极永磁游标电机的高转矩和低振动噪声性能的同步优化设计。本文研究工作既对现有永磁电机振动噪声研究进行了补充完善，亦对电动汽车直驱式轮毂驱动用永磁游标电机的高转矩和低振动噪声性能设计具有重要参考价值。
作者：	邬占川
专业：	电气工程;电机与电器
导师：	樊英;Christopher H.T.Lee
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2022