[發明專利]無刷復合結構電機系統的優化設計方法

在審

• 申請號: 201410662615.0
• 申請日: 2014-11-19
• 公開（公告）號: CN104331573A
• 公開（公告）日: 2015-02-04
• 發明（設計）人: 許其山;曾慶平
• 申請（專利權）人: 蕪湖杰諾瑞汽車電器系統有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于汽車電機技術領域，具體涉及一種無刷復合結構電機系統的優化設計方法。

背景技術

能源危機和環境污染是制約傳統汽車發展的兩大難題。世界范圍內，經濟發展導致汽車擁有量快速增長，汽車交通所帶來的石油消費量大幅上升，導致本已有限的石油儲藏資源日益減少。另一方面，汽車排放的尾氣中含有二氧化碳、甲烷以及氧化亞氮等溫室氣體，制造了嚴重的廢氣污染，加速了全球的氣候變暖。問題的出現促使人們運用一系列技術手段改進現有的汽車驅動系統，提高汽車的燃油經濟性，降低汽車的排放水平，因此新型電動汽車的開發成為了近年來汽車領域的研究熱點。

目前研發的各種電動汽車主要分為三個類型，即純電動汽車、混合動力汽車以及燃料電池汽車。其中純電動汽車能夠實現零排放，但受蓄電池能量密度的限制，一次充電行駛里程較短，只能在短程、低速的城市中心及社區間使用。燃料電池汽車具有很大的發展潛力，但目前成本過高，其氫氧燃料供應系統還存在著有待解決的技術問題，暫時難以產業化。而混合動力汽車利用電力輔助驅動，可以彌補內燃機驅動存在的固有缺點，使汽車能源在各種運行工況下都能夠得到優化利用，是當前技術水平下汽車節能減排的理想方案。

復合結構電機是針對混合動力車領域的最先進類型——混聯式混合動力方案，提供一種具有原理先進性和方案實用性的新型解決途徑。該技術方案采用具有兩個不同轉速輸出軸的復合結構電機來調節發動機和主減速器之間的轉速差和轉矩差，使內燃機運行在高效率區域，從而達到較好的節能效果。本文研究的無刷爪極雙轉子電機是一種新型結構電機，不同于傳統電機具有一個定子和一個轉子，它具有一個定子與兩個轉子，可以與另一臺電機配合組成無刷復合結構電機?？梢越鉀Q過去有刷復合結構電機方案存在的內轉子繞組嚴重發熱和需要電刷滑環饋電的問題，提高電機的實用性，使所在系統成為有望投產的混合動力新傳動機構。

復合結構電機是兩臺電機的高度集成，如圖1，這種電機作為一種新興的混聯式混合動力系統的核心部件，能夠分配內燃機和蓄電池的能量流動，達到提高車輛燃油經濟性和降低尾氣排放的目的。目前國際上對有刷復合結構電機的研究已趨于成熟，已有的研究工作證明了該方案的可行性和先進性，但也表明該方案存在內轉子繞組嚴重發熱和需要電刷滑環饋電的問題。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種無刷復合結構電機系統的優化設計方法。

本發明的技術方案是：一種無刷復合結構電機系統的優化設計方法，包括如下步驟：步驟一：建立無刷爪極雙轉子電機的數學模型；步驟二：無刷爪極雙轉子電機的參數及性能分析；步驟三：建立無刷爪極雙轉子電機的三維有限元模型，分析電機內部的電磁場分布情況，計算出電機的參數及性能，包括空載磁密的分析、空載反電動勢的分析、漏磁系數和電抗參數的計算；步驟四：簡化無刷爪極雙轉子電機的三維有限元模型，采用二維等效有限元模型來仿真三維有限元模型，使二維有限元模型在每段磁通路徑上具有與三維模型相同的磁阻和磁動勢；步驟五：采用解析方法分析轉矩密度和齒槽轉矩與無刷爪極雙轉子電機主要結構參數之間的關系，然后采用有限元仿真方法分析永磁轉子結構、極對數、結構尺寸、氣隙長度和爪極形狀對電機轉矩性能的影響，給定樣機參數確定方法。步驟六：分析電機功率因數、電機損耗及效率，功率因數的分析包括永磁體尺寸、繞組匝數和輸入電流的分析。步驟七：測試實驗樣機的功能，若測試數據滿足性能指標則結束，如果不滿足，返回步驟二。所述步驟一包括兩步，第一步：簡化無刷爪極雙轉子電機的結構，忽略磁路飽和、磁滯和渦流影響，磁路為線性忽略齒槽效應及換相過程的影響，忽略頻率和溫度對繞組的影響；第二步：分析系統結構并建立數學模型。所述步驟二包括磁路參數分析、磁通與電磁轉矩的分析和電抗參數分析。所述步驟四的二維等效有限元模型包括：等效爪極、等效定子繞組、等效定子鐵心。所述步驟五中樣機參數為樣機對極為6對、尺寸比選擇為4.5、內外層氣隙長度均取值0.8mm、爪尖極弧系數的取值范圍為0.1~0.4、爪根極弧系數的取值范圍為1~1.1。所述步驟七中功能測試包括：空載反電動勢測試、齒槽轉矩測試、空載損耗及效率測試、電流相角對功率因數的影響的測試和轉速調節功能的測試。