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新能源汽车永磁电机的设计.pdf

新能源汽车永磁电机的设计

yyanni
2012-04-05 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《新能源汽车永磁电机的设计pdf》,可适用于其他资料领域

年月日新能源汽车永磁电机设计上海大学黄苏融srhuangshueducn,,年月日现代新能源汽车永磁电机设计提出基于多领域分析、多层面交叉耦合仿真的现代车用电机系统设计理念及其实现方法电机结构、电磁学、力学、热学电机单元、电力电子单元、数字控制单元及其控制策略解决了车用电机极限设计的多领域精确分析以及结合应用控制策略的交叉耦合仿真的深层处技术难题。年月日电机的概念设计与结构仿真。概念设计是整个设计的核心与关键技术所在结合结构仿真进行电机的制造工艺等工程技术方案的论证工作。电机多物理场分析计算与设计方案认证。工作着眼于电机内部的磁场应力场温度物的精确分析计算。采用电机本体与驱动电路的耦合仿真精确分析计算电机系统的电磁性能综合永磁电机转子的电磁应力、离心应力、热应力的性能分析找出转子结构可靠性的薄弱环节进行疲劳仿真与寿命估计。基于热网络与温度场混合模型分析电机导热与冷却结构的性能在此基础上进行电机系统运行的热能管理仿真。电机系统仿真与应用控制策略研究。年月日各类新能源汽车永磁电机的设计实例IPM永磁磁阻同步电机盘式永磁同步电机TORUS盘式永磁电机盘式永磁同步电机KAMAN盘式永磁车轮电机、双馈电混合并联磁路无刷永磁电机、旁路式混合励磁无刷永磁电机独立磁路混合励磁电机双机械端口能量变换器新型双转轴能量变换器磁性齿轮永磁同步电机混合励磁爪极电机年月日IPM转子的凸极率比较研究)(qddqpmemiiLLipTq−=ψIPM永磁磁阻同步电机年月日典型的IPM永磁磁阻同步电机转子结构单层IPM永磁电机双层IPM永磁电机三层IPM永磁电机电机本体与驱动电路耦合电磁仿真概念设计与结构设计转子结构应力分析与疲劳仿真振动模态分析等效磁网络法分析系统热能管理与热性能仿真TwTa①RRwRaC②CI③RCI④CIR⑥RR⑦RCC⑧CRTa⑨RaC⑤RCRRIRRRDEGPHIJMOIEMFRARBRCAIAAIBAICGAINGAINICA:ATorqPP:=EMFERERERERERERON:=OFF:=THRESH:HYST:=AAMIGVVBCVVGENNNNNNNNEMSSL分析技术性能要求给定设计变量初选值主要尺寸以及各部位尺寸设计方案论证比较、确定设计方案框架发热与冷却结构性能校核设计变量调整?设置电磁机械热有限元分析计算的模型和相关参数两关键运行点性能粗略估算以及折衷平衡分析bnmaxn与NY点多物理域分析计算bn点多物理域有限元分析计算maxn两关键运行点性能评估与折衷平衡分析bnmaxn与结构尺寸优化与设计变量微调?NY概念设计多物理域分析设置IPM电机驱动系统的系统仿真模型和相关参数系统潜能分析和动态仿真驱动系统的系统仿真符合设计要求?设计完成YN任意负载状态下d、q轴电枢反应电感和的计算adLaqL基于多领域的IPM永磁磁阻同步电机设计实例年月日ISGHEVHEVISG车用电机设计与结构仿真年月日ISG电机内燃机一体化结构仿真车用电机设计与结构仿真年月日电机本体与驱动电路耦合电磁仿真有限元分析模型网格剖分年月日Simplorer环境下电机本体与驱动电路耦合的电磁性能仿真年月日Simplorer环境下电机本体与驱动电路耦合的电磁性能仿真年月日MatlabSimulink环境下系统最大运行能力仿真系统最大运行能力仿真程序最大能力仿真结果与实验对比考虑饱和因素的最大能力仿真结果T=NmT=NmrpmrpmAAT=Nm年月日系统动态仿真程序定子电流控制策略原理图rpm加速到rpm的性能仿真性能仿真结果定子dq轴电流仿真波形MatlabSimulink环境下系统性能仿真年月日基于有限元法的永磁转子结构应力、疲劳仿真及其可靠性、敏感性分析转子最大离心应力转子表面形变分布转轴模态分析永磁转子应力分析年月日基于有限元法的振动模态、固有频率及其可靠性、敏感性分析三维有限元仿真模型定子振动模态r=,,,固有频率测试装备及响应图年月日②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑤⑨基于热网络法的系统热能管理及热性能仿真IPM电机热网络模型水冷机座结构IPM电机模型额定峰值运行方式热性能仿真年月日基于有限元法的温度分布与热量传递分布IPM电机持续运行的温度动态仿真IPM电机持续运行的热量传递分布IPM电机磁密与铁耗分布年月日DS控制板基于MatlabSimulink的离线仿真平台基于SIMPLORER的系统仿真平台基于dSAPCE的实时仿真平台DSP实验系统FPGA虚拟实时仿真系统基于虚拟实时仿真实验的电机系统快速研发平台基于多层面集成仿真技术的电机控制系统快速研发平台年月日Simplorer环境下电机本体与驱动电路耦合的电磁性能仿真年月日MatlabSimulink环境下的车用永磁电机系统仿真θΩnnaici*di*qiΩθ定子电流指令定子电流轨迹电机控制系统仿真模型电机控制系统示意图ISG电机稳态电磁关系年月日Simplorer环境下电机本体与驱动电路耦合的电磁性能仿真年月日Simplorer环境下电机本体与驱动电路耦合的电磁性能仿真年月日系统动态仿真程序定子电流控制策略原理图rpm加速到rpm的性能仿真性能仿真结果定子dq轴电流仿真波形MatlabSimulink环境下系统性能仿真年月日基于虚拟实时仿真的电机控制系统实验平台年月日基于dSAPCE的车用永磁电机系统实时仿真平台硬件在回路仿真平台示意图基于dSPACE的车用永磁电机系统实时仿真平台示意图年月日基于dSAPCE的车用永磁电机系统实时仿真平台dSPACE实时监控界面车用牵引电机系统控制器实时仿真框图车用永磁同步电机矢量控制策略的实时仿真框图RTI(RTI)(RTI)基于dSPACE的车用电机系统实时仿真平台实物图年月日DSP实验系统DSP控制板基于CAN通信的系统调试界面DSP开发平台电机系统性能测试平台年月日盘式永磁同步电机TORUS盘式永磁电机双转子内定子盘式永磁电机不仅密度高、效率高而且刚度强以利降低电机的振动与噪声。ΦNNSSNNSSΦTORUSNN型结构TORUSNS型结构TORUSNN型无槽结构年月日TORUS盘式车轮电机应用年月日TORUS盘式轮毂电机应用年月日盘式永磁同步电机KAMAN盘式永磁车轮电机双定子内转子盘式电机转子重量最轻外定子结构散热方便可得到最大的散热面积。NSrotorstatorstator年月日双馈电混合并联磁路无刷永磁电机轴向磁场盘式结构电机年月日永磁体磁路去磁磁路助磁磁路年月日中国发明专利:双馈电混合励磁轴向磁场永磁电机授权日期:年月日授权号:ZL)双馈电混合并联磁路无刷永磁电机径向磁场结构电机年月日旁路式混合励磁无刷永磁电机旁路式弱磁概念年月日旁路式混合励磁无刷永磁电机提出一种通过磁通旁路的方法调节气隙磁通的思想既可改变感应电势大小又能避免对磁钢去磁的危险。直流励磁电流为助磁状态的电机磁路分析直流励磁电流为弱磁状态的电机磁路分析年月日旁路式混合励磁无刷永磁电机中国发明专利:旁路式混合励磁电机授权日期:年月日,授权号:ZLSSSSIronIronIronIron径向磁场结构轴向磁场结构年月日独立磁路混合励磁电机提出一种磁势并联、结构紧凑、磁场调节范围广的径向磁场混合励磁电机。该电励磁绕组的端部安置在电枢绕组端部的内侧有效地利用电机的轴向空间提高混合励磁电机的效率和转矩密度。采用交流励磁机供电无需电刷系统的可靠性高。中国发明专利申请:独立磁路混合励磁电机申请日期:年月日申请号:NoHEIMPmachineRotatingarmatureAcexciter年月日OperationmechanismofHEIMPmachinegBθπππθπππPMpartExcitingpartPMpartgB(T)θπππPMpartExcitingpartPMpartgB(T)WeakeningelectricexcitationEnhancingelectricexcitationPMexcitation年月日BackEMFandfieldadjustabilityAirgapfluxdensityvsexcitationmmfPhaseemfvsexcitationmmfzMmflinearlyenhancesmagnetizationzTwosideadjustmentofexcitation(enhancingandweakening)年月日VonMisesanalysisofrotorAnalysisofvibrationmodesSimulationoncoupledmagneticfieldandelectriccircuitThermalanalysisPrototypedesignanalysisMultifieldanalysisandsystemsynthesisConceptualdesignandstructuresimulationωω年月日PMDCDCVoltageSourceRotatingPartStatorMAWHEGeneratorRotatingArmatureACExciterRotatingDiodeRectifier年月日Rotatingarmatureexciter:brushlesscompactstructurelowexcitationratingcosteffectiveapplicabletohugewindpowergenerationPMDCDCVoltageSourceRotatingPartStatorMAWHEGeneratorRotatingArmatureACExciterRotatingDiodeRectifier年月日SHuangetal,CocontrolalgorithmofMPPTandDCBusvoltageappliedtohybridexcitationWECS(InChinese),appliedforChineseInventionPatent,No:SHuangetal,Windpoweredgeneratingsystemwithmultiplearmaturewindinghybridexcitationgenerator(InChinese),appliedforChineseInventionPatent,No:Patent年月日VonMisesanalysisofrotorAnalysisofvibrationmodesSimulationoncoupledmagneticfieldandelectriccircuitThermalanalysisPrototypedesignandanalysisMultifieldanalysisandsystemsynthesisConceptualdesignandstructuresimulationωω年月日FEAofvonMisesofrotorVonMisesstressatmsDisplacementatmsVonMisesstressvsvelocityVonMisesvsisolatingbridgesizeOptimizationontradebetweenvonMisesandmagneticperformanceDisplacementvsposition年月日FEAofvibrationmodesofHEIMPmachineStator,WindingFrameModeModeModeModeModeMode年月日FEAofthermalfluxandtemperatureThermalfluxinstatorThermalfluxinrotorTemperatureinmachineTemperatureinstatorTemperatureinrotorThermalfluxinmachine年月日BackEMFofACExciterExcitingCurrentofACExciterωωSimulationoncoupledmagneticfieldandelectriccircuitExcitingCurrentofHEIMPBackEMFofHEIMP年月日BackEMFofACExciterExcitingcurrentofACExciterLineEMFofACExciterωω年月日TestingLineemfwaveformatrminLineemfvsexcitingcurrentatrmin年月日双机械端口能量变换器同年TBackstrom,CSadarangani等人提出了复合能量变换器(IntegratedEnergyTransducer)的概念简称IET。年能量变换器的概念被首次提出这种能量变换器有两个转子两套绕组是双机械端口能量变换器的最初结构形式。IET结构概念图IETQTEVTDMP年月日年瑞典CSadarangani和ErikNordlund、SylvainChatelet等人报道研制出内外两个永磁电机结构的四象限变换装置(FourQuadrantTransmission简称QT)样机QT模型QT样机QT结构平面图年月日QT样机采用水冷定子机座冷却定子铁心及其绕组强迫风冷结构冷却外转子铁心及其永磁磁钢、内电枢转子铁心及其绕组。QT冷却结构图QT样机试验平台QT的三种拓扑结构年月日年荷兰学者MartinJHoeijmakers和JanAFerreira等人报道研制出内外两个鼠笼感应电机结构的能量变换装置(ElectricalVariableTransmission简称EVT)样机EVT内转子EVT样机试验平台年月日年月中国汽车技术研究中心、上海大学和上海安乃达驱动有限公司共同申请的专利“双转子混合动力复合永磁电机”专利(CN)提出通过冷却液进入内转子铁心和输入轴之间的冷却通道对内转子铁心实施冷却冷却效果好。年月日年月美国俄亥俄州州立大学徐隆亚教授基于EVT的基本原理首先提出了双机械端口电机(DualMechanicalPortmotor简称DMP)的概念DMP概念图DMP三维结构图提出:电机的机械端口和电气端口一样也可以根据实际系统的运行要求改变数量。这种设计理念为电机设计者提供了新的思路。年月日年月中国科学院电工研究所温旭辉教授等人申请的“双机械端口电机及其驱动控制系统”专利(CN)提出双机械端口电机及其几种拓扑结构并且提出双机械端口电机的转矩控制和转矩解耦控制方法。年月日年月中国科学院电工研究所温旭辉教授等人申请的“一种双机械端口电机的绕线型内转子”专利(CN)提出通过空心轴与转子铁心组成转子冷却液轴向通路。年月日双机械端口能量变换器内部结构双机械端口能量变换器整体结构模型各部件展开图双机械端口能量变换器运行示意双机械端口能量变换器结构及电磁性能分析年月日时步有限元模型网格模型双机械端口能量变换器时步有限元法分析步骤设置有限元分析的模型和相关参数空载运行状态各部位磁场分析和E的校验计算确定下一步驱动控制系统的系统仿真模型和相关参数模型nb与nmax两关键点运行性能评估与折中平衡分析磁路尺寸优化设计变量是否微调?是磁路尺寸优化设计变量是否微调?是额定运行点和各关键运行点电磁性能分析否否年月日电磁性能分析内电机空载隙磁密曲线内电机空载线反电动势曲线内电机空载磁力线分布内电机空载磁场分布年月日电磁性能分析外电机空载气隙磁密曲线外电机空载线反电动势曲线外电机空载磁力线分布外电机空载磁场分布年月日内电机rpm时电磁转矩波形电磁性能分析内外电机单独运行内电机rpm时磁场分布图外电机rpm时磁场分布图外电机rpm时电磁转矩波形年月日联合联合联合单独单独单独外电机内电机转矩脉动()电磁转矩(Nm)齿部最大磁密(T)电磁性能分析额定联合运行外电机电磁转矩波形额定联合运行内电机电磁转矩波形内外电机单独运行与联合运行比较年月日双机械端口能量变换器冷却结构示意图冷却结构设计冷却结构平面图冷却结构三维图年月日MNMXNODALSOLUTIONSTEP=SUB=TIME=TEMP(AVG)RSYS=SMN=SMX=外机座水冷结果仿真结果内油冷结构仿真结果热分析有限元仿真年月日MNMXNODALSOLUTIONSTEP=SUB=TIME=TEMP(AVG)RSYS=SMN=SMX=MNMXNODALSOLUTIONSTEP=SUB=TIME=TEMP(AVG)RSYS=SMN=SMX=MNMXNODALSOLUTIONSTEP=SUB=TIME=TEMP(AVG)RSYS=SMN=SMX=MNMXNODALSOLUTIONSTEP=SUB=TIME=TEMP(AVG)RSYS=SMN=SMX=MNMXNODALSOLUTIONSTEP=SUB=TIME=TEMP(AVG)RSYS=SMN=SMX=MNMXNODALSOLUTIONSTEP=SUB=TIME=TEMP(AVG)RSYS=SMN=SMX=定子铁芯定子绕组外转子铁芯内转子绕组内转子铁芯外转子磁钢双机械端口能量变换器各主要部件的三维温度分布图年月日双机械端口能量变换器温度节点设置示意图热分析热网络分析法双机械端口能量变换器热路模型年月日热网络法计算结果汇总热分析热网络分析法有限元温度场与热网络法计算结果比较年月日样机试验平台原理图样机测试(上海安乃达驱动技术有限公司)样机实测平台图年月日有限元法仿真功率与实测功率特性比较有限元法仿真转矩与实测转矩特性比较样机测试(上海安乃达驱动技术有限公司)年月日谢谢各位关注!

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