论文总字数：25098字

摘 要

近年来环境问题日益严峻，发展新能源产业被公众视为一种有效的解决方案。电动汽车作为传统汽车的替代产品，成为了工业界的热门研究对象。电驱动系统是电动汽车的关键部件，其中轮毂电机直接驱动方式具有一定优越性。而轮毂电机中轴向磁场永磁电机因具有外形扁平、轴向尺寸短、结构紧凑、效率高的优点，是轮毂直驱系统的重要选择。

本文首先从轴向磁场电机的结构出发，简单介绍了其研究现状，对比了几种常见轴向电机类型及特点。然后，探索了轴向磁场永磁同步轮毂电机的磁路模型，最终把单转子、双定子结构定为主要研究对象。

有限元法是分析电磁场的有力工具，本文利用有限元分析软件JMAG，建立了一台单转子、双定子轴向磁场永磁轮毂电机的三维有限元仿真模型，分析计算了电机磁场分布、空载永磁磁链、空载反电动势、气隙磁密和齿部磁密等电磁性能。

在上述仿真模型电磁性能的分析基础之上，进一步展开了在永磁体材料、磁体厚度、气隙长度等设计参数对电机电磁性能影响的研究，并进行了优化方案的探索，通过对比转矩—电流特性、转矩—转速特性、转矩质量比等关键性能，最终确认了一种可行的电机优化方案。

关键词：电动汽车，轮毂电机，轴向磁场电机，有限元分析，JMAG

Abstract

With the increasingly severe environmental problems in recent years, the development of new energy industries has been regarded as an effective solution by all sectors of society. As an alternative to traditional cars, electric cars have become a hot research object in the industry. The electric drive system is a key component of the electric vehicle,due to the flat shape,short axial length,compact structure,and high efficiency,the axial magnetic field permanent magnet hub motor is a important candidate for direct-driving hub motor system.

In this thesis, starting from the structure of the axial magnetic motor, the status quo of the research of axial magnetic motor is introduced.Further,topologies and characteristics of several common axial motors are compared. Then based on an axial magnetic field permanent magnet synchronous hub motor, the magnetic circuit model was further explored. Finally, the single rotor,dual stator structure was selected as the main research object.

Finite element method is a powerful tool for the analysis of electromagnetic fields. In this finite element analysis software JMAG is used to establish a three-dimensional simulation model of a single rotor,dual stator axial magnetic field permanent magnet hub motor, and the magnetic field distribution, no-load permanent magnetic flux linkage,no-load back electromotive force, air gap flux density, and flux density in stator teeth are calculated.

Based on the analysis of the electromagnetic performance of the above simulation model, the research on the influence of design parameters such as permanent magnet material, magnet thickness and air gap length on the electromagnetic performance of the motor is further developed, and the optimization scheme is explored. Hence,the optimal torque-current characteristic, torque-speed ccharacteristic, and torque-to-mass ratio were achieved.In the end,a feasible motor optimization solution is confirmed.

KEY WORDS:Electric vehicle,Wheel motor,Axil flux motor, Finite element analysis,JMAG

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 选题背景及意义 1

1.2 轴向磁场永磁轮毂电机概述 1

1.3 国内外研究现状 3

1.3.1 车用电机在国内外的研究及发展 3

1.3.2 轴向磁场永磁轮毂电机的研究现状 4

1.4 本课题研究目的及内容 4

第二章 轴向磁场永磁轮毂电机基本结构与工作原理 5

2.1 引言 5

2.2 轴向磁场永磁轮毂电机结构及分类 5

2.2.1 轴向磁场永磁直流电动机和轴向磁场无刷直流电机 5

2.2.2 轴向磁场永磁同步电动机 6

2.3 电磁场分析基本理论 9

2.3.1 麦克斯韦方程组 9

2.3.2 电磁场分析方法 10

2.4 轴向磁场永磁轮毂电机磁路模型 10

2.5 轴向磁场永磁轮毂电机工作原理 12

第三章 轴向磁场永磁轮毂电机有限元分析 13

3.1 有限元法简介 13

3.2 有限元法分析软件介绍及应用 14

3.3 轴向磁场永磁轮毂电机有限元分析 16

3.3.1 JMAG下的仿真建模 16

3.3.2 轴向磁场永磁轮毂电机磁场分布 22

3.3.3 轴向磁场永磁轮毂电机空载反电势及输出特性 24

第四章 轴向磁场永磁轮毂电机优化设计方案 25

4.1 永磁体材料优化 25

4.2 永磁体尺寸优化 27

第五章 全文研究总结及展望 34

致谢 35

参考文献 36

绪论

选题背景及意义

不断枯竭的不可再生化石资源以及环境污染，是传统汽车工业面临的两个严峻考验。其关键点在于，传统内燃机车辆的低效率和对环境的污染，首先大幅提升了能源需求，导致石油供应越来越紧张；随之而来的，城市地区中相当一部分的大气污染物由此类汽车贡献，如臭氧、一氧化碳和空气毒素。虽然随着新技术的发展和应用，发动机的效率在一定程度上得到了提高，与此同时也控制了温室气体的排放，但是传统机型存在工况限制，导致汽车的燃油效率的提升难以有质的飞跃。所以，改变现有运输方式，在环保能源的使用上寻求突破，是目前汽车行业的大方向。

众所周知，电动汽车具有如下优点：绿色环保，使用的主要能源为电能，能实现零排放交通；噪声低且不受机械结构限制；能源利用率高，电动机的效率远远高于内燃机。我国机动车保有量在将来很长一段时间内还将处于高速增长阶段，侧面反映出为了环境保护与能源安全，电动汽车的发展与推广是历史的必然趋势。一方面来说，我国出台补贴新能源汽车的政策，引导国民消费和研究机构投入人力物力进行开发，另一方面，国际汽车市场上也有特斯拉这样的旨在挑战传统汽车业的公司，进一步刺激了新能源车的发展。这些都足以佐证电动汽车拥有广阔的发展前景。

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