论文总字数：23206字

摘 要

本文以BMW i3内置式永磁电机为基准，提出一种非对称转子永磁磁阻电机，该电机不同于传统对称的内置式永磁电机，转子内永磁的非对称排布的特点可减小磁阻转矩与永磁转矩获得最大转矩时电流角之差以提高电机转矩密度。

本文针对所提出非对称转子电机进行电磁设计通过参数优化达到提高平均转矩，降低转矩脉动，提升电机综合性能的目的。主要研究工作包括：

1）介绍了非对称转子永磁磁阻电机的基本原理，基于对称BMW i3电机结构，提出初始非对称模型并进行改进；

2）利用多目标遗传算法以提高平均转矩、减小脉动为目标对非对称转子结构进行迭代优化，最终得到一种新型转子永磁结构非对称模型；

3）用冻结磁导率法将磁阻转矩和永磁转矩分离，验证结果符合设计思想。电磁仿真结果表明：与BMW i3电机相比，非对称永磁结构电机可显著改善转矩性能。

关键词：非对称永磁电机，永磁转矩，磁阻转矩，多目标遗传算法，冻结磁导率法。

Abstract

Based on the BMW i3 interior permanent magnet machine, a new kind of permanent magnet reluctance machine with an asymmetric rotor is proposed. The proposed machine is different from the traditional symmetrical counterparts, which has an asymmetric arrangement of permanent magnets in the rotor to reduce the difference of current phase angles where the reluctance torque and the permanent magnet torque reach their maximum. As a result, the torque density can be further improved with the proposed asymmetric design.

This study aims at the electromagnetic design of the proposed asymmetric rotor machine through the parameter optimization to improve the average torque and reduce the torque ripple so that the overall performance can be further improved. The main research works can be summarized as follows: 1) the basic principle of the proposed asymmetric machine is introduced, the initial asymmetric model is improved based on the symmetric BMW i3 machine. 2) the multi-objective genetic algorithm is used to increase the average torque and reduce the torque ripple. The asymmetric rotor structure is iteratively optimized, and finally a new model with asymmetric rotor permanent magnet is obtained. 3) the reluctance torque and the permanent magnet torque are separated by the frozen permeability method and the simulation results confirm the proposed design. The electromagnetic simulation results show that the asymmetric permanent magnet motor can significantly improve the torque performance compared with the BMW i3 motor.

KEY WORDS: Asymmetrical permanent magnet machine, Permanent magnet torque, Reluctance torque, Multi-objective genetic algorithms, Frozen permeability method,

目 录

摘 要 I

Abstract 1

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 永磁同步电机 1

1.3 非对称永磁电机 2

1.3.1 非对称永磁磁阻电机的起源 2

1.3.2 现有非对称永磁磁阻电机的结构和原理 2

1.3.3 非对称永磁磁阻电机的国内外研究现状 3

1.3.4 非对称永磁磁阻电机的应用前景 5

1.4 本文主要工作 5

第二章 新型非对称永磁磁阻电机的原理和结构 7

2.1 新型非对称永磁磁阻电机的工作原理 7

2.2 新型非对称永磁磁阻电机的基本结构 8

2.3 本章小结 9

第三章 新型非对称永磁磁阻电机的参数优化 10

3.1 JMAG软件简介及有限元电磁仿真分析 10

3.1.1 JMAG软件简介 10

3.1.2 有限元法 10

3.2 电流相位角优化 11

3.3 结构参数优化 11

3.4 全局优化 12

3.5 本章小结 14

第四章 新型非对称永磁磁阻电机和BMW-i3电机的性能对比 15

4.1 空载特性 15

4.1.1 磁力线及磁密分布 15

4.1.2 气隙磁密 15

4.1.3 空载磁链 16

4.1.4 反电动势 17

4.1.5 齿槽转矩 18

4.2 负载特性 19

4.2.1 磁力线及磁密分布 19

4.2.2 转矩VS电流角 20

4.2.3 稳态转矩曲线 20

4.2.4 平均转矩VS电流 21

4.3 综合性能比较 21

4.3.1 永磁成本 21

4.3.2 转矩性能比较 21

4.4 本章小结 22

第五章 总结与展望 23

参考文献 24

致谢 26

绪 论

引言

随着生态环境的恶化和全球能源的衰竭，大力发展新能源汽车产业日益成为一个加强国民经济、改善生态文明的关键举措。美国、日本等制造业大国已经抢先占据新能源汽车市场的主要份额，占领电动汽车研发制高点。大量知名汽车制造公司、高精科技公司宣布进军电动汽车领域，并已提出很多具有创新性的概念、模型及产品。

为顺应时代的发展和潜在的新能源市场需求，我国已制定相关发展政策来搭建未来的新能源架构，例如于2016年12月出台的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》。规划中的新能源汽车部分指出，我国要推动新能源汽车产业快速壮大，构建可持续发展新模式。而目前电动汽车面临最大的技术难题在于如何开发高密度容量的蓄电池以及高性能、低能耗的驱动电机。

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