外转子磁通切换型轮毂电机设计与分析

论文总字数：30940字

摘 要

本文针对电动汽车驱动电机的应用场合，设计了一种由八台单元电机组合构成的外转子磁通切换永磁（FSPM，Flux-switching Permanent Magnet）型轮毂电机，并基于有限元法对其进行了电磁性能分析与结构尺寸优化。

本文首先分析了内转子磁通切换永磁电机的结构特点与工作原理，在此基础之上，根据FSPM电机定子槽数和转子极数匹配原则，设计了一台外转子FSPM轮毂电机，其单元电机基本结构为定子6槽转子7极，而整电机由八个单元电机组合而成，为定子48槽转子56极。接着，研究了该电机主要尺寸参数变化对转矩性能影响的敏感度分析，从而确定了定子裂比、定子齿宽和转子齿宽等几个关键优化参数。进而，对上述影响转矩性能的关键尺寸参数进行了重点优化，得到了最终优化后的电机尺寸设计方案并达到了设计要求。最后，将该外转子FSPM电机与已有同尺寸的外转子永磁同步电机进行了性能对比分析，发现外转子FSPM电机在效率上与外转子永磁同步电机接近，质量较轻，转矩性能则不如外转子永磁同步电机，需要在结构上进行更大改进以获得更优性能。

关键词：电动汽车，外转子，磁通切换，永磁电机，轮毂电机

Design and Analysis of an Out-rotor Flux-switching Permanent Magnet In-wheel Motor

Abstract

This article introduced an out-rotor flux-switching permanent magnet in-wheel motor designed as a driving motor for electric vehicles. This motor in compound of eight separate motors that are joined in a circle. The performance of the motor is then analyzed and the structural dimensions optimized based on finite element analysis (FEA).

The structural characteristics and operating principles are analyzed in the first place. The basic structure of a 6-slot-stator and 7-pole-rotor (48 stator slots and 56 rotor poles for the whole motor) is then designed based on the operating principles of FSPM motors and the design principle of stator slots and rotor poles combinations. The influences of different design parameters on the torque capacity of the motor are evaluated afterwards. Split ratio, rotor pole width, stator tooth width and some other design parameters are found to be the key parameters that decide the performance of the motor. The structure optimization focusing on these parameters are then made and the final design of the motor which meets the design requirements is obtained. Finally, the performances of the optimized FSPM motor and a same-sized out-rotor permanent magnet synchronous motor is compared. The out-rotor FSPM motor shows a similar estimated efficiency to the latter and is slightly lighter in weight. But the torque capacity of the out-rotor PM synchronous motor is better than the out-rotor FSPM motor.

KEY WORDS: electric vehicle, out-rotor, flux-switching, permanent magnet motor, in-wheel motor

目 录

摘 要 ………………………………………………………………………………………………………………………………………..…..I

Abstract …………………………………………………………………………………………………………………………..………….……II

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 永磁电机发展概况^[2] 1

1.2.1 永磁同步电动机和无刷直流电动机发展概况 2

1.3 FSPM电机发展概况 3

1.4 电动汽车驱动系统发展现状 4

1.4.1 电动汽车用驱动电机的性能要求 4

1.4.2 常用电动车驱动电机 4

1.5 用于分析永磁电机性能的有限元法简介 5

1.6 本文研究目的和主要研究内容 5

第二章 外转子FSPM型轮毂电机初步设计 6

2.1外转子FSPM电机结构 6

2.2 外转子FSPM电机工作原理 6

2.3外转子FSPM电机定子槽数与转子极数组合 8

2.4线圈连接方式 9

2.5不同转子极数FSPM电机特性分析 11

2.6本章总结 13

第三章 外转子FSPM型轮毂电机设计参数优化及性能对比 14

3.1 内转子FSPM电机的关键设计参数 14

3.1.1 转子齿宽 14

3.1.2 定子裂比 14

3.1.3 其他设计参数 14

3.2 外转子FSPM电机对设计参数的敏感度 14

3.2.1 定子裂比敏感度分析 15

3.2.2 电机关键设计参数敏感度分析 16

3.3 外转子FSPM电机性能优化 16

3.5 外转子FSPM电机与永磁同步电机性能对比 24

3.6 本章总结 27

第四章 总结与展望 28

4.1 总结 28

4.2 展望 28

致谢 …………………………………………………………………………………………………………………………………………29

参考文献(References) 30

1. 绪 论
2. 引言

磁通切换永磁电机（Flux-Switching Permanent Magnet Motor，FSPM电机）的概念早在上个世纪五十年代就被提出^[1]。美国学者S. E. Rauch等人在当时设计了一种利用了磁通切换原理的单相交流发电机。然而，随着稀土永磁材料的性能突飞猛进，直到近二十年以磁通切换永磁电机为代表的定子永磁型双凸极结构无刷电机才重新又得到国内外的广泛关注和深入研究。

磁通切换永磁电机在结构上与开关磁阻电机相似，拥有双凸极形式的定子和转子。在合理的设计和结构优化之下，该类型能够兼具开关磁阻电机和永磁同步电机优点而克服其缺点。首先，结构上该类型电机的永磁体和电枢绕组都置与定子，转子上既无永磁体也无电枢绕组，这就保证了转子结构简单、稳定可靠，适用于高速应用场合。其次，绕组是主要的发热部件，其位于定子给温度检测以及冷却散热提供了便利条件，可以通过合理设计通风或者外壳水冷系统实现有效冷却。此外，FSPM电机结构特征所导致的绕组一致性与互补性可以保证每相电枢绕组产生高度正弦的双极性空载永磁磁链和感应电势，可以直接应用矢量控制、转矩直接控制等成熟控制算法。最后，该电机的电枢反应磁路与永磁主磁通磁路之间为并联关系，这就降低了永磁体发生不可逆退磁的风险，若进一步配合高性能永磁材料和充分利用聚磁效应等技术，可赋予电机较高的转矩和功率密度、高效率和极好的弱磁特性。上述性能优点使得FSPM电机在航空航天、电动汽车等领域有着巨大的应用前景。

1. 永磁电机发展概况^[2]

永磁电机发展的热度是与永磁材料性能的突破紧密相关的。我国古代的四大发明之一就是永磁材料制成的指南针。这一技术极大地推动了当时我国的航海、军事等实力的发展。可以说，我国是世界上最早利用永磁材料的特性并使其服务于生产实践的国家。

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