[发明专利]无刷复合结构电机系统的优化设计方法

说明书

技术领域

本发明属于汽车电机技术领域，具体涉及一种无刷复合结构电机系统的优化设计方法。

背景技术

能源危机和环境污染是制约传统汽车发展的两大难题。世界范围内，经济发展导致汽车拥有量快速增长，汽车交通所带来的石油消费量大幅上升，导致本已有限的石油储藏资源日益减少。另一方面，汽车排放的尾气中含有二氧化碳、甲烷以及氧化亚氮等温室气体，制造了严重的废气污染，加速了全球的气候变暖。问题的出现促使人们运用一系列技术手段改进现有的汽车驱动系统，提高汽车的燃油经济性，降低汽车的排放水平，因此新型电动汽车的开发成为了近年来汽车领域的研究热点。

目前研发的各种电动汽车主要分为三个类型，即纯电动汽车、混合动力汽车以及燃料电池汽车。其中纯电动汽车能够实现零排放，但受蓄电池能量密度的限制，一次充电行驶里程较短，只能在短程、低速的城市中心及社区间使用。燃料电池汽车具有很大的发展潜力，但目前成本过高，其氢氧燃料供应系统还存在着有待解决的技术问题，暂时难以产业化。而混合动力汽车利用电力辅助驱动，可以弥补内燃机驱动存在的固有缺点，使汽车能源在各种运行工况下都能够得到优化利用，是当前技术水平下汽车节能减排的理想方案。

复合结构电机是针对混合动力车领域的最先进类型——混联式混合动力方案，提供一种具有原理先进性和方案实用性的新型解决途径。该技术方案采用具有两个不同转速输出轴的复合结构电机来调节发动机和主减速器之间的转速差和转矩差，使内燃机运行在高效率区域，从而达到较好的节能效果。本文研究的无刷爪极双转子电机是一种新型结构电机，不同于传统电机具有一个定子和一个转子，它具有一个定子与两个转子，可以与另一台电机配合组成无刷复合结构电机。可以解决过去有刷复合结构电机方案存在的内转子绕组严重发热和需要电刷滑环馈电的问题，提高电机的实用性，使所在系统成为有望投产的混合动力新传动机构。

复合结构电机是两台电机的高度集成，如图1，这种电机作为一种新兴的混联式混合动力系统的核心部件，能够分配内燃机和蓄电池的能量流动，达到提高车辆燃油经济性和降低尾气排放的目的。目前国际上对有刷复合结构电机的研究已趋于成熟，已有的研究工作证明了该方案的可行性和先进性，但也表明该方案存在内转子绕组严重发热和需要电刷滑环馈电的问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种无刷复合结构电机系统的优化设计方法。

本发明的技术方案是：一种无刷复合结构电机系统的优化设计方法，包括如下步骤：步骤一：建立无刷爪极双转子电机的数学模型；步骤二：无刷爪极双转子电机的参数及性能分析；步骤三：建立无刷爪极双转子电机的三维有限元模型，分析电机内部的电磁场分布情况，计算出电机的参数及性能，包括空载磁密的分析、空载反电动势的分析、漏磁系数和电抗参数的计算；步骤四：简化无刷爪极双转子电机的三维有限元模型，采用二维等效有限元模型来仿真三维有限元模型，使二维有限元模型在每段磁通路径上具有与三维模型相同的磁阻和磁动势；步骤五：采用解析方法分析转矩密度和齿槽转矩与无刷爪极双转子电机主要结构参数之间的关系，然后采用有限元仿真方法分析永磁转子结构、极对数、结构尺寸、气隙长度和爪极形状对电机转矩性能的影响，给定样机参数确定方法。步骤六：分析电机功率因数、电机损耗及效率，功率因数的分析包括永磁体尺寸、绕组匝数和输入电流的分析。步骤七：测试实验样机的功能，若测试数据满足性能指标则结束，如果不满足，返回步骤二。所述步骤一包括两步，第一步：简化无刷爪极双转子电机的结构，忽略磁路饱和、磁滞和涡流影响，磁路为线性忽略齿槽效应及换相过程的影响，忽略频率和温度对绕组的影响；第二步：分析系统结构并建立数学模型。所述步骤二包括磁路参数分析、磁通与电磁转矩的分析和电抗参数分析。所述步骤四的二维等效有限元模型包括：等效爪极、等效定子绕组、等效定子铁心。所述步骤五中样机参数为样机对极为6对、尺寸比选择为4.5、内外层气隙长度均取值0.8mm、爪尖极弧系数的取值范围为0.1~0.4、爪根极弧系数的取值范围为1~1.1。所述步骤七中功能测试包括：空载反电动势测试、齿槽转矩测试、空载损耗及效率测试、电流相角对功率因数的影响的测试和转速调节功能的测试。