雙定子錐形永磁同步輪轂電機理論及實用技術研究

《雙定子錐形永磁同步輪轂電機理論及實用技術研究》是依託哈爾濱工業大學，由柴鳳擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：雙定子錐形永磁同步輪轂電機理論及實用技術研究
• 依託單位：哈爾濱工業大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：柴鳳

項目摘要

在綜合分析國內外電驅動用永磁輪轂電機的基礎上，本項目從提高永磁電機低速轉矩性能和高速弱磁能力角度出發，提出新型雙定子錐形永磁輪轂電機的研究課題。該課題綜合考量永磁電機的低速大扭矩和寬恆功率區這一設計難點，充分利用輪轂電機較大的內部空間，將雙定子設計思想和錐形轉子方案有機結合，在低速大扭矩區，內外兩個定子同時作用，有效提高電機轉矩；在恆功率區，利用定子電流對錐形轉子軸向磁拉力的作用，控制定子電流的直軸分量，使得電機轉子產生軸向位移，增加氣隙長度且減小定轉子共同作用空間，從而達到減少氣隙磁通的目的。本課題對不同定子組合形式、不同轉子結構形式、不同通電狀態、不同軸向位移及不同錐度角變化等對電機轉矩轉速特性的影響開展理論分析、數值計算和實驗研究。該項研究工作是電氣工程學科以及能源和交通領域的前沿課題，為電傳動用寬速域大扭矩輪轂電機研究提供新思路，研究成果對學科的發展起到積極的促進和推動作用。

結題摘要

在綜合分析國內外電驅動用永磁輪轂電機的基礎上，本課題從提高永磁電機低速轉矩特性和高速弱磁能力的角度出發，提出了新型雙定子錐形永磁輪轂電機的研究方案。綜合考慮永磁電機低速大轉矩和寬恆功率區這一設計難點，充分利用輪轂電機較大的內部空間，外定子和轉子外圓採用常規的圓柱形結構，主要輸出電磁轉矩；轉子內圓和內定子採用錐形結構，主要輸出軸向力，輔助輸出電磁轉矩。在低速大轉矩區，內外兩個電機共同作用，能夠有效的提高電機的轉矩輸出能力和功率密度，本課題設計的雙定子電機較相同體積的單定子電機轉矩增大20%左右；在恆功率區，利用錐形電機軸向磁拉力和軸向平衡裝置的相互作用，使電機轉子產生軸向位移，增加氣隙長度，減小定轉子間的有效耦合面積，減小氣隙磁通量，達到弱磁擴速的目的。本課題對不同的定子組合形式、不同的轉子結構形式，不同的通電狀態、不同的轉子軸向位移，以及錐角變化等參數對電機的轉速轉矩特性和弱磁擴速能力的影響進行了深入研究，開發了錐形電機電磁設計路算程式，建立了三維有限元仿真模型和分段式的二維簡化模型，製造了單定子永磁錐形和雙定子永磁錐形電機兩台樣機。理論分析、仿真計算和實驗研究中發現，分段數大於等於3時，二維簡化模型基本可以滿足工程設計的精度要求。根據作用機理和變化規律不同，錐形電機的軸向磁拉力可以分解為錐角力和正位力，通過改變錐角的大小來調整二者的比例分配。直軸電流可以近似線性的影響軸向磁拉力的大小，而交軸電流對軸向磁拉力幾乎沒有影響；不論錐角的大小，錐形電機的轉子軸向位移為零時，具有與同等體積圓柱形電機相同的轉矩輸出能力，完全勝任低速大轉矩的要求。錐形電機不需要直軸去磁電流進行弱磁控制，僅依靠轉子的軸向位移即可實現恆功率運行，且錐角或軸向位移越大，恆功率範圍越寬，最高轉速越高。但過大的錐角和軸向位移會增加電機徑向和軸向的尺寸，降低整機的功率密度。本課題是電氣工程學科和能源、交通領域的前沿課題，為電驅動用寬速域大轉矩輪轂電機的研究提供了新思路，研究成果必將對學科的發展起到積極的促進和推動作用。