电动汽车之永磁同步电机电磁场研究

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1、电动汽车之永磁同步电机电磁场研究1绪论1.1课题背景和研究意义能源问题可以说是当今社会的重要问题，节能已逐渐和人们的日常生活息息相关，并且成为人们生活的一部分，节能技术的研究及相关产品的幵发也已成为本世纪工业发展的主题。汽车是人们生活的重要交通工具，随着人们生活水平的提高，越来越多的人开始购买汽车。但是，汽车的大量使用带来了能源消耗、资源短缺、环境污染等一系列问题，这些问题促使各大汽车公司竞相研制各种新型无污染的的环保车。而电动汽车是以电能为能源，通过电动机将电能转化为机械能，这完全符合零污染、绿色节能的理念。因此，电动汽车

2、作为资源短缺、环境污染等问题的重要解决途径，得到了快速发展。要使电动汽车有良好的运行性能，驱动电机应具有较大的调速范围及较高的转速，高效，低耗，各种配套的控制装置重量尽可能轻，系统噪声要低，另外还要求可靠性好，耐高温及耐潮、结构简单，适用于大批量生产、使用维修方便、价格便宜等。电动车用电机目前广泛使用的有直流电机、感应电机、开关磁阻电机和永磁电机。在初期的电动车上大多采用直流电动机，直流电动机具有控制简单、调速特性良好等优势，但其具有效率低、可靠性较差、质量大，换向器和电刷需经常维护和更换，不适合高速运转等缺点；异步电动机具

3、有结构简单、工作可靠、保养维修方便和寿命长等优点，但是它也具有机械特性差、效率低、调速性能差、起动转矩小、运行在轻载时功率因数低、增加线路和电网损耗等缺点；开关磁阻电机的结构比任何一种电机都要简单，效率可达85%?93%，其转矩/转速特性好，在较宽的转速范围内，转矩与转速可灵活控制，起动转矩高，而起动功率低，而且开关磁阻电机的转矩脉动大，控制系统复杂，工作噪声大，体积比同功率的异步电动机要大一些，调节性能和控制精度也是限制其应用的一大问题。因此永磁电机在电动汽车上就显示出了优越性，是电动汽车用电机的主流，与电励磁电机相比，永

4、磁电机，具有结构简单、体积小、质量轻、损耗小、效率高、电机形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，特别是由正弦波驱动的永磁同步电动机非常适用于电动车的_驱动系统，有着广阔的应用前景⑴。永磁电机根据输入电机接线端的电流可分为永磁直流电机和永磁交流电机(亦称永磁无刷电机)，永磁无刷电机又包括永磁同步电机、永磁无刷直流电机和永磁混合电机三种。永磁同步电机的定子与传统的同步电机相同，转子采用永久磁铁做成磁极，其转子与旋转磁场同步旋转，旋转磁场的转速取决于电源频率。相对于方波电流驱动的永磁无刷直流电机，永磁同步电机避免了电流换向时产生的较大

5、转矩脉动，具有更理想的驱动性能。鉴于永磁同步电机的优异性能，对永磁同步电机的开发和研究就成为世界各国电机电器相关产业以及科研院所的研究热点。永磁同步电机的设计、控制、性能分析成为研究的主要内容[2]。永磁同步电机存在永磁体，导致其形状和放置的位置多种多样，磁路结构复杂，所以永磁同步电机的分析计算要比普通电机复杂。目前电动汽车用永磁电机的性能分析，已经成为电动汽车领域的一大研究热点，只有获得正确的磁场分布，永磁电机参数计算和性能分析才更准确，分析才有意义。传统的磁路计算主要用于确定电机的大致结构，快速排除性能较差的电机，但计算

6、精度较差，故被电磁场有限元计算所取代。目前有限元法是解决电磁场问题的有效手段，在工程中的广泛应用使得它在电磁分析领域占据了绝对优势地位。由于永磁同步电机结构复杂多样，使有限元方法在永磁同步电机的分析中还存在许多有待研究和解决的问题。本文利用有限元法对电动汽车领域应用的永磁同步电机进行电磁场分析，计算电机的电磁参数，以对电机的性能做出有效的评估。1.2永磁材料和永磁电机的发展与应用永磁材料是经外部磁场饱和充磁后，无需外部能量而能持续提供磁场的一种特殊材料，它是一种重要的磁性功能材料，也称硬性材料。永磁材料近年来的开发很快，现有

7、铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴1:5，第二代钐钻2:17和第三代钕铁硼。铝镍钴是最早幵发出来的一种永磁材料，是由铝、镍、钴、铁和其它微量金属元素构成的一种合金。铝镍钴永磁材料是20世纪30年代研制成功的，铝镍钴系磁铁的优点是剩磁高（最高可达1.35T)、温度系数低，温度系数为-0.02%/°C，而最高使用温度可达520°C左右，缺点是矫顽力非常低（通常小于160kA/m)，退磁曲线非线性，因此铝镍钴磁铁虽然容易被磁化，同样也容易退磁，这些不足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是

8、本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。钕铁硼磁性材料是钕、氧化铁等的合金，又称磁钢。钕铁硼的优点是具有极高的磁