纯电动汽车永磁同步电机的设计(附件)【字数：10023】
摘 要当今的汽车产业面临着巨大的挑战，能源短缺、气候变暖及环境污染等，新能源汽车的发展已经必不可免。新能源汽车的种类有很多，本文主要针对纯电动汽车，对其驱动电机进行设计。纯电动汽车是指以车载电源为动力，用电动机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。而电动机作为纯电动汽车驱动系统的核心元件，其性能的好坏对纯电动汽车的动力性能有着很直接的影响。本文介绍了永磁同步电机的总体结构及优缺点，并根据电机设计的基础理论，以实际的算列，对纯电动汽车用的永磁同步电机的主要尺寸、磁路等进行设计及优化，并对于设计中的重要参数进行分析选取。最后本文归纳了永磁同步电机其余结构在设计时应注意的事项。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3课题的研究内容 2
1.4课题研究流程图 2
第二章 永磁同步电机介绍 4
2.1永磁同步电机的总体结构 4
2.2永磁同步电机优缺点 4
2.3本章小结 5
第三章 纯电动汽车用永磁同步电机主要尺寸 6
3.1永磁同步电机参数要求 6
3.2主要尺寸的确定 6
3.2.1主要尺寸关系式 6
3.2.2电磁负荷的选择 7
3.3气隙长度的确定 8
3.4本章小结 8
第四章 纯电动汽车用永磁同步电机磁路设计与计算 9
4.1转子结构的选择 9
4.2永磁体的设计 9
4.2.1永磁体材料的选择 9
4.2.2永磁体尺寸的设计 10
4.3定、转子冲片 11
4.4绕组计算 12
4.5磁路计算 13
4.6本章小结 15
第五章 结构设计 16
5.1轴 16
5.2轴承 16
5.3通风散热结构 16
5.4支撑件 17
5.5本章小结 17
结束语 18
致谢 19
参考文献 20
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
第一章 绪论
1.1课题研究背景及意义
近些年，随着石油短缺、环境污染、气候变暖等能源和环境问题的越来越严重，新能源汽车已经成为了人们的关注焦点。其中电动汽车作为新能源汽车的代表，使用电能作为驱动能源，与传统的以石油作为能源的汽车所不同，是解决这些问题的有效途径[1]。
近年来，为了实现新能源汽车产业的发展，许多国外政府和企业积极推进电动汽车的研发，美、日、德等部分国家都制定了相关的行业规划，同时也投入了很多的资源进行深入的研究[2]。中国政府及研究部门对于新能源汽车的研究发展也相当重视，近年来，作为国家重大科技产业化项目，电动汽车的研究一直被认为是国家科学技术的重要研究方向，“863计划”节能减排和新能源汽车的重点攻关技术,并要求各单位全面的研究电动汽车关键技术,整个系统集成技术和汽车整车技术,加速新能源汽车研究体系的形成和产品产业化的发展[3]。
电力控制驱动系统是整个电动汽车的“心脏”,而作为电力控制驱动系统核心部件的驱动电机，它的性能的好坏对电动汽车的运行状况有着直接影响，所以电动汽车对于电机的设计已经成为电动汽车领域的一个极其重要的研究方向，设计出高效、高可靠性的电机对电动汽车领域具有十分重要的意义。目前，电动汽车的牵引电机主要包括以下几种：永磁同步电机、异步电机、直流电机、无刷直流电机和开关磁阻电机。
为了电动汽车能够稳定运行，其必要条件是电动机能够平稳运行，因此在设计电动机时要求驱动电机的电负荷合适，并且电磁负荷的选取也应该合适，从而电动汽车的电动机才能够高效而且平稳的进行工作。因此，要想让电动机在最好的状况下进行工作，在设计中选择电动机的技术参数时必须选择合适的参数 [4]。
1.2国内外研究现状
1996年日本丰田汽车公司研发出第一款永磁同步电机驱动的电动车后，全球各大汽车制造商开始了对永磁电机的研发，并在实际的电动汽车生产中得到了广泛的运用。2010款Prius电动汽车的驱动电机使用了永磁同步电动机，此款电机额定功率为60????????，转子磁路为“V”型转子结构,其最大输出转矩预计能够到达207?????????,其最高转速已经到达了13500????/????????????。其转子叠片设计成缺口状，电动机的比功率得到了提高，电动机的工作效率也得到了提升,同时电动机的功率密度可以达到1.6????????/????????,综合整车连同PCU,其最高效率已经可以到达95% [5],2010款Prius使用的电动机的设计水平已经相当高了。图11和图12是2010款Prius电动汽车所使用的驱动电机的外观图以和电机转子叠片结构图。
为了电机能有更高的效率，各电机制造商对非晶态金属材料进行了研究，因为非晶态金属材料拥有较高的导磁率和较低的铁损，如果使用非晶态金属材料制作铁心，可以有效地提高电机效率。日本日立公司开发出的新型永磁同步电机就利用了非晶材料，在设计时考虑到成本，于是结合了性能较差的铁氧体永磁材料，但非晶电机的工作效率仍可以达到93%，大大的降低了永磁电机的制造成本。
日本名古屋工业大学从技术方面开发出了一种新型的电机，该电机利用辅助线圈对永磁体产生的永磁磁场进行控制，若想控制该电机的弱磁，只需改变辅助线圈中的电流方向，削弱或增强磁场即可：当电机要求的转速低时，改变电流使磁场增强，电机的最大输出功率就可以相对的提高；当电机要求的转速高时，改变电流使磁场削弱，电机的最高转速范围可以扩大。该设计在测试时只使用了丰田“雷克萨斯RX400h”驱动电机使用的一半的永磁体材料，但是却获得了与它相同的功率密度[6]。
美国相对于日本对电动汽车的研发时间较晚，在2007年，一台无刷混合励磁永磁同步电机于美国橡树岭实验室成功制造出，该电机的额定功率为33????????,峰值功率可以达到50????????,并且电机的最高转速可以达到16000????/???????????? [7]。
在同一时间，德国研制出的永磁同步电机的峰值功率达到了32????????、最高转速达到12500????/????????????，该电机在第三代奥迪混合动力汽车上得到了采用[8]。
我国对于新型电动汽车的开发利用从上世纪80年代就已经开始。在近几年，中国国家科学院的电工研究所以及全国各高校等诸多科研部门专注于对电动汽车的研究，于此同时研究部门还与一汽、二汽等汽车制造商进行合作，并且取得了一定成果。表11列出了我国研制出的电动汽车用驱动电机产品。虽然如此，但是与国外的先进技术相比，我国设计和开发电动汽车用永磁同步电机的技术还相对落后，尤其是在电机的最大功率及最高转速方面。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3课题的研究内容 2
1.4课题研究流程图 2
第二章 永磁同步电机介绍 4
2.1永磁同步电机的总体结构 4
2.2永磁同步电机优缺点 4
2.3本章小结 5
第三章 纯电动汽车用永磁同步电机主要尺寸 6
3.1永磁同步电机参数要求 6
3.2主要尺寸的确定 6
3.2.1主要尺寸关系式 6
3.2.2电磁负荷的选择 7
3.3气隙长度的确定 8
3.4本章小结 8
第四章 纯电动汽车用永磁同步电机磁路设计与计算 9
4.1转子结构的选择 9
4.2永磁体的设计 9
4.2.1永磁体材料的选择 9
4.2.2永磁体尺寸的设计 10
4.3定、转子冲片 11
4.4绕组计算 12
4.5磁路计算 13
4.6本章小结 15
第五章 结构设计 16
5.1轴 16
5.2轴承 16
5.3通风散热结构 16
5.4支撑件 17
5.5本章小结 17
结束语 18
致谢 19
参考文献 20
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
第一章 绪论
1.1课题研究背景及意义
近些年，随着石油短缺、环境污染、气候变暖等能源和环境问题的越来越严重，新能源汽车已经成为了人们的关注焦点。其中电动汽车作为新能源汽车的代表，使用电能作为驱动能源，与传统的以石油作为能源的汽车所不同，是解决这些问题的有效途径[1]。
近年来，为了实现新能源汽车产业的发展，许多国外政府和企业积极推进电动汽车的研发，美、日、德等部分国家都制定了相关的行业规划，同时也投入了很多的资源进行深入的研究[2]。中国政府及研究部门对于新能源汽车的研究发展也相当重视，近年来，作为国家重大科技产业化项目，电动汽车的研究一直被认为是国家科学技术的重要研究方向，“863计划”节能减排和新能源汽车的重点攻关技术,并要求各单位全面的研究电动汽车关键技术,整个系统集成技术和汽车整车技术,加速新能源汽车研究体系的形成和产品产业化的发展[3]。
电力控制驱动系统是整个电动汽车的“心脏”,而作为电力控制驱动系统核心部件的驱动电机，它的性能的好坏对电动汽车的运行状况有着直接影响，所以电动汽车对于电机的设计已经成为电动汽车领域的一个极其重要的研究方向，设计出高效、高可靠性的电机对电动汽车领域具有十分重要的意义。目前，电动汽车的牵引电机主要包括以下几种：永磁同步电机、异步电机、直流电机、无刷直流电机和开关磁阻电机。
为了电动汽车能够稳定运行，其必要条件是电动机能够平稳运行，因此在设计电动机时要求驱动电机的电负荷合适，并且电磁负荷的选取也应该合适，从而电动汽车的电动机才能够高效而且平稳的进行工作。因此，要想让电动机在最好的状况下进行工作，在设计中选择电动机的技术参数时必须选择合适的参数 [4]。
1.2国内外研究现状
1996年日本丰田汽车公司研发出第一款永磁同步电机驱动的电动车后，全球各大汽车制造商开始了对永磁电机的研发，并在实际的电动汽车生产中得到了广泛的运用。2010款Prius电动汽车的驱动电机使用了永磁同步电动机，此款电机额定功率为60????????，转子磁路为“V”型转子结构,其最大输出转矩预计能够到达207?????????,其最高转速已经到达了13500????/????????????。其转子叠片设计成缺口状，电动机的比功率得到了提高，电动机的工作效率也得到了提升,同时电动机的功率密度可以达到1.6????????/????????,综合整车连同PCU,其最高效率已经可以到达95% [5],2010款Prius使用的电动机的设计水平已经相当高了。图11和图12是2010款Prius电动汽车所使用的驱动电机的外观图以和电机转子叠片结构图。
为了电机能有更高的效率，各电机制造商对非晶态金属材料进行了研究，因为非晶态金属材料拥有较高的导磁率和较低的铁损，如果使用非晶态金属材料制作铁心，可以有效地提高电机效率。日本日立公司开发出的新型永磁同步电机就利用了非晶材料，在设计时考虑到成本，于是结合了性能较差的铁氧体永磁材料，但非晶电机的工作效率仍可以达到93%，大大的降低了永磁电机的制造成本。
日本名古屋工业大学从技术方面开发出了一种新型的电机，该电机利用辅助线圈对永磁体产生的永磁磁场进行控制，若想控制该电机的弱磁，只需改变辅助线圈中的电流方向，削弱或增强磁场即可：当电机要求的转速低时，改变电流使磁场增强，电机的最大输出功率就可以相对的提高；当电机要求的转速高时，改变电流使磁场削弱，电机的最高转速范围可以扩大。该设计在测试时只使用了丰田“雷克萨斯RX400h”驱动电机使用的一半的永磁体材料，但是却获得了与它相同的功率密度[6]。
美国相对于日本对电动汽车的研发时间较晚，在2007年，一台无刷混合励磁永磁同步电机于美国橡树岭实验室成功制造出，该电机的额定功率为33????????,峰值功率可以达到50????????,并且电机的最高转速可以达到16000????/???????????? [7]。
在同一时间，德国研制出的永磁同步电机的峰值功率达到了32????????、最高转速达到12500????/????????????，该电机在第三代奥迪混合动力汽车上得到了采用[8]。
我国对于新型电动汽车的开发利用从上世纪80年代就已经开始。在近几年，中国国家科学院的电工研究所以及全国各高校等诸多科研部门专注于对电动汽车的研究，于此同时研究部门还与一汽、二汽等汽车制造商进行合作，并且取得了一定成果。表11列出了我国研制出的电动汽车用驱动电机产品。虽然如此，但是与国外的先进技术相比，我国设计和开发电动汽车用永磁同步电机的技术还相对落后，尤其是在电机的最大功率及最高转速方面。
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