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1、 硕硕士学位论文士学位论文 电动车用大功率永磁同步发电机的研究 RESEARCH ON HIGH POWER PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS GENERATOR IN ELECTRIC VEHICLE 王莎莎王莎莎 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 2012 年年 7 月月 国内图书分类号：TM351 学校代码：10213 国际图书分类号：621.3 密级：公开 工工学学硕硕士学位论文士学位论文 电动车用大功率永磁同步发电机的研究 硕 士 研 究 生 ： 王莎莎 导 师 ： 邹继斌教授 申请学位 ： 工学硕士 学科 ： 电气工程 所 在 单 位 ： 电气工程及自动化学院
2、答 辩 日 期 ： 2012 年 7 月 授予学位单位 ： 哈尔滨工业大学 Classified Index: TM351 U.D.C: 621.3 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH ON HIGH POWER PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS GENERATOR IN ELECTRIC VEHICLE Candidate： Wang Shasha Supervisor： Prof. Zou Jibin Academic Degree Applied for： Master of Eng
3、ineering Speciality： Electrical Engineering Affiliation： School of Electrical Engineering and Automation Date of Defence： July, 2012 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - I - 摘 要 永磁同步发电机具有体积小、功率密度高、运行效率高和环境适应性强等优点，业已成为电动车用发电机的首要选择。随着电动车用发电机功率的不断提高，针对车用大功率发电机
4、的损耗、散热等情况需要深入研究，而目前这方面的研究较少。 本文对大功率车用永磁同步发电机的性能优化设计进行了研究，首先分析了后接不同整流电路负载时的输出特性；然后通过电磁场的有限元计算分析了发电机电感参数、外特性和损耗；通过电磁场和温度场耦合的有限元计算方法分析了发电机的温度场分布情况。为发电机在复杂工况下的正常运行提供依据。 结合大功率车用永磁同步发电机的系统结构特点和设计要求给出了一组电机本体的设计参数，并采用有限元对其进行了电磁计算。对比发电机外接负载类型对发电机输出功率及输出电压的影响，给出了外接三相桥式 PWM 整流负载的可行性及其最优控制参数。 为了尽量减小发电机的固有电压调整率，
5、通过矢量分析得出了减小电枢电阻和交直轴同步电抗同时增加反凸极比是减小电压调整率的关键。利用有限元软件，计算了发电机的交直轴电感，作为电机性能分析的重要参数。在此基础上分析了电机结构参数对电机电感和外特性的影响，这些结构参数包括极弧系数、永磁体磁化方向长度和气隙长度，然后通过方案对比给出了一组最优的电机结构参数。 大功率发电机在运行时所产生的电枢铜耗、定子铁心损耗以及转子涡流损耗等较高，为了减小电机损耗，设计高效率的发电机，采用有限元法计算了不同运行状态下电机内的定子铁心损耗、电枢绕组铜耗以及永磁体涡流损耗，分析了负载类型以及电机转速对电机损耗的影响。 为了确保发电机工作在安全的温度范围内，针对
6、大功率车用永磁同步发电机内各部件的温度分布情况进行了三维温度场的有限元计算，并全面分析了负载类型、电机转速以及永磁体涡流损耗对电机温度场的影响。 关键词：永磁同步发电机；有限元法；电压调整率；交直轴电感；温度场 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - II - Abstract Permanent magnet synchronous generator (PMSG) became the first choice of vehicle generators with the advantages of small size, high power density, high operating
7、efficiency and strong environmental adaptability. This paper studies problems of electromagnetic field computation, inductance computation, operation performances analysis, losses and temperature field computations on high-power PMSG in electric vechicles. Combined with high power automotive PMSG sy
8、stem structural features and the design parameters given, a PMSG model is built and then its electromagnetic characteristic is calculated with finite element method (FEM). Contrast with different types of external load on the generator output power, the necessity and parameters analysis of the three
9、 phase bridge PWM rectifier load is given. In order to minimize the inherent voltage regulation of the generator, through vector analysis, it points out that reducing the armature resistance and d-axis q-axis synchronous reactance while increasing inverse saliency is the key to reduce the voltage re
10、gulation. Finite element calculation of inductance is used to calculate the d-axis and q-axis synchronous reactance for deeper understanding of the generators performance. Based on this analysis, the impact of the generators structure parameters on its inductance is carried out, including the pole-a
11、rc coefficient, the permanent magnet depth and the airgap length. As an important parameter of the PMSG design and the heat source of the analysis of the temperature field calculation, the losses analys is of great essential. The finite element method (FEM) is introduced to compute the core loss, th
12、e armature winding copper loss and the permanent magnet eddy loss under different operating conditions. The influnence of the type of load and the speed on the losses are studied. Finally, as an important factor influencing the PMSGs performance characteristic, the temperature field is calculated by
13、 FEM in order to ensure that the generator works in a secure and proper temperature range. Furthermore, the influence of different types of load and eddy current losses of perment magnets on the temperature distribution is given. Keywords: Permanent magnet synchronous generator, finite element method, voltage regulation, q-axis and d-axis inductances, temperature field 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - III - 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题背景及研究的目的和意义 . 1 1.2 大功率车用永磁同步发电机的发展现状 . 2 1.2.1 电动车用发电机的发展 . 2 1.2.2 发电机输出电压控制技术的现状 . 3 1.2.3 电机永磁体涡流损耗的计算 . 4 1.2.4 电机温度场的计算方法 .
