线控电动汽车用弧面二自由度永磁轮毂电机研究

This subject starts from simplifying the machine driven system of by -wire electric vehicles of in-wheel motor, and proposes a research subject of a new-type cambered two degrees of freedom permanent magnet synchronous in-wheel motor.This project combines the design idea of spherical motor with the winding control technologies, based on the guarantee of high torque density of permanent magnet motor, With full consideration of the design difficulties in motor rotation and deflection, the motor stator space is divided effectively.By using the magnetic field harmonic wave theory and choosing appropriate slot-pole match to achieve rotation and deflection two degrees of freedom functions as well as integrate the in-wheel driven motor and the steering motor together. In the district of vehicle's straight line driving, the stator driven winding and steering winding function together to output the rotating electromagnetic torque; When the vehicle steers, the motor both produces driving torque and steering torque, to make the vehicle achieves the steering function by controlling the steering winding on stators.This subject does theoretical analysis, numerical calculation and experimental study towards different combinations of stators, configuration of winding and combination of pole and slot as well as different forms of rotor structures and power-up state. This study is the forefront subject in electric engineering as well as energy and transportation fields, which provides new ideas to by-wire electric vehicles' study based on in-wheel motor platform. The research achievement has positive influence on the improvement of the development of these subjects.

本项目从简化轮毂电机驱动线控电动车辆机械传动系统出发，提出新型弧面二自由度永磁同步轮毂电机的研究课题。本课题将球形电机设计思想和绕组控制技术有机结合，在保证永磁电机高转矩密度的基础上，综合考量电机旋转和偏摆设计难点，将电机定子空间有效分割。利用磁场谐波理论，通过恰当的极槽配合，实现旋转和偏摆两自由度功能，将轮毂驱动电机和转向电机集成一体。在车辆直线行驶区域，定子驱动绕组和转向绕组共同作用，输出旋转电磁转矩；车辆转向时，通过控制定子上的转向绕组，使电机同时产生驱动转矩和转动转矩，驱动车辆实现转向功能。本课题对不同段定子组合形式、绕组排布及极槽配合、不同转子结构形式、不同通电状态等对电机驱动转矩和转向转矩的影响开展理论分析、数值计算和实验研究。该项研究工作是电气工程学科以及能源和交通领域的前沿课题，为基于轮毂电机平台的线控车辆研究提供新思路，研究成果对学科的发展起到积极的促进和推动作用。

在综合分析国内外永磁轮毂电机的基础上，本课题从简化轮毂电机驱动线控电动车辆机械传动系统出发，提出了新型弧面二自由度永磁同步轮毂电机的研究方案。将球形电机的设计思想和绕组控制技术有机结合，在保证永磁电机高转矩密度的基础上，对电机定子空间进行功能化分割并采用特定的极槽配合，利用定子磁场基波和特定次次谐波，分别实现了旋转和偏转两自由度功能，集驱动用轮毂电机和转向电机于一体。. 本课题对不同的定子分割形式，不同的转子结构，不同的通电状态，不同的定转子尺寸配比，以及不同的定子空间位置等参数对电机转矩特性的影响进行了深入研究，开发了弧面二自由度永磁轮毂电机的动态磁网络电磁计算程序，建立了三维有限元仿真模型和二维简化模型，并制造了一台内置切向式弧面二自由度永磁轮毂电机样机。在理论分析、仿真计算和实验研究中发现，在不同阶段采用不同的电磁计算方法，结合参数分级优化的策略，能够有效提高三维电机的设计效率。在两种永磁同步电机常用的转子结构中，相比表贴式结构，内置式结构的聚磁作用能够显著增强电机的磁负荷，进一步提高弧面二自由度永磁轮毂电机的转矩密度，特别是转向力矩输出能力。作为弧面二自由度永磁轮毂电机重点研究对象，转子偏转特性与定转子尺寸配比和空间分布关系密切。转子偏转特性主要包括转向力矩的大小和转向范围的大小。根据作用机理不同，转向力矩可以分解为回复力矩和主动转向力矩。主动转向力矩可以通过定子电流进行调控，克服由转子永磁体和定子铁心吸引而产生的回复力矩后，再减去转子运动关节处的摩擦力矩，即为实际输出转向力矩。通过结构参数优化，能够有效提高主动转向力矩及转向范围；另一方面，为降低摩擦力矩的负面影响，应使用摩擦系数尽可能小的关节轴承对转子进行支撑。. 本课题是电气工程学科和能源、交通领域的前沿课题，为基于轮毂电机平台的线控车辆研究提供新思路，研究成果对学科的发展起到积极的促进和推动作用。