电动车用轮毂直驱式新型外转子永磁电机的研究

In-wheel motor direct-drive is a promising driving mode for electric vehicles, also an important development direction in the future. The proper type drive motor with excellent performance is the key to ensure good power and operational performance for electric vehicles. For the existing direct-drive motors, there are still some deficiencies or unsolved problems in the aspects of high efficiency, high power density, the balance of low speed high torque and wide speed range, etc. In view of above, the applicant proposed a novel in-wheel direct-drive outer-rotor permanent magnet motor for electric vehicles. The efficiency and power density can be improved by adopting novel structures and new technologies, such as radial-axial hybrid magnetic circuit, integrated bended winding, radial outer-rotor interior composite-pole, axial outer-rotor asymmetrical two-way skewed pole, and embedded water cooling technique, which also can improve the ability of high torque output at low speed and expand the high speed range. This project will focus on the electromagnetic structure design rule of the motor, discuss the accurate calculation method of electromagnetic properties and parameters, carry on 3-D electromagnetic field analysis and multi-field coupling analysis, implement mechanical and electrical integrated simulation of the motor system, and explore the all-round performance evaluation methods and optimal strategies. The aim is to construct a design theoretical system for this novel permanent magnet motor, develop an experimental prototype and lay a foundation for application.

轮毂直驱是极具发展潜力的一种电动汽车驱动方式，也是未来电动汽车的重要发展方向。类型合适、性能优异的驱动电机是确保电动汽车良好动力性能的关键，而现有车用轮毂直驱式电机在高效、高功率密度、兼顾低速大转矩和宽调速范围等方面，仍存在不足或尚未解决的问题。鉴于此，申请者提出一种轮毂直驱式新型外转子永磁电机。电机采用径向-轴向混合磁路、一体化弯折式绕组、磁通可调的径向外转子内置复合磁极、轴向外转子双向不对称斜极、内嵌式定子水冷等结构和技术，提升电机效率和功率密度，提高低速大转矩输出能力，改善高速弱磁性能。项目重点研究其电磁与结构设计规律，电磁特性和参数的准确计算方法，三维电磁场分析及多物理场耦合分析，机电一体化性能仿真，综合性能评估与优化等关键技术。旨在建立和完善这种新型永磁电机的设计理论体系，研制工程样机，奠定应用基础。

在轮毂直驱式电机系统中，由于直驱电机转速较低，而且没有齿轮机构来调节转速和增加转矩，因此对电动机性能的要求也更高。已有研究大多集中侧重于提高轮毂直驱电机的效率、功率密度，或改善低转速区动态特性，而对兼顾其低速大转矩与宽调速范围的综合性能方面，未给予足够的重视和全面的考虑。为扩展永磁电机高速运行范围，也亟需寻找有效和可靠的方法来改善电机的弱磁扩速性能。.本项目围绕电动汽车轮毂电机驱动系统的性能问题展开研究，主要工作包括：1、电动汽车轮毂驱动电机选型及结构方案探讨。提出了基于“记忆电机”思想的外转子轮毂直驱式永磁同步电机方案，针对该电机的特殊性能及工况要求，进行了理论设计和仿真研究。重点研究了混合磁路、内置复合磁极结构的组合方式，建立了各种工况下的电机等效磁路模型，分析了电机极槽配合与斜极结构对齿槽转矩的抑制效果，进行了电机热分析和温度场计算。2、永磁同步电机低速运行下无传感器控制方法研究。提出基于脉振高频电压注入和锁相环技术的无传感器控制策略，仿真论证了此方法的可行性；提出基于以PWM周期注入方波高频电压信号的永磁同步电动机无位置传感器矢量控制方法，克服脉振高频电压法给系统造成的带宽限制和相位滞后，仿真和实验论证了该方法的有效性。3、外转子永磁轮毂电机样机研制。制作了1kW，8极36槽的外转子复合磁极永磁同步电机，对其空载性能、去磁和重新磁化特性进行了实验，测试数据与理论和仿真结果基本一致。.通过本项目的研究，提出了外转子混合磁路、复合磁极永磁同步电机的新结构，总结了轮毂直驱式新型外转子永磁电机的设计理论，提出了针对永磁电机低速区运行问题的无位置传感器矢量控制方法，制作了样机并通过实验测试论证了方案的合理性，为工程应用奠定了基础。