摘 要

出于对改善生态环境、解决能源危机的考量，新能源汽车的发展已经成为世界各国的主流共识。而永磁同步电机的功率密度高、转速范围大、体积较小、质量较低、运行比较可靠，基于以上的优点成为了新能源汽车的动力源的主要选择。但是，随着永磁同步电机的普及使用，其带来的振动、噪声问题也引起人们的重视。现在对电机的要求，不只是要高性能，还要有较低的振动、噪声表现，这样才能提升新能源汽车的驾乘体验。因此，本文通过Ansys Maxwell搭建电机模型，利用Simplorer搭建控制电路，研究了电机不同结构参数对其空载启动时的最大输出转矩、转速、振动噪声的影响。

研究结果表明：气隙增大可以降低振动、噪声，但输出转矩降低、转速误差增大；定子齿宽增大电机振动、噪声加剧明显，空载运行时的输出转矩也增大，但转速误差没有明显地改善；增大定子槽开口的宽度会增大电机的振动与噪声，而最大输出转矩变化不大、转速误差略微增大；增大槽肩角也会使电机的振动与噪声增大，输出转矩与转速误差都是先减小再增大。

本文的特色是利用Ansys Simplorer搭建了基于PI调节闭环空间矢量脉宽调制电路与Ansys Maxwell搭建的电机耦合，模拟仿真了不同结构参数对电机空载启动各方面的影响。

关键词：永磁同步电机；联合仿真；振动和噪声

Abstract

In order to improve the ecological environment and solve the energy crisis, the development of new energy vehicles has become the mainstream consensus of all countries in the world. The permanent magnet synchronous motor has the advantages of high power density, large speed range, small volume, low mass and reliable operation. Based on the above advantages, it becomes the main choice of power source for new energy vehicles. However, with the popularization of PMSM, people pay more attention to its vibration and noise. At present, the requirements for electric motors are not only high performance, but also low vibration and noise performance, so as to improve the driving experience of new energy vehicles. Therefore, in this paper, the motor model is built by ANSYS Maxwell, and the control circuit is built by Simplorer. The influence of different structural parameters of the PMSM on its maximum output torque, speed, vibration and noise during no-load starting is studied.

The results show that the increase of air gap can reduce the vibration and noise, but the output torque and speed error increase; the increase of stator tooth width can obviously increase the vibration and noise of the motor, and the output torque also increases when the motor is in no-load operation, but the speed error is not significantly improved; the increase of the width of stator slot opening can increase the vibration and noise of the motor, while the change of the maximum output torque is not significant The speed error increases slightly, and the vibration and noise of the motor increase with the increase of the slot shoulder angle. The output torque and speed error decrease first and then increase.

The characteristic of this paper is to use ANSYS Simplorer to build the coupling circuit between the closed-loop SVPWM circuit based on PI regulation and the motor built by ANSYS Maxwell, and to simulate the influence of different structural parameters on the no-load start of the motor.

Key Words：Permanent Magnet Synchronous Motor；Joint Simulation；Vibration and Noise

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国外电机振动噪声研究现状 2

1.2.2 国内电机振动噪声研究现状 3

1.3 当前研究存在的问题 3

1.4 本文主要研究内容与技术路线 4

第2章 永磁同步电机模型搭建 5

2.1 永磁同步电机数学模型的建立 5

2.1.1 自然坐标系下基本数学模型 5

2.1.2 自然坐标系到同步旋转坐标系转换 6

2.1.3 dq坐标系下的数学模型 8

2.2 永磁同步电机Maxwell模型的建立 9

2.2.1 Maxwell模型建立步骤 10

2.3 本章小结 11

第3章 矢量控制算法的实现与建模 12

3.1 空间矢量脉宽调制的实现 12

3.1.1 空间矢量脉宽调制原理 12

3.1.2 空间矢量脉宽调制简化数学原理 13

3.2 空间矢量脉宽调制在Simplorer中的实现 16

3.2.1 SVPWM的搭建过程 16

3.2.2 闭环控制的实现 20

3.2.3 PI参数设置 21

3.3 本章小结 24

第4章 电机结构参数对电机性能影响的仿真验证 25

4.1 径向电磁力的机理分析 25

4.1.1 气隙磁密的求取 25

4.1.2 径向电磁力的求取 29

4.2 不同结构参数对径向磁力密度的影响 32

4.2.1 联合仿真前的设置 32

4.2.2 不同结构参数对径向电磁力的影响 33

4.2.3 不同结构参数的影响分析 39

4.3 不同参数对电机空载启动影响的综合分析 41

4.4 本章小结 47

第5章 总结与展望 48

5.1 全文总结 48

5.2 工作展望 48

参考文献 49

致 谢 51

第1章 绪论

1.1 课题背景与意义

随着“中国制造2025”的提出，新能源汽车在我国的发展也已提上日程。助力新能源汽车发展有以下几点原因：第一，截至2019年6月，我国机动车保有量已达3.4亿辆，其中汽车有2.5亿辆^[1]，每年私家车消耗的燃油数量较大，而我国的石油资源相对来说并不充足，主要依赖进口，为了能源自给，燃油车退出市场是必然的；第二，我国传统汽车行业发展与国外相比仍显落后，缺乏燃油车的核心部件的专利、技术，而我国电池、电力等技术水平处于前列甚至部分领先，对其发展有较大优势；第三，汽车智能化发展是必然趋势，而辅助驾驶系统、自动驾驶系统需要搭载相当多的耗电器件、传感器来提供智能化的支持，新能源汽车以电力驱动，相比传统燃油车，能更好的搭载这些元件；第四，相对于燃油车的尾气污染，新能源汽车没有内燃机，也就没有尾气排放，而电池报废带来的污染，由于可以进行集中处理，故相对来说污染程度更低也更易于处理。这些条件足够说明新能源汽车的前景光明，也说明了它能为我国带来的巨大效益。

传统燃油机车有“三大件”。新能源汽车同样也有“三大件”分别是电机、电控、电池。电机作为新能源汽车的发动机，无疑是一个重要部件。目前比较常见的可作为新能源汽车驱动的电机主要有四种。其中永磁同步电机采用永磁体励磁，具有高功率密度、起动转矩大、电流小、调速性能好和效率高等优点^[2]。永磁同步电机高起动转矩和效率在乘用车上的应用具有很大的优势。可以降低燃油的消耗。在混动车上应用可以提高燃油经济性，提高续航。