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作品名称：“磁智驱”——基于仿真优化的稀土永磁电机智能设计
学校名称：山东理工大学
参赛队伍：智驱未来队
队伍编号：222862
参赛学生：谢梓晗贾雯舒吕世浩
指导老师：高军刘锋
投票日期：2025年10月10日 00:00->2025年12月15日 00:00
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详细说明

“磁智驱”——基于仿真优化的稀土永磁电机智能设计

一、项目背景与意义

在全球新能源汽车产业迅猛发展的浪潮下，驱动电机作为核心动力部件，其性能优劣与成本高低直接关系到整车的市场竞争力。稀土永磁同步电机凭借其高效率、高功率密度以及结构紧凑等优点，已成为市场的主流选择，据2024年数据显示，其在国内新能源汽车中的装机占比高达91.4%。然而，稀土材料价格昂贵且供应不稳定，成为制约其大规模应用的关键瓶颈。因此，本项目“磁智驱”致力于通过智能仿真设计，在保障并提升电机性能的同时，显著降低生产成本，对推动新能源汽车技术普及与产业链健康发展具有重要的工程意义和产业价值。

二、核心设计原理与方案

本项目采用了一种多学科融合的设计思路，将电磁场有限元分析与智能控制算法深度结合，系统性地对电机进行了优化。

1.
电磁结构优化：
- •
  转子创新：重点研究了转子偏心距对电机性能的影响规律，通过建立非均匀气隙模型，优化了转子磁极结构。这种设计能有效改善气隙磁场的正弦性，从而提升性能。
- •
  定子优化：采用了谐波含量更低的分数槽定子结构，该设计有助于减少定子铁耗和涡流损耗，为进一步提升效率和控制齿槽转矩奠定了基础。
2.
控制系统设计：
- •
  在控制层面，创新性地引入了负载分段式双闭环PI控制算法。该算法通过外环速度环和内环电流环的协同工作，实现了对电机转速和转矩的精确、快速控制，显著增强了系统在不同负载工况下的动态响应能力和运行稳定性。

三、仿真分析与性能成果

基于Ansoft等专业仿真平台，项目构建了精确的电机模型并进行了全面的性能验证。仿真结果充分证明了优化设计的有效性：

•
振动噪声显著降低：优化后的电机峰值齿槽转矩从均匀气隙的1.12 N·m大幅降低至0.6 N·m，降幅约46%，这意味着电机运行时的振动和噪声将得到极大改善。
•
高速性能突破：弱磁扩速能力得到显著提升，拓宽了电机的高效恒功率运行区间，更好地满足了电动汽车高速巡航的需求。
•
成本控制成效斐然：最为关键的是，在实现上述性能提升的同时，通过结构优化，成功将永磁体的使用量减少了约15%，直接带来了可观的材料成本节约。

四、主要创新特色

1.
结构-控制一体化设计：打破了传统设计中结构与控制相割裂的模式，将转子偏心距、定子槽配比等电磁优化与先进控制策略深度融合，实现了系统级的性能最优。
2.
非均匀气隙模型的深度应用：系统性地研究并量化了非均匀气隙（通过偏心距表征）对齿槽转矩、弱磁扩速等关键性能指标的影响规律，为精准设计提供了理论依据。
3.
面向工程应用的仿真验证：完整的有限元仿真与控制系统联合仿真流程，确保了设计成果的可实现性与可靠性，为后续产品化打下了坚实基础。

五、发展前景与应用价值

本项目成果高度契合当前新能源汽车产业对“低成本、高性能”驱动系统的迫切需求。随着国家层面推动新能源汽车与稀土材料上下游产业协同发展合作机制的建立，永磁同步电机的技术发展和市场应用将迎来新的机遇期。本设计不仅适用于新能源汽车领域，在空调压缩机、电梯曳引机等广泛使用永磁电机的工业领域同样具有巨大的推广潜力，为推动我国高端制造业的节能降耗与技术进步提供了可行的解决方案。

“磁智驱”——基于仿真优化的稀土永磁电机智能设计

一、 项目背景与意义

二、 核心设计原理与方案

三、 仿真分析与性能成果

四、 主要创新特色

五、 发展前景与应用价值

一、项目背景与意义

二、核心设计原理与方案

三、仿真分析与性能成果

四、主要创新特色

五、发展前景与应用价值