电动车用永磁电动机设计及弱磁控制.pdf

论文作者签名： 指导教师签名： 论文评阅人1 ： 评阅人2 ： 评阅人3 ： 评阅人4 ： 评阅人5 ： 歌岳 答辩委员会主席： 友笾回教援堑江太堂 委员1 ： 墓廷堡副数援土连太堂 委员2 ： 吐亟量数援浙江太堂 委员3 ： 黄瞳抱一副敦援 浙江太堂 委员4 ： 选建堑熬援逝江太堂 委员5 ： 答辩日期： 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得溢鎏盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 上。脚年3 月2 口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘鲎 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盘鎏盘鲎 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：珊乞岳 导师签名： 签字日期：勾l 午年3 月2 0 日 签字日期： 日岁腑 嘭啪沉刈 浙江大学硕士论文 致谢 值此论文即将完成之际，首先向我的硕士研究生导师沈建新教授表示谢意。 论文的选题、研究和论文撰写工作是在沈老师的指导之下得以完成的。沈老师治 学严谨，学识渊博，在学习和生活上对我给予很多的的帮助，使学生受益匪浅。 沈老师锐意创新的工作态度，忘我的工作精神深深影响了我。同时感谢我的副导 师金孟加副教授对本文提出了重要的意见和建议， 初入浙大之时，我有幸得到了中国工程院院士汪檩生教授的指导，并曾参与 过汪院士牵头的科研项目；同时作者也曾聆听过黄进教授、叶云岳教授、赵荣祥 教授和卢琴芬教授等老师的教诲，谨向他们表示衷心的感谢。同时感谢大连布鲁 克电机厂和南浔南远电气袁承厂长在样机加工过程中给予的帮助。 在研究生生活中，我有幸结识了已毕业的博士汪昱、王利利、王灿飞、郝鹤、 纪科辉，已毕业的史丹、王康、王云冲以及在读博士生杨光、李鹏、缪冬敏，同 届学友罗文以及孙伟、李娟、王帅、王宇翔、袁健、周桂煜、李华阳、孙斐然、 黄向前等师弟师妹们，课题的研究得益于他们的支持和帮助。 感谢我的父母，你们的理解和鼓励一直是我前进的动力。 浙江大学硕士论文 基金资助： 本项目由国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 资助( N o 2 0 1 l A A l l A l 0 1 ) 。 T h i sw o r k w a s s u p p o r t e db yT h eN a t i o n a lH i g hT e c h n o l o g yR e s e a r c ha n d D e v e l o p m e n tP r o g r a mo f C h i n a ( 8 6 3P r o g r a m ) ( N o 2 0 1l A A l1 A 1 0 1 ) 浙江大学硕士论文 摘要 作为电动汽车驱动的核心元件之一，驱动电机的性能对电动汽车的运行状况 有着显著的影响，因此设计效率、可靠性高、控制性能好的电机对电动汽车的应 用与发展具十分重要的意义。本文以高功率密度、高效率和宽调速范围为目的设 计了一台电动汽车用永磁电机，并对其弱磁控制作了初步分析。 本文设计的电动汽车电机采用内置式“V ”形转子结构，电机的额定功率为 2 0 k W ，转速为2 0 0 0 r m i n 。本文首先讨论了永磁电机的基本设计方法及主要参数 的选取原则。使用有限元分析软件，设计和优化内置式永磁电机转子槽的结构， 以减小电机运行过程中的齿槽转矩。通过调整永磁体的极间距离的方法，研究了 在该参数对电机的空载反电势以及气隙磁密基波分量的影响，以找到优化的“V ” 形内置式永磁电机设计规律。在永磁电机输出最大转矩的前提下，研究了绕组分 别通入额定电流和两倍的额定电流的情况下，相邻永磁体间距离对电磁转矩和转 矩脉动的影响。通过对电机空载反电势、各相绕组的自感和互感谐波等各种因素 的分析，得到了其对电机转矩脉动的影响。使用A b a q u s 有限元软件对电机额定 转速下的应力场进行分析，确定电机转子冲片最大受力点的位置及转子冲片所产 生的形变量。 弱磁控制是永磁电机作为电动汽车驱动过程中的主要控制策略。本文描述了 电动汽车用永磁电机弱磁调速控制的原理和基本方法，并且针对本文设计的电 机，使用M a t l a b S i m u l i n k 仿真软件设计了其弱磁调速方法，并给出相应仿真结 果，以扩展电机的转速运行范围。 本文实现了样机制造，进行了部分实验，得出了样机的相关参数及实验曲线。 关键词：内置式永磁电机优化设计有限元仿真弱磁控制 I I I 浙江大学硕士论文 A B S T R A C T A so n eo ft h ec o r ec o m p o n e n t so fe l e c t r i cv e h i c l e s ( E V ) ，p e r m a n e n tm a g n e t ( P M ) m o t o rh a v eas i g n i f i c a n ti m p a c to nt h eE V o p e r a t i o np e r f o r m a n c e T h e r e f o r e ，d e s i g n o fh i g h - e f f i c i e n c y , h i g h - r e l i a b i l i t ya n ds u p e r i o r - c o n t r o l l a b i l i t ym o t o r si sr a t h e r i m p o r t a n t I nt h i st h e s i s ，ah i g hp o w e rd e n s i t y , h i g he f f i c i e n c ya n dw i d es p e e dr a n g e P Mm o t o ri sd e s i g n e di nt h i sp a p e r , w h i l s ti t sf i e l d - w e a k e n i n gc o n t r o li si n v e s t i g a t e d F i r s t l y , t h ei n t e r i o rV - s h a p e dr o t o ri su s e di nt h eE VP Mm o t o r , w h i c hh a sar a t e d p o w e ro f2 0 k Wa n dr a t e ds p e e do f2 0 0 0 r m i n T h eb a s i cd e s i g nm e t h o d o l o g ya n dt h e s t r u c t u r es e l e c t i o nc r i t e r i ao ft h eP Mm o t o rm a i na r ep r e s e n t e d W i t hf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ( F E A ) ，o p t i m a ld e s i g no ft h er o t o rs l o t sa r ec a r r i e do u ti no r d e rt or e d u c et h e c o g g i n gt o r q u e I n f l u e n c eo ft h ed i s t a n c eb e t w e e n t h em a g n e tp o l e so nt h ep a r a m e t e r s o fe l e c t r o m o t i v ef o r c e ( E M F ) a n da i rg a pf l u xd e n s i t yi ss t u d i e d ，S Oa st of m do u tt h e d e s i g nr u l e so ft h eV - s h a p e dr o t o rs l o t s M o r e o v e r , t h ei n f l u e n c eo f t h ep o l e sd i s t a n c e o nt h ee l e c t r o m a g n e t i c t o r q u e a n dt o r q u er i p p l ei sa l s o i n v e s t i g a t e dw h e nt h e m a x i m u mt o r q u ep e ra m p e r ei sr e a l i z e da n db o t hr a t e da n dt w ot i m e sr a t e dc u r r e n ta r e f e di nt h ea r m a t u r ew i n d i n g s ，r e s p e c t i v e l y B ya n a l y z i n gt h en o l o a dE M Ft h e w i n d i n gs e l f - i n d u c t a n c ea n dm u t u a l - i n d u c t a n c eh a r m o n i c s ，t h e i ri m p a c to nt h em o t o r t o r q u er i p p l ei sr e v e a l e d F u r t h e r m o r e ，f m i t ee l e m e n ts o f t w a r eA b a q u si su s e dt o a n a l y z et h es t r e s sf i e l dw h e nt h em o t o ri sr u n n i n ga tt h er a t e ds p e e d ，t od e t e r m i n et h e m a x i m u ms t r e s sp o i n t sa n dt h er e s u k a n td e f o r m a t i o no f r o t o rl a m i n a t i o ns t a c k F i e l d - w e a k e n i n gc o n t r o li sam a i ns t r a t e g yf o rE V I nt h i st h e s i s ，M a t l a b S i m u l i n k S O R w a r ei su s e d ，a n dt h ef i e l d - w e a k e n i n gc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e da n ds t u d i e di n o r d e rt oi m p l e m e n ts p e e de x t e n s i o no f t h em o t o r A p r o t o t y p ei sb u i l ta n di t sm e a s u r e dp a r a m e t e r sa n de x p e r i m e n tr e s u l t sa r eg i v e n K e y w o r d s ：I n t e r i o rp e r m a n e n tm o t o r , O p t i m i z a t i o nd e s i g n , F i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n , F l u xw e a k e nC O n t r o l 浙江大学硕士论文 目录 致 射I 摘要I I I A B S T R A C T I V 1 绪论1 1 1 课题的目的和意义1 1 2 国内外电动车用永磁电机的发展一2 1 2 1 国外电动车用永磁电机发展2 1 2 2 国内电动车用永磁电机发展4 1 3 电动车用永磁电机的研究趋势5 1 4 永磁电机弱磁特性的研究7 1 5 课题的研究工作1 0 2 电动车用永磁同步电机的设计与优化一1 2 2 1 永磁电机的形式及结构1 2 2 2 永磁同步电机主要参数的选取1 5 2 3 电动车用内置式永磁同步电机的优化2 0 2 3 1 转子“V ”型槽的优化2 0 2 2 3 不同电流超前角对永磁电机转矩的影响一2 6 2 3 4 不同极间距离对电机转矩脉动的影响一2 8 3 电动车用永磁电机的参数与性能分析3 0 3 1 电动车用永磁电机电磁场的有限元仿真3 0 3 2 电动车用永磁电机转矩脉动分析3 3 3 1 3 电动车用永磁电机直、交轴参数的有限元计算3 5 3 4 电动车用永磁电机的应力场有限元仿真3 7 4 电动车用永磁电机弱磁调速系统仿真一4 1 4 1 永磁电机数学模型及控制方法4 1 I V 浙江大学硕士论文 4 1 1 永磁电机的基本数学模型4 1 4 1 2 永磁电机的基本控制方法4 4 4 2 永磁电机弱磁调速控制4 7 4 3 电动车用永磁电机控制系统仿真5 1 4 4 仿真结果5 7 5 样机加工及实验6 1 6 总结一6 5 参考文献6 6 攻读硕士学位期间发表的论文一7 1 V 浙江大学硕士论文绪论 l 绪论 1 1 课题的目的和意义 近年来，随着全球气候变暖和环境问题的日渐突出，化石类能源诸如石油、 天然气等的日渐枯竭，如何对可循环、低污染的新能源进行开发和利用的，已经 越来越得到人们的重视。而电动汽车作为一种区别于依赖传统石油提供动能的普 通汽车，使用电能作为其驱动能源的现代交通工具，成为了解决日趋严重的资源 危机与环境污染问题的有效途径之一。各国政府、科研院所以及汽车制造厂商 对电动汽车的发展越来越重视，并已经对开发出新型高可靠性、低成本的电动汽 车投入了大量的研究囝。 电驱动系统是整个电动汽车的核心，而驱动电机又作为电驱动系统的核心部 件，其性能对电动汽车的运行状况有着显著的影响，电动车电机的设计已成为电 动汽车领域的一个重要研究方向，设计出高效、高可靠性的电机对电动汽车领域 具十分重要的意义。目前电动汽车的牵引电机形式主要包括永磁同步电机、感应 电动机、开关磁阻电机、无刷直流电机以及直流电机等类型。其中几种主要电动 表1 I几种主要电动汽车电机性能比较 汽车使用的电机形式的类比如表1 1 所示【3 】：永磁电机由于具有较高的功率密度、 体积小、效率高、宽调速范围优势，成为电动车电机的热门研究领域1 4 5 】 6 】 7 1 。 永磁同步电机的设计是使电机达到良好运行状况的重要保障，这要求电机具 有合理的电负荷和磁负荷，从而实现电机的高效运行。永磁电机的设计主要包括 永磁电机结构设计和结构的优化设计两个方面。合理的选择和优化电机主要技术 参数，可以实现电机稳定、高效运行。同时电机运行过程中的机械强度也应该得 到考虑，以确保运行过程中电机自身不会发生损坏。 电动汽车对驱动系统的要求主要有以下几个方面：基速以下驱动系统具有恒 浙江大学硕士论文绪论 转矩特性和较高的过载倍数，能够适应电动汽车在运行过程中出现的快速启动、 爬坡、频繁启动的要求；高于基速运行系统具有较宽范围的恒功率特性和较大的 弱磁扩速比，适应汽车高速运行及超车的要求；在大部分运行范围内效率最优化， 以节约能源【8 1 1 9 。由于汽车相对狭小密闭的空间，其所能携带的电源比较有限， 如何在所能提供的有限的电压等级下实现电机的高速稳定运行，成为电动车驱动 系统设计所应考虑的技术问题。 从2 0 0 1 年起，我国就已经启动了8 6 3 计划节能与新能源汽车重大专项，其 中就包括了车用驱动电机系统集成产业化集成技术的研究。电动汽车的研发已经 上升为国家科技发展战略之一，得到了全社会的重视。也应该看到，我国是稀土 大国，稀土的总储量占到世界稀土总量的8 0 左右，稀土资源非常丰富。因此大 力开发电动车用永磁同步电动机，从而将稀土的资源优势转化为产业优势，增强 我国汽车工业的核心竞争力，对调整产业结构，推动我国经济社会发展，建设资 源节约型、环境友好型社会都具有十分重大的意义。 1 2 国内外电动车用永磁电机的发展 1 2 1 国外电动车用永磁电机发展 电动车用永磁电机由于其优越的性能，世界各国中的主要汽车生产厂商对此 都高度重视，已经陆续推出了多款使用永磁电机驱动的汽车产品并投入生产。 陲缸麓吼板电扳 图1 1P r i u s 电机驱动系统 浙江大学硕士论文 ( a ) P r i u s 2 0 0 3 电机转子冲片图( b ) P r i m 2 0 0 4 电机转子冲片图 图1 2P r i u s 2 0 0 3 与P r i u s 2 0 0 4 转子冲片图 作为较早开展电动汽车研究的国家，日本走在轮式驱动概念电动车的前列。早在 1 9 6 5 年即开展了相关研究，并于1 9 6 7 年成立了日本电动车协会。作为世界上第 一款量产的电动汽车产品一一丰田公司P r i u s 系列产品，已经历经三代产品的开 发，成为电动汽车领域有较大影响力的品牌。这种电动汽车电机的最大输出功率 分别从第一代的3 3 k W ，上升为第二代的5 0 k W ，而目前的P r i u s2 0 1 0 产品的电 机输出功率达到了6 0 k W 。P r i u s 采用了丰田的T H S ( T o y o t aH y b r i dS y s t e m ) 驱动系 统。图1 1 给出了P r i u s 电机驱动系统图片。P r i u s 2 0 0 3 与P r i u s 2 0 0 4 的驱动电 机均采用了永磁电机的形式。其中这两款电机具有相同的定子形式，定子8 极， 4 8 槽，P r i u s2 0 0 4 系列电机将原2 0 0 3 系列的电机定子绕组的并联支路数从2 调 整到1 ；同时丰田公司对2 0 0 3 系列电机，转子冲片进行了调整，转子槽型由原 来的“一”字型调整为“v ”字型。图1 2 给出两种电机的转子冲片对比图【1 0 】【1 1 】【1 2 】。 ( a ) P r i m 2 0 1 0 电机外观图( b ) P r i u s 2 0 1 0 转子冲片图 图1 3 P r i u s2 0 1 0 外观图及其转子冲片图 浙江大学硕士论文绪论 表1 2P r i u s2 0 1 0 相关技术指标 最大输出功率 6 0k W 额定转速 1 3 5 0 0r p m 电机极数匿 逆变器供电电压 2 0 0 _ 6 5 0V 冷却方式水冷 图1 4 C a m r y 2 0 0 7 水磁电机定、转子结构 经过调整后，电机的功率密度、效率均得到了提高，并增强了电机的机械强度。 图1 3 给出了最新的P r i u s2 0 1 0 的电机外观图及其转子冲片图。相关技术指标如 表1 2 所剥1 3 】【1 4 】。丰田公司的C a m r y 2 0 0 7 混合动力汽车同样采用了永磁电机驱 动，转子采用“V ”字型结构，功率密度达到2 5 5 k W k g ，电机结构如图1 4 所 示【1 5 1 。日本电机工程实验室- 9 相关电动汽车制造厂商合作，近年来相继开发出 双层永磁体内置式永磁同步电机。这种转子结构设计增加了电机交轴磁导，使电 机转矩上升了1 0 ，最大效率区增加了1 0 ，电机最大峰值效率可达9 7 以上， 主要运行区域效率可大于9 3 t 1 6 】。 欧美各国也对电动汽车进行了相应的研究。美国S a t C o n 公司的J a m e sH G o l d i e 等人研制了定子双套绕组永磁同步电机，扩大了电机的转速范围，并且提 高了电机直流母线利用率及电机的效率n7 1 。德国第三代奥迪混合动力汽车采用 的驱动系统同样采用了永磁同步电机，这种电机的最大输出功率达3 2 k W ，最大 转速达到1 2 5 0 0r p m 1 8 】。 1 2 2 国内电动车用永磁电机发展 国内从上世纪8 0 年代起逐渐开始了电动汽车的研究。清华大学、哈尔滨工 浙江大学硕士论文绪论 业大学、沈阳工业大学、中科院研究所等研究机构与一汽、二汽以及上海、北 京等地的一些其他生产厂家合作开发电动车辆，其中很多产品都是将永磁电机 作为主驱动电机。一汽红旗牌混合动力轿车采用了哈尔滨工业大学设计的2 0 k W 永磁电机方案；沈阳工业大学稀土永磁电机国家工程中心于2 0 0 3 年研制了一台 并联式混合动力电动汽车用永磁同步电机，这台电机的额定功率为1 5 k W ，机壳 采用水冷的形式，额定转速为2 0 0 0 r p m ，功率密度达到1 0 1 4 k g 每立方米1 1 9 】。其 后，该所又分别研制开发了额定功率为1 8 5 k W 和峰值功率达到9 0 k W 的车用永 磁同步电机2 0 】 2 1 1 ；北京理工大学研发了纯电动车用稀土变磁通直流电机，这种 电机将永磁体材料安装在定子上，同时嵌套了励磁绕组，从而可对电机的气隙磁 场进行调节，这种电机的最大输出功率可达到1 5 0 k W ，电机的效率高达9 3 ， 但其功率质量比偏低。清华大学研制的混合电动车无刷直流电机系统，逆变器电 压为1 2 0 0 V ，电流3 0 0 A ，开关频率达到5 K H z ，电机的功率为1 5 k W ，转速达到 3 0 0 0 r p m l 2 2 1 。 国内各汽车生产企业也纷纷推出了各自的电动车电机驱动的方案，如株洲电 力机车研究所在其进行的8 6 3 计划项目中，开发了燃料电池客车用J D l 3 0 型感 应电动机，这种电机的额定功率为1 0 0 k W ，额定转速1 7 8 0 r p m ，峰值功率为 1 6 0 k W ，最大转矩为8 5 0 N m ；国内参与电动车用永磁电机开发的企业则主要有 上海电驱动、大洋电机等单位口3 1 。总的来看，国内电动车用电机在功率密度、 高效率区范围等方面与国外生产的电动车电机仍存在差距，值得继续研究。 1 3 电动车用永磁电机的研究趋势 相对于传统的电励磁电机，永磁电机，特别是稀土永磁电机机构简单，设计 灵活，体积小，损耗小，具有较高的功率密度及效率，在轻载状况下的节能效果 显著，这些特性，使永磁电机在电动车驱动领域具有广阔的应用前景，成为各国 研制新一代电动汽车的首选方案。目前，车用永磁电机的研究趋势主要体现在以 下几个方面： 1 、电动车用永磁电机转子结构设计 永磁电机的主要特点之一，就是转子结构的多样化，因此转子结构的良好设 计，可以使电机内部磁场合理分布，提高永磁体的利用率和电机的功率密度。转 子磁路结构不同，电机的运行性能、控制系统、制造工艺和适用场合也就不尽相 浙江大学硕士论文绪论 同。目前根据永磁体在永磁电机位置的不同，永磁同步电机的磁路结构一般有面 贴式、内置式和爪极式三种磁路结构。其中表面式永磁电机和爪极永磁同步电机 的制造成本表较低，但表面式永磁电机的弱磁能力比较差。因此，对于采用方波 驱动控制的无刷直流电机( B L D C ) 常为面贴式转子磁路结构；对于采用正弦波 供电的永磁电机( B L A C ) 则常采用内置式转子磁路结构。对于设计良好的电动 汽车用永磁电机，常需要其具有较高的功率密度，同时电机在恒功率区不仅要具 有良好的工作特性；在弱磁区域又要有较大的弱磁范围，这些都对永磁电机转子 结构设计提出了要求1 2 4 1 1 2 5 1 。 2 、电动车用永磁电机的设计、优化 电动汽车电机的设计，往往对电机的输出功率有一定的要求，但鉴于电动车 的空间有限，又要对电机的尺寸进行限制。电动汽车永磁电机的设计，可以仿照 常规电机的设计步骤，在经过主要尺寸计算、磁路计算、绕组设计和电路参数计 算、校核之后，即可初步确定永磁电机的基本设计参数，然后从降低电机的生产 成本，提高电机性能的方面考虑，往往需要对电机的相关参数进行优化设计。目 前，关于永磁电机尺寸的设计和优化已有不少研究成果。参考文献【2 6 】从电机性 能、技术和成本的整体角度，对永磁同步电机的优化设计步骤进行了介绍；文献 2 7 1 针对内置式永磁同步电机，从尺寸、形状和结构三个方面，提出了一种先进 的优化设计方法；H o n s i n g e r 等人对常规的电机尺寸计算公式进行了修正，将槽 满率、铁心内磁密、电密等因素加入到电机输出功率的计算当中 2 8 ；文献 2 9 1 和 3 0 】对电机的主要尺寸关系计算公式所能应用的范围进行了进一步拓展，使电机 的尺寸不再受到电机反电势波形和电流波形必须为正弦条件的限制，可将公式应 用到方波供电的电机设计当中。 3 、永磁电机电感参数的计算 直、交轴电感是电机设计过程中的重要参数，它们的大小和比值对永磁电机 的控制有着重要的作用。直轴电枢反应电抗比交轴电枢反应电抗对电机性能的影 响更加明显，因此减小直轴电枢反应电抗可以明显增加电机的过载能力，但对于 永磁电机恒功率运行时的弱磁扩速能力产生不良的影响。在进行电机交、直轴电 抗计算的同时，还应注意到电机中存在交、直轴磁场相互影响，进而造成“共磁 路”的问题。目前计算电机直、交轴电感参数的方法包括解析法和数值计算法。 浙江大学硕士论文 其中解析法的计算比较简单，但是精度一般；数值计算法有较高的计算精度，但 是计算复杂，需要进行多次仿真和处理，耗时比较长。 一种常规的计算方法是先假设电机的空载反电势、电流及它们之间的夹角， 通过电机的路算结果得到电机的直、交轴电感，然后反推计算永磁电机的气隙磁 密和电流，用以验证最初的假设。这种计算方法考虑了直、交轴磁路间的交互饱 和影响，具有一定的准确性【5 1 。 有限元法是一种具有代表性的计算永磁电机直、交轴电感的数值计算方法， 并且已有较多的研究成果发表【3 1 】【3 2 】【3 3 】【3 4 】【3 5 】【3 6 1 。有限元法计算电机的直、交轴电 感同样需要考虑电机直、交轴磁路相互影响的因素，目前已经提出了不同的应用 于计算电机电感参数的数学模型。新的有限元法计算永磁电机电感参数的方法目 前仍在继续发展当中。 目前对车用永磁电机的研究还涉及到损耗问题的研究、对永磁电机温度场的 研究以及机械应力场的研究等方面。 1 4 永磁电机弱磁特性的研究 电动汽车用永磁同步电机驱动系统，相比于一般的控制系统，具有以下的特 点，在设计时应引起注意： 1 、车用永磁电机需要更大的瞬时电流，能够满足汽车快速启动要求； 2 、车用永磁电机需要更宽的调速范围，电动汽车能够行驶在不同的档位； 3 、车用永磁电机需要更好的电磁兼容性能； 电动汽车所能携带的电池数量有限，因此为了使永磁电机能够得到更宽的调速范 围，通常需要使用弱磁调速技术。永磁同步电机的弱磁调速的实现，可以通过改 变电机结构和寻找更优的控制策略实现。 永磁电机的交、直轴气隙比电励磁电机的气隙大，造成永磁电机的直轴电感 L d 和L q 比电励磁电机的直、交轴电感小。类似于对电动车永磁电机调速的要求， 在低速时，电机有转矩输出能力，要求电机有一定的空载磁链；在高速区域，又 要求电机具有较大的直轴电枢去磁反应和相对较小的空载磁链，形成了对永磁电 机永磁体的互相矛盾的要求3 7 1 。永磁体安装在转子上，不能向电励磁电机那样 调整励磁电流，这些都为永磁电机的弱磁调速造成了困难。 l 、从电机结构角度进行永磁电机的弱磁控制： 浙江大学硕士论文 绪论 从优化电机结构设计的角度来提高电机的弱磁能力得到了国内外学者的广 泛研究，越来越多的适用于弱磁调速的永磁电机转子结构被提出。 哈尔滨工业大学的学者提出了一种通过增加导磁环增加漏磁的方法实现电 机的弱磁调速。电机采用内置永磁体的方式，其原理是随着电机转速的升高，转 子开槽中的导磁模块将逐渐靠近转子表面，降低漏磁回路的磁阻，使得电机的漏 磁增加，达到弱磁的目的。这种使用机械方式进行弱磁的方式，避免了在定子磁 场中施加直轴电流进行弱磁所带来的铜耗增加，及永磁体去磁的危险。仿真结果 表明，采用这种转子结构进行恒功率弱磁范围达到了2 4 3 倍【3 8 1 。同时，也有哈 工大的学者对永磁电机的定子结构加以优化提出了分流齿结构，这种结构在增强 了直轴电枢反应磁场的调节能力的同时，没有影响电机主要转矩输出能力。 华南理工大学的尹华等人从电机设计的角度，提出了采用增加漏磁路的方法 设计电机，从而增加电机直轴电感的方法进行弱磁。这种电机设计方式通过合理 调整永磁体的厚度、优化电机气隙长度等方式，使直轴电感得以增加，提高了永 磁电机的弱磁扩速的能力【3 9 】。 扎分层永磁体电机转子冲片b 分层永磁体电机转子 图1 5 分层式永磁体电机转子冲片及转子 图1 6 分段式永磁体电机转子 浙江大学硕士论文绪论 美国俄亥俄州立大学的学者提出了一种提高永磁电机弱磁能力的新型转子 结构形式。该结构被称为转子外加导磁轭结构，即在面贴式永磁电机的转子外层 上加上导磁材料，并且在相邻永磁材料之间加入非导磁材料，这种设计大大增加 了电机的弱磁扩速能力，其恒功率范围增加到5 6 倍。沈阳工业大学的郭振宏对 这种结构形式的电机进行了研究和进一步改进，使其应用的主轴永磁电动机的恒 功率弱磁范围超过了1 0 倍咖 【4 1 1 。 斯洛文尼亚学者提出了所示结构的永磁电机转子结构形式一永磁体分层结 构形式。图1 5 给出了这种电机的转子冲片以及转子结构。这种永磁电机的转子 形式具有较大的凸极率，利于电机的弱磁调速，这种电机是在常规的内置式永磁 电机的基础上加以改进，制造成本比较低4 2 1 。 分段式永磁电机也是实现电机宽转速范围弱磁控制的方案之一。图1 6 给出 了一种典型的分段式永磁电机结构的相关示意图。研究表明，通过合理地规划隔 磁桥的位置，可以增加这种电机的电感参数值，为电机的弱磁控制创造方便。这 种电机的恒功率弱磁范围达到了1 0 倍 4 3 1 。 2 、从控制算法角度进行永磁同步电机弱磁控制H 4 l 【4 5 】m 】 不同于改变永磁电机的转子结构实现电机的弱磁调速，在控制过程中使用恰 当的控制算法也可以实现永磁电机的弱磁控制。这类算法的控制原理是通过对永 磁电机定子电流进行调节，利用永磁电机的直轴电枢反应磁场削弱电机的永磁体 产生的励磁磁场，以达到弱磁调速的目的。目前国内外许多专家学者对此进行了 相关研究，并已取得一定的研究成果。 自适应弱磁控制算法：美国学者S o z e rY 和T o r r e yDA 针对弱磁过程中产生 的电流调节器饱和现象，提出了自适应弱磁控制算法控制永磁电机。他们将速度 环作为直接模型参考自适应器控制交轴电流；自适应弱磁控制器控制直轴电流。 当电机转速升高至弱磁控制区域时，自适应弱磁控制器输出弱磁电流，达到弱磁 的目的。这种方法可以避免电流环的饱和，但是控制效果受控制系统的模型参数 的影响比较大。 六步电压法：六步电压法是控制控制逆变器三相桥臂的输出电压矢量，进而 调整电机的功率因数角达到对电机气隙磁场进行调节的目的。将电机的定子磁链 与给定磁链进行比较，用来判断电机是否进入恒转矩调速的阶段；将电机实际转 浙江大学硕士论文 绪论 速与给定转速进行比较，判断电机是否进入弱磁调速阶段。这种算法消除了电机 参数对控制系统的影响，但这种控制系统相对复杂。 直接转矩弱磁方法：这种方法可以看做是将永磁同步电机的直接转矩控制方 法与矢量控制方法相结合的方法。通过控制转矩和磁链，采用类似于直接转矩控 制的思想，将电机转矩与转速以数表的形式建立起关联，转速逐渐上升并进入弱 磁区域后，电机的给定磁链下降，同时根据电机转速的大小动态改变电机的给定 转矩，实现永磁电机的弱磁控制。 目前永磁电机的弱磁控制方法仍在不断地丰富和发展当中。 1 5 课题的研究工作 本项课题围绕电动车用永磁同步电动机的基本设计、优化及其弱磁控制系统 开展研究工作。本文设计了一台达到车用永磁电机，对电机的结构进行优化设计， 对该电机进行了深入分析，建立相关调速系统的模型，为车用永磁电机的开发与 应用做了一定的研究工作。 本课题的主要内容包括以下几方面内容： 一、查阅相关资料，了解目前国内外先进的车用永磁电机的发展情况， 对各种产品的性能进行比较；对目前车用永磁电机的研究趋势进行阐述；从电机 设计与控制方法的角度，对比分析目前国内外永磁电机弱磁调速的研究趋势。 二、 介绍了车用永磁电机的相关概念及电机的设计过程，其中包括电机 的结构形式、转子结构设计的选取，电机材料的选取，电机基本参数选取；研究 了转子结构形式、转子相关参数对电机性能的影响，以实现对车用永磁同步电机 的优化设计。 三、确定的电机基本方案，使用有限元软件对永磁电机的相关性能进行 电磁场仿真；使用有限元软件对永磁电机的应力场进行仿真，找到“V ”型内置 式永磁电机转子冲片的最大应力受力点。 四、探讨永磁电机的几种控制方式，对不同的控制方式进行对比分析； 介绍了永磁电机弱磁方法；针对之前设计的电动车用永磁电机，研究了一种内置 式永磁电机弱磁控制方式，并建立了这台电机的弱磁控制仿真模型，介绍了该仿 真模型的各个组成部分，实现了恒功率条件下电机的弱磁调速。 五、本文进行了电动车用内置式永磁电机的样机制造，并且给出了样机的 浙江大学硕士论文 相关参数和电机在几种典型转速下电机空载反电势的实验波形。同时给出了电机 的空载反电势的有限元仿真曲线波形与实际空载反电势实验波形的对比图，以验 证仿真的准确性。 浙江大学硕士论文电动车用永磁同步电机的设计与优化 2 电动车用永磁同步电机的设计与优化 设计良好的永磁电机是电动车能够稳定高效运行的重要保障。永磁电机具有 以下特点：电机的空载磁场是由永磁体励磁产生的，永磁体既作为磁源，又构成 磁路的组成部分；永磁电机取消了常规的电励磁电机所需的励磁绕组、滑环等结 构；永磁电机的结构形式有多种样式，电机转子的形式、尺寸灵活多变。因此永 磁电机的设计与常规的电励磁电机的设计有所不同，应在设计时予以考虑。 2 1 永磁电机的形式及结构 按照永磁电机驱动形式的不同，永磁电机可以分为无刷直流电动机( B L D C ) 与永磁同步交流电机( B L A C ) 两种形式。 无刷直流电机( B L D C ) 的控制思想来源于直流电机控制方法。它用电子换 相装置取代了直流电机的电刷一滑环结构，励磁形式由电励磁改为永磁体励磁。 无刷直流电机具有结构简单，运行可靠、调速性能好等特点。下面以两相导通三 相星型六状态无刷直流电动机为例说明其工作原理。无刷直流电动机控制系统使 用转子位置检测装置检测当前的转子位置，每当电机转子转过6 0 度角度，控制 器即改变一次逆变器的导通状态，相应的相绕组流过电流，与转子磁场相互作用 产生电磁转矩使转子连续旋转。在6 0 度区间内，逆交器的导通状态保持不变， 因而在转子旋转一周的过程中，控制系统使逆变器共六次改变导通状态，从而使 定子产生了一种阶跃性质的旋转磁场，其力矩脉动比较大；永磁同步电机 ( B L A C ) 的思想来源于普通电励磁同步电机的控制思想，定子三相绕组对称分 布，转子励磁磁场由永磁体产生，定转子磁场相互作用使转子旋转。无刷直流电 机与无刷交流电机从电机结构的角度来说是相似的，控制方法有所不同。图2 1 给出了无刷交流电机( B L A C ) 与无刷直流电机( B L D C ) 反电势与电流的波形。 八反电势 打 万V 7 一、 相电流 2 n - 。 万V 7 ( a ) 无刷交流电机( B L A C ) 反电势与相电流波形 1 2 浙江大学硕士论文电动车用永磁同步电机的设计与优化 反电势 n 等警 吾_ 5 nU 7 相电流 l 等 警 j r) 万 7 ( b ) 无刷直流电机( B L D C ) 反电势与相电流波形 图2 1 无刷交流电机( B L A C ) 与无刷直流电机( B L D C ) 反电势与电流波形 无刷交流电机( B L A C ) 与无刷直流电机( B L D C ) 的差别主要体现在如下 几个方面： 1 、定子绕组分布不同 无刷直流电机则通常采用整距、集中绕组。无刷交流电机的定子绕组则通常采用 短距分布绕组的形式，或者是分数槽绕组来减小纹波转矩。 2 、永磁体形状不同 无刷直流电机永磁体主要为瓦片形，气隙磁场呈方波分步；无刷交流电机的气隙 磁场为正弦波分布。 3 、反电势波形不同 如图2 1 所示，无刷直流电机的反电势波形为梯形波，无刷交流电机的反电势波 形为正弦波。 4 、电流波形不同 由于无刷直流电机的气隙磁场波形常被设计成方波，在绕组导通的1 2 0 度电角度 期间，电流波形也为方波；为产生恒定的电磁转矩，无刷交流电机的波形常被设 计为正弦波。 5 、控制方式不同 无刷直流电机采用方波电流产生转矩，只要检测出正确的电机换相点进行换相即 可保证电机的正常运行，因此其控制系统的位置检测通常采用霍尔位置开关；无 刷交流电机需要连续的正弦电流供电，需实时检测转子位置，因此无刷交流电机 系统中的位置检测可以采用旋转变压器或者光电编码器。 永磁电机的转子磁路结构不同，电机的运行性能、控制系统、适用场所也就 各不相同。按照永磁电机转子形式的不同，永磁电机主要分为以下两种形式：面 浙江大学硕士论文 电动车用永磁同步电机的设计与优化 a ) 表面凸出式 b ) 表面插入式 1 永磁体2 转子铁心3 转轴 图2 2 表面式转子磁路结构【5 】 贴式和内置式。图2 2 给出了典型的表面式永磁电机的转子磁路结构，其中包括 表面凸出式和表面插入式两种形式。其中表面插入式永磁电机的磁路不对称，有 较大的凸极率。表面式转子结构的永磁电机制造工艺简单、成本低。 图2 3 给出了两种典型的内置式永磁电机转子磁路结构。内置式转子磁路结 构的不对称性导致这种电机的交、直轴电感不等，将会产生磁阻转矩，提高了电 机的转矩输出能力。按照永磁体充磁方向与旋转方向的关系，其又可分为径向式 和切向式的结构。两种内置式磁路结构电机的直轴电抗差别不大，但随着转子磁 路结构的不同，它们的交轴电感的差别较大，切向式转子磁路电机的交轴电感比 径向式的交轴电感大。径向式转子磁路结构的漏磁系数比较小，在转轴上不需要 进行隔磁场处理，转子冲片机械强度高、不易变形等特点；切向式转子磁路结构 在一个极距下有可能得到更大的磁通，适合于电机极数较多的情况。内置式永磁 电机可以利用这种较高的凸极率的特点，使得电机有较宽的调速范围，增强了电 a ) 内置径向式b ) 内置切向式 1 永磁体2 转子铁心3 0 转轴4 导条 图2 3 内置式转子磁路结构 5 】 机的过载能力。目前还有集中了径向式和切向式两种电机的结构优点而形成的混 1 4 浙江大学硕士论文电动车用永磁同步电机的设计与优化 合式结构，但这种结构电机制造工艺复杂，成本较高。 电动车用永磁电机的应用场合要求电机有较高的功率密度、较轻的重量和较 宽的转速范围和足够的机械强度。综合以上介绍的永磁同步电机的形式和结构， 本文选用内置径向式无刷交流永磁同步电机作为电动车用永磁电机的基本形式。 这种形式的永磁电机可以充分利用电机磁路不对称所产生的磁阻转矩，提高电机 的输出转矩和功率密度；永磁磁链设计得比较低，以便于通过弱磁调速来拓展电 机的转速范围；机械强度高，制造技术成熟；由于极靴的保护，永磁体的抗不可 逆去磁能力比较强。 2 2 永磁同步电机主要参数的选取 永磁电机的性能与其自身的设计参数密切相关。良好的电机设计可以使电动 车用永磁电机能够在高功率密度下稳定高效运行外，还可以较少的使用电机制造 材料，降低生产成本，达到事半功倍的效果。本文设计的永磁电机主要参数设计 包括以下几个方面【5 l 4 7 1 ： 1 电机主要尺寸及主要尺寸比的选取 在电机设计的过程中，电枢铁心的直径和电枢计算长度，即电机的主要尺寸 对电机的性能有着重要影响。一旦主要尺寸得以确定，那么电机的其他相关尺寸 也就被大体确定下来。同时，电机的工作特性、运行特性、重量和价格也就被大 体确定下来。因此，电机主要尺寸的确定，是电机设计过程中重要的第一步。 对于交流电机，电机的主要尺寸表达式为： 一D 2 L g n ：鱼：! ( 1 ) 一= 一 l ， P | o t i p K N , K 如A B 5 其中：D ：定子内径L e t ：铁心计算长度 玎：电机转速：电机计算功率 o t ：计算极弧系数：气隙磁场波形系数 屹：电机绕组系数A ：电机线负荷 B ：气隙磁密最大值 式(