（机械电子工程专业论文）电动车辆新型能量回收电机的研制.pdf

摘要 y 6 8 0 t 1 0 电动车是一种以车载电源为动力、用电机驱动车轮行驶、接近零污染的绿色 交通工具，它的发展对于解决全球性的能源、环境问题具有非常重要的现实意义。 电动车的关键技术是要解决电动车的一次续驶里程问题，这一方面需要发展电池 技术和高功率密度电机，另一方面需要提高能源的使用效率以及电动车在运行过 程中的能量同收。 本课题是以研究电动车辆的能量回收技术为方向，以电动车辆驱动电机的节 能为重点，以新型电机的研究为切入点，通过对一种全新永磁电机的设计、实现， 从而在电机节能技术方面提出了另外一种思路和方法。它是以满足现代电动车对 电动机的要求，具有宽调速范围、低速启动时的大扭矩、高效率以及有能量回馈 功能为目标的一种轮毂式的永磁电机。 本文的第一章讨论了电动车辆的发展、现状以及电动车的能量回收技术，介 绍了电动车中的常用电动机及其发展趋势，根据现代电动车对电机高效、节能的 要求，提出了本课题的研究目的和任务； 第二章提出了一种全新模式的电机，并对这种电机的结构、形式、工作原理 进行了初步探讨； 第三章讨论了这种具有节能意义的新型电机的设计和实现，提出了设计的总 体原则，按照具体的设计步骤列出了详尽的设计内容，并对电机的加工工艺也进 行了描述； 第四章是电机控制器的设计。通过对控制器工作原理和系统构成的分析，详 细讨论了组成控制器的一些功能单元的实现；并对能量回馈部分工作原理进行了 描述； 第五章讨论了电机的数学模型，并对实验构想和实验过程进行了论述； 第六章是总结与展望。通过对前惭段设计工作中的得失进行总结，并对下 一阶段的工作进行展望。 本课题的创新之处在于提出了种全新的多极、多相双凸极永磁电机：转子、 定子采用双凸极结构；转子磁极数为多极( 大于5 0 ) ，定子的励磁电流为多相( 相 位数由磁极数决定) ；转子磁极数与定子齿数不等有差异：永磁磁极采用高性能 稀土永磁材料；电机为外转子内定予的轮毂电机。由于双凸极结构并且极数不等， 使电机在磁阻转矩的基础上迭加了永磁转矩，较大提高电机的输出转爿! 、功率密 度和减小转矩脉动；轮毂式直接驱动，降低了因减速机构带来的能量损耗；定子 齿数的增加可以提高电机在低转速下的工作频率；永磁磁极的极数增加可以减小 磁极的横截面秘，增加磁通密度，有效地减小电机的大小和质量。由丁电机可实 现四象限控制，因此具有再生制动能量回收的功能。 由于这是一种全新设计的电机，本文所作只是初步探索，它在理论和实践上 都有待于进一步的探讨和发展。 关键词：电动车辆新型电机能量回收电机设计 a b s t r a c t t h i ss u b j e c ti s s t u d y i n gw i t ht h ed i r e c t i o no ft h ee n e r g y sr e c o v e r yo fe l e c t r i c v e h i c l e ，r e g a r d i n ge n e r g y c o n s e r v a t i o no f t h em o t o ra st h ef o c a lp o i n t ，a n dt a k i n gt h e r e s e a r c ho fan e w - t y p ee l e c t r i c a lm o t o ra st h ec u t t i n gp o i n t t h r o u g ht h ed e s i g n ， r e a l i z i n go f t h i sk i n do f n e w - t y p ee l e c t r i c a lm o t o l i tp u t sf o r w a r da n o t h e rm e t h o da n d w a y i np o w e r - s a v i n g t e c h n o l o g yo f t h ee l e c t r i c a lm o t o r c h a p t e ro n e i nt h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ed e v e l o p m e n ta n dt h ec u r r e n ts t a t u so f t h e e l e c t r i cv e h i c l e ，a n dt h et e c h n o l o g yo ft h ee n e r g y sr e c o v e r yo fi t i ta l s oi n t r o d u c e d t h ec o m m o nm o t o r si ne l e c t r i cv e h i c l ea n di t sd e v e l o p m e n tt r e n d a c c o r d i n gt ot h e r e q u e s tt h a tt h ee l e c t r i c a lm o t o r i sh i g h e f f i c i e n t ，e n e r g y - c o n s e r v i n gm o t o ri nm o d e m e l e c t r i cv e h i c l e ，i tp u tf o r w a r dt h ep u r p o s ea n dt a s ko f t h i sr e s e a r c hs u b j e c t i nc h a p t e rt w oan o v e le l e c t r i c a lm o t o rw i t hb r a n d - n e wm o d ei sp u tf o r w a r d ，a n d t h es t r u c t u r e ，t h ef o r m ，o p e r a t i o n p r i n c i p l et ot h i sk i n do f m o t o r i sd i s c u s s e d i nc h a p t e rt h r e e t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h i sn e w - t y p ee l e c t r i c a lm o t o rw i t h t h ef u n c t i o no f e n e r g y c o n s e r v a t i o ni sd i s c u s s e d i ni t ，t h eo v e r a l ld e s i g np r i n c i p l ei s p u tf o r w a r d ，t h ed e s i g nc o n t e n t sa r el i s t e di nd e t a i la c c o r d i n gt ot h ec o r r e s p o n d i n g d e s i g np r o c e s s ，a n dt h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t ot h ee l e c t r i c a lm o t o ri sa l s od e s c r i b e d i n t h ee n d c h a p t e r f o u ri so ft h ed e s i g no fe l e c t r o m o t o rc o n t r o l l e r t h r o u g ht h ea n a l y s i so f o p e r a t i o np r i n c i p l ea n ds y s t e m i c c o n s t r u c t i o nt ot h ec o n t r o l l e r , t h er e a l i z a t i o n so f s o m ef u n c t i o nu n i t st h a tf o r m i n gt h ec o n t r o l l e ra r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h em a t h e m a t i c sm o d ea n de m u l a t i o no ft h i sn o v e le l e c t r i c a lm o t o ri sd i s c u s s e di n c h a p t e rf i v e ，t h ei d e aa n dp r o c e s so f e x p e r i m e n t a r ea l s oe x p o u n d e di ni t c h a p t e r 6i sas u m m a r ya n do u t l o o k t h r o u g hs u m m a r i z i n gt h eg a i na n dl o s si n t h ef i r s ts t a g e ，t h em o r ew o r k so fn e x t s t a g ea r ep u tf o r w a r d i na d v a n c e k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，n o v e lm o t o r ，e n e r g yr e c l a i m ，m o t o rd e s i g n 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 随着我国国民经济的迅猛发展，经济水平的迅速提高，由交通运输工具所引 发的能源、环境问题也愈发凸出：交通运输部门的能源消耗约占总能源消耗的四 分之一，由车辆排出的尾气中所含的二氧化碳不仅加重了全球的温室效应，而且 对人民群众的生活和健康产生了不可低估的负面影响。在全球都面临能源与环境 的双重危机之际，如何改善运输车辆的能源使用效率，减少污染物质的排出，已 经成为一个亟待解决的问题。 要从根本上解决这一问题，仅仅通过改善现有内燃机车的性能从而提高燃油 的使用效率和降低污染是远远不够的。如果能用一种清洁能源代替现有的燃油， 它不仅可以提高能源的使用效率，还可以大大降低污染，这样的一种能源就是电 能。随着电动机技术和电力控制技术的发展，将电动机应用于车辆作为驱动系统 已成为可能，因此，开发电动车辆已成为解决上述问题的有效方法。不仅在是世 界上其他国家，而且在我国，电动车辆已经进入了蓬勃发展的时期，电动汽车项 目也成为我国“十五”8 6 3 计划中的重点专项。 1 1 1 电动车 1 1 电动车辆和能量回收 电动车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全 法规等各项要求的车辆。它是由电动机驱动的机动车辆，以电能为能源，通过电 动机将电能转化为机械能，是种零污染的交通工具。这儿所说的电动车包括电 动汽车、电动摩托车和电动自行车。其中，电动汽车还可分为电池电动车、混和 电动车和燃料电池电动车。 跟传统的以燃油为动力的机车相比，电动车具有以下优点1 】 2 1 3 1 ： 1 效率高：可以先比较一下原油转化成汽油和原油转化成电的能量效率： 现在的内燃机效率约为3 8 ，因汽车在市内行驶中有频繁的停车、低速 行驶、等待信号灯等，其最终效率不过1 2 。而电动车无机器空转损失， 电池的8 0 以上的能量可由电动机转为汽车的动力，即使考虑原油的发 电效率、送配电效率、充放电效率等，其最终可得到1 9 左右的能量效 率。 2 环境污染低：电动车在行驶中无废气排出，即使以火力发电来估计，相 浙江大学硕士学位论文 对于常规车辆其废气排出量也会放大幅度减少。并且由于电厂大多建于 远离人口密集的城市，对人类伤害较少，而且电厂是固定不动、集中排 放的，清除各种有害排放物较容易，也已有了相关技术。 3 可使用能源多：因电动车使用2 次电力能源，其不受石油资源的限制， 可利用核能、水力、太阳能等。 4 噪音低：车辆的噪音、振动大小决定于发动机本身和行驶条件。常规车 辆和电动车比较，虽然因汽车行驶而引起的噪音、振动无显著差别，但 由原动机引起的噪音部分电动车占有绝对的优势。 5 低维护保养：电动车除了需定期充电以外，由于它结构简单，不需更换 机油、油泵、汽化器以及消声装置，不需添加冷却水，因此它的同常维 修保养工作极少。 6 安全性好：只要保证蓄电池不漏电就可以安全行车，杜绝了燃油车因油 料燃烧和爆炸的危险。 7 更有利于智能化：特别是在电动汽车上，能够采用先进的电子控制技术， 提高电动汽车的智能化程度。 目前电动车还存在着技术不完善，动力电源( 电池) 的寿命短、储能量小， 一次充电后行驶里程不理想，并且使用成本高的缺点。不过，随着科学技术的发 展，上述限制电动车发展的缺点将会得到较好的解决和改善。 电动车的诸多优点和美好的发展前景，再加上受能源、环境等现实问题的困 扰，使越来越多的国家和企业开始关注于电动车的研究与开发，使这一新型动力 机车能尽快应用于生产与生活的实践中。一些传统的汽车企业，也开始把发展重 点转向纯电动汽车和混和动力汽车。 1 1 2 电动车的发展和国内外现状 电动车的发展以电动汽车的发展为例进行综述【3 】5 】 6 1 【7 1 。 早在2 0 世纪初期，在欧洲和美国的轿车驱动系统上，曾经使用过电力驱动 系统，当时的电动车已取代了昔日的马车和自行车成为主要交通工具。由于电池 等关键技术的困扰，以及燃油车的发展，1 0 0 余年来电动车的发展一直受到限制。 从2 0 世纪8 0 年代末，节能和环保成为世界各国所关注的主要社会问题，同 时随着科学技术的发展，特别是新型高能电池技术的发展，使电动汽车的续驶里 程大大提高，充电时间大大缩短，使电动汽车进入一个新的发展时期，开始进入 实用化阶段。可以预计的是，2 l 世纪将会是一个电动车的时代。 在电动汽车的发展过程中出现过三种不同的技术类型：纯电动汽车、燃料电 池汽车、混和动力汽车。纯电动车以电池为动力，但是目前的电池寿命低、单位 浙江大学硕十学位论文 重量储存的能量太少，因而续驶里程短、使用成本高。现在普遍看好的电池为镍 氢电池，锂离子和锂聚合物电池。这些电池的单位重量储存能量都比铅酸电池多， 性能也都优于铅酸电池。燃料电池汽车( f u e le e l l p o w e r e de l e c t r i cv e h i c l e s ) 实际上是一种使燃料中的化学能转变为电能从而驱动车辆的汽车，排放物只是没 有污染并可再利用的水。由于燃料电池具有能量转化效率高、不污染环境、寿命 长，因此成了电动汽车发展的希望。目前最有望用于汽车的是质子交换膜燃料电 池( p e m f c ) 。燃料电池的发展还有些关键性技术难题需要解决，如催化剂、质子 交换膜、极板等。混合动力汽车也称为复合动力汽车。混合动力汽车是兼顾降低 燃油消耗和减少排放污染两种意义而研制的，也就是说，是向零排放过渡的一种 形式。一般这种车的动力是由一台发动机和一台电动机两套系统组成的，任何一 个系统都可以单独使用，也可以边走边充电。正常行驶时用电动机驱动，当需要 充电或车辆需要瞬间大功率时，发动机即投入运转。由于混合动力汽车是介于内 燃机汽车和电动汽车之间的一种形式，成本比电动汽车要低得多，但技术上比电 动汽车要容易实现得多。它的优点是：内燃机可以工作在油耗低、污染少的最优 工况下；因为有了电池，可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量： 当由电池单独驱动时，可以实现”零”排放；有了内燃机可以十分方便地解决耗能 大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题：可以利用现有的加油站加油， 不必再投资；可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用 寿命，降低成本。复合动力驱动汽车的缺点是：有两套动力，再加上两套动力的 管理控制系统，结构复杂，技术较难，价格较高。 在美国、日本、欧洲等发达国家，电动汽车已进入实用化阶段。高新技术发 展以及政府对汽车排放越来越苛刻的要求，使得各个大公司都投入了大量的人 力、物力和财力进行电动汽车的丌发，先后有多种类型、多种型号的电动汽车投 放市场。表1 1 列出了一些国外汽车厂商所开发的几种电动汽车及其相关技术参 数。 国家美国日本 法国 福特标致一雪铁 电动车通用e v l克莱斯丰田本田e v日产 f o c u s 龙 牙u i i 代勒e p i c p r i u sp 1 u sa 1 t r a f c vp 1 0 6 s a x o 年份 1 9 9 92 0 0 22 0 0 01 9 9 72 0 0 l 4 门轿4 门面5 座轿4 座轿 座位2 座轿车4 座轿车 4 座轿乍 车包车 浙江大学硕+ 学位论文 混合型 混和动 燃料电 力( 发 池系统 类型纯电动纯电动动机+纯电动纯电动 纯电动 ( 蓄电 电动 池+ 燃 机) 料电池) 最高时 8 0 1 7 0 公 1 2 8 k m h1 2 8 k m h8 0m p h7 5m p h 1 9 0 k m h 速m i l e h里 5 5 1 0 0 续驶里9 5 7 5 2 6 0 8 0 - 1 0 0 1 2 8 k mm i l e s ( 8 0 8 5 k m 程 1 3 03 2 0k m 英里 充电) n 1 1 l e s 0 0 3 0 k m ho 一5 00 5 0 k m h 加速性 6 0 m p h的加速时 m p h ( 1 2的加速时 能 小于9 s间：4 9 秒秒)间：8 8 秒 铅酸镍 质子交1 2 v 镍7 2 v 锂2 8 v 锂 1 2 v 镍氢 电池类 换薄膜氢电池电池离子6 v 镍镉电 氨( 2 6电池( 2 4 珏4 燃料电 ( 3 0( 3 8( 1 2 池( 2 0 个) 个)个) 池镍氢个)个)个) 5 5 - 6 小 时6 8 充电时6 - 8 小 小时 6 - 8 小时5 小时 间时 3 相交流 交流感交流感交流永 永磁同 电动机感应电永磁同步 直流他励 世d m磁 机 驱动方前轮驱前轮驱后轮驱 前轮驱 前轮驱动前轮驱动 式动动动 动 3 5 0n m 1 5 0 0 4 0 0 扭矩n m 7 0 0 02 3 0 n m1 2 7 n m r p m ( 电 r p m 动机) 4 浙江大学硕士学位论文 3 3k w 1 0 4 0 4 9k w 动力1 3 7 马力 6 5 k w5 6 0 08 3h p2 0 k w r p m ( 电 ( 6 6 h p ) 动机) 电液制能量回 制动方再生制 动再生收式制 式动 系统动 表1 1 几种国外电动车的技术参数 我国电动汽车的研究始于2 0 世纪6 0 年代，但当时的研究开发都是零散和小 规模的，投入也很少。自1 9 8 0 年开始，我国开始掀起电动汽车的研究高潮，电 动汽车被国家列为“八五”、“九五”科技攻关项目。国内一些科研院所和生产企 业相继开始研究电动汽车，并取得了一些成果。如清华大学研制的1 6 座电动中 巴车，东风汽车公司研制的电动轿车，长江动力公司研制的电动双层大客车等都 具有一定的水平，但与国外先进电动汽车相比还有一定差距，另外国家还建立电 动汽车试验场和示范区，如广东省汕头国家电动汽车示范区。 近几年我国电动汽车的研究开发工作进入了全面发展阶段，电动汽车市场已 初露端倪。为此科技部在“十五”国家8 6 3 计划，特别设立电动汽车重大专项， 选择新一代电动汽车技术作为我国汽车科技创新的主攻方向，力争在电动汽车关 键单元技术、系统集成技术及整车技术上取得重大突破。经过几年的努力，到目 前为止，在整车方面，纯动力电动汽车、混合动力电动汽车、燃料电池汽车功能 样车已经实现：关键零部件，燃料电池发动机已形成系统；高功率镍氢电池、锂 离子电池性能有了较大提高；多能源控制系统以及网络总线方案初步形成。 另外，电动摩托车和电动自行车也得到了较大的发展。特别是电动自行车， 已渐渐走入人们的日常生活，成为一种较为理想的代步工具。 1 1 3 电动车的结构和关键技术i - t 3 1 1 6 1 综合电动摩托车和电动汽车，可以将电动车的结构看成是由以下两部分组 成：电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统。电力驱动及控制系统是电动 汽车的核心，是由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成。驱动力传 动等机械系统包括传动、行驶、转向、制动以及其他工作装置。 电源为电动汽车的驱动电动机提供电能，目前，应用最广泛的电源是铅酸蓄 电池，但是铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢，寿命较短，正逐渐被其 浙江大学硕上学位论文 他蓄电池所取代。正在发展的电源主要有钠硫电池、镍铬电池、锂电池、燃料电 池、飞轮电池等。 驱动电动机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动 车轮和其他工作装置。随着电机技术和电机控制技术的发展，常用的直流电动机 逐渐被直流无刷电动机、开关磁阻电动机和交流异步电动机所取代。 电动机调速控制装置是为电动汽车的变速和方向变换等设置的，其作用是控 制电动机的电压或电流，完成电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。 传动装置的作用是将电动机的驱动转矩传给汽车的驱动轴，如果将驱动电机 直接装在轮毂中，传动装置的多数部件常常可以忽略。行驶装置的作用是将电动 机的驱动力矩通过车轮变成对地面的作用力，驱动车轮行走。转向装置是为实现 汽车的转弯而设置的，由转向机、方向盘、转向机构和转向轮等组成。电动车的 制动装置是为汽车减速或停车而设置的，一般含有电磁制动装置，可以利用驱动 电动机的控制电路实现电动机的发电运行，使减速制动时的能量转换成对蓄电池 充电的电流，从而得到再生利用。其他一些工作装置是工业用电动汽车为完成特 定工作任务而专门设置的。 在电动车的开发应用过程中，需要解决的关键技术有： 电池技术：目前制约电动汽车发展的关键因素是动力蓄电池不理想，主要表 现为蓄电池的比能量、比功率不够大，造成续驶里程不够长；充电时间较长，使 用不方便；使用寿命短，成本高。随着科学技术的发展，现在电动汽车的电池技 术得到了飞速发展，已达到实用化要求。电动汽车用电池的发展大致经历了3 个 阶段。第1 阶段采用铅酸蓄电池。第2 阶段采用的蓄电池有镍镉蓄电池、镍氢蓄 电池、钠硫蓄电池、钠氯化镍蓄电池、锂离子蓄电池、锂聚合物蓄电池、锌空气 蓄电池和铝空气蓄电池等多种蓄电池。第2 代蓄电池的比能量和比功率都比铅酸 蓄电池高，大大提高了电动汽车的动力性能和续驶里程。第3 阶段采用以燃料电 池和飞轮电池为代表的蓄电池。燃料蓄电池是一种将燃料( 氢气或碳氢化合物1 和 氧化剂( 氧气或空气) 的化学能通过电极反应直接转化为电能的发电装置。与普通 蓄电池相比，不需要更换或充电，因而能像发动机一样连续地向外提供能量。1 l 轮蓄电池是2 0 世纪9 0 年代才发展起来的新型电池，用物理方法实现储能。即把 电能转化为飞轮的动能，使用时再将动能转化为电能。另外还有太阳能电池等。 高功率密度驱动电机的研究与开发：电机是电动车的关键部件，要使电动车 具有良好的性能，驱动电机应具有宽的调速范围及高的转速，足够大的启动扭矩， 体积小、质量轻、效率高且有动态制动强和能量回馈的性能。目前电动车所采用 的电动机中，直流电机基本上已被交流电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机所 取代。电动车所采用的电动机正在向大功率、高转速、高效率和小型化方向发展。 驱动技术：电动机的驱动方案有集中驱动、车桥驱动、双电机驱动及轮毂电 浙江火学硕士学位论文 机驱动，其中轮毂电机驱动更有利于实现机电一一体化和现代控制技术。各种驱动 方案实现的关键是实现对驱动电机的调速控制和行驶系统控制。因此，首先要建 立准确适用的数学模型和控制模型，在此基础上研究控制算法，开发控制单元。 能量回收技术：汽车在运行中，特别是在市区运行中，加减速、刹车频繁重 复，这时运动状态的汽车动能无谓地转化为热量等而被废弃，再次启动时又必须 消耗大量能量。因此要提高电动车的续驶里程，除了开发高能电池外，还需要通 过一定方式将电动车在运行过程中自白消耗掉的能量进行回收，这种技术就是能 量回收技术。在电动车上，目前普遍实现的是再生制动能量回馈技术。电动机可 以作为发动机在制动时把车辆的运动能再生为电能回收，通过这一制动再生可节 省能量，并使电动车的一次充电行驶距离增加1 0 2 0 ，但是，由于过充电及急 速充电等问题，使电动机和蓄电池的工作条件变得很复杂，对控制系统也提出了 很高的要求。为解决这些问题，现在多采用机械制动机( 油压) 和再生制动机( 电) 进行权衡性控制的方法，并取得了很好的效果，采用这一再生制动方法的 e v - r a v 4 ( 丰田公司) 的一次充电行驶距离提高了2 0 。 1 2 电动车用电动机 1 2 1 电动车常用电动机嘲 在电动车的不同发展时期采用过不同的电动机：最早采用的是控制性能好和 成本较低的直流电动机。但随着电子技术、机械制造技术和自动控制技术的发展， 交流电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机显示出比直流电动机有更加优越的性 能，这些电动机逐步取代了直流电动机。表1 2 为现代电动汽车所采用的各种电 动机。表1 3 为各种电动机的基本性能比较。 直流直流电动机 r _ 异步电动机一鼠笼式感应电动机 交流唧l 同步电动机r 水磁电动机_ 柰鬟需裂耋襄崭 l 同步磁阳电动机 特种 一r 开关磁阻电动机 一一 l 其他特种电动机 表1 2 电动车常用电动机类型 项目直流电动机感应式电动机永磁式电动机开关磁阻电动机 l 比功率低 r h 高较高 l 峰值效率，8 5 8 9 9 4 9 59 5 9 79 0 浙江大学硕士学位论文 负荷效率， 8 0 8 79 0 9 29 7 8 57 8 8 6 功率因素，8 2 8 59 0 9 36 0 6 5 恒功率区1 ：51 ：2 2 5l ：3 转速范围，r m i n 4 0 0 0 6 0 0 01 2 0 0 0 1 5 0 0 04 0 0 0 1 0 0 0 0 可以 1 5 0 0 0 可靠性一般好优良好 结构的坚同性差好一般优良 电动机外廓大 由 小小 电动机质量大 由 小小 电动机成本， 1 08 1 21 0 1 56 1 0 ( 美元k w ) 控制操作性能最好好好好 一 控制器成本低向高一般 注：只作定性比较 表1 3 各种电动机的基本性能比较 1 2 2 电动车用电机及驱动系统发展近况1 6 1 2 0 世纪8 0 年代前，几乎所有的车辆牵引电机均为直流电机，这是因为直流 牵引电机具有起步加速牵引力大，控制系统较简单等优点。直流电机的缺点是有 机械换向器，当在高速大负载下运行时，换向器表面会产生火花，所以电机的运 转不能太高。由于直流电机的换向器需保养，又不适合高速运转，除小型车外， 目前一般已不采用。 近年来，主要发展了交流异步电机、无刷永磁电机和开关磁阻电机系统。与 直流电机系统相比，其突出优点是体积小，质量轻( 其比质量为0 5 1 o k g k w ) 、 效率高、基本免维护、调速范围广。下面分别进行叙述。 异步电机驱动系统：特点是结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠，低 转矩脉动，低噪声，不需要位置传感器，转速极限高。 异步电机矢量控制调速技术比较成熟，使得异步电机驱动系统具有明显的优 势，较早被应用于电动汽车的驱动系统，目前仍然是电动汽车驱动系统的主流产 品( 尤其在美国) ，但已被其它新型无刷永磁牵引电机驱动系统逐步取代。 最大缺点是驱动电路复杂，成本高：相对永磁电机而言，异步电机效率和功 率密度偏低。 无刷永磁同步电机驱动系统：可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结 构，具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范嗣，发展前景十分广阔，已在 浙江大学硕士学位论文 国内外多种电动车辆中获得应用。 内置式永磁同步电机也称为混合式永磁磁阻电机。该电机在永磁转矩的基础 上迭加了磁阻转矩，磁阻转矩的存在有助于提高电机的过载能力和功率密度，而 且易于弱磁调速，扩大恒功率范围运行。适合用作电动汽车高效、高密度、宽调 速牵引驱动。当前，美国汽车公司在新车型设计中主要采用内置式永磁同步电机。 表面凸出式永磁同步电机也称为永磁转矩电机，相对内置式永磁同步电机而 言，其弱磁调速范围小，功率密度低。该结构电机动态响应快，并可望得到低转 矩脉动，适合用作汽车的电子伺服驱动，如汽车电子动力方向盘的伺服电机。 无位置传感器永磁同步电机驱动系统也是当前永磁同步电机驱动系统研究 的一个热点，将成为永磁同步电机驱动系统的发展趋势之一。 永磁同步电机驱动系统低速时常采用矢量控制，高速时用弱磁控制。 以磁阻电机为代表的新一代电机驱动系统： s r d 开关磁阻电机驱动系统的主要特点是电机结构紧凑牢固，适合于高速运 行，并且驱动电路简单成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高， 而且可以方便地实现四象限控制，很适合电动车辆在各种工况下运行，极具潜力。 最大缺点是转矩脉动大，噪声大；此外，相对永磁电机而言，功率密度和效率偏 低；另一个缺点是要使用位置传感器，增加了结构复杂性，降低了可靠性。因此 无传感器的s r d 也是未来的发展趋势之一。 永磁式开关磁阻电机也称为双凸极永磁电机，可采用圆柱形径向磁场结构、 盘式轴向磁场结构和环形横向磁场结构。该电机在磁阻转矩的基础上迭加了永磁 转矩，永磁转矩的存在有助于提高电机的功率密度和减小转矩脉动，以利于它在 电动车辆驱动系统中应用。 转子磁极分割型混合励磁结构同步电机：具有磁场控制能力，类似直流电机 的低速助磁控制和高速弱磁控制，符合电动车辆牵引电机低速大力矩和恒功率宽 调速的需求。目前该电机的研究处于探索阶段，电机的机理和设计理论有待于进 一步深入研究与完善，具有较强的潜在优势。 另外还有一些新型驱动系统处于研究状态，如：具有磁场控制能力的永磁同 步电机驱动系统；双馈电异步电机驱动系统和双馈电永磁同步电机驱动系统等。 1 2 3 一些新型电动车用电机的介绍 图l - l 是i m r ae u r o p e 公司生产的2 2 0 0 1 2 0 0 0 0 r p m 的高速无刷直流永磁电 机9 1 ，它的主要特点是高可靠性、低能耗、体积小。 浙江大学硕十学位论文 图1 1 i m r ae u r o p e 公司生产的高速无刷直流永磁电机 图1 2 是一种新型的双凸极永磁电机，它是4 相8 6 极的双凸极永磁电机1 0 1 ， 试验机型及参数见图1 3 。 图1 2 p r o p o s e df o u r - p h a s e8 5 一p o l ed s p mm o t o r s t x t m a l 吐m 锄吲幛r ( 咖曩)1 2 1 1 s t a t o r i n d 韩d i 棚n o 自苜( 砌7 5 s t t e kl 。n 呻( m a x )7 5 a i r l 脚k n 鼬佃i m ) 0 4 5 r o t o r i n d 睇棚捌自e ( f m n ) 2 2 n u 岫b “o f t _ l u u m 4 蝴p o l e 枷l 瑚b e f 窖 r o t o r b 埘，m b 盯 6 s t a t e * p 0 1 e m 啡删 2 2 r e , o r p o l e m ( 由弹 2 6 s t a t o r p o l e 如p t h ( 蛳) 1 3 i t o 州e 如p 山删岫 1 0 n u m l ”ro f 伽m 曩 舳2 2 0 r 姗$ p d i p 吣 1 5 0 0 m 蛐m v o l u m e 0 2 x ( 6 x 3 7 x 7 筇 图1 3 e x p e r i m e n t a ld s p mm o t o r 下面介绍的是一种大扭矩、低速的多相永磁无刷电机，它可直接作为电动车 的轮毂电机【l l 】。图1 4 是实物图。 浙江大学硕士学位论文 ( ) # 子( b ) 定子 图1 4 多相无刷电机实物图 图1 5 是部分剖面图，图1 6 是气隙中的磁通图及电机的参数图。 图1 5 电机部分剖面图图 e 蛔f n 咀d h _ l 目e2 嚣f n a x i a li a 蚺：i ，o 赫m p 。_ w 酬吨：3 2 l 瑶 p o l e s ：1 2 p h 趣睹鞋5 n o m i n 蝴v o l 峨1 4 0 v n 啪自口嗣c t , m e e t ：5 a p a b d 印d ：7 5 0r _ p m r a t e d 均“i 3 0 n m 图1 6 气隙磁通及电机参数 浙江大学硕上学位论文 1 3 本课题的研究任务 1 3 1 课题的研究目的 在现代电动车的发展过程中，除了电池技术以外，电动机技术也是一项非常 关键的技术环节。现代电动车对电动机提出的要求是：应具有宽的调速范围及高 的转速，足够大的启动扭矩，体积小、质量轻、效率高且有动态制动强和能量回 馈的性能。 本课题就是以适应这个基本要求为目的，试图设计一种全新结构的电动机模 型。该电机以轮毂电机为形式，属永磁式电机，有较宽的调速范围，在低速时具 有较大扭矩，效率高并且有能量回馈功能，能够在运行过程中将能量进行回收。 该电机可应用于电动汽车，也可应用于电动摩托车和电动自行车。 1 3 2 课题的研究内容 要实现如上所述的一种全新的电动机，所要研究的内容包括如下几个部分 一探讨这种新型电机的工作原理、结构、形式； 二按要求设计电机模型并完成样机加工； 三以功能为要求设计电机驱动器； 四在实验和仿真过程中进一步完善电机功能，以满足最初的设计要求。 1 3 3 课题的研究意义与创新 我们所要研究的是一种适合电动车辆使用的、具有低转速、大扭矩的高效节 能电机，并且具有能量回收的功能。 比较各种电动机的优劣，我们可以发现：高速电机不能直接驱动，需加装减 速机构，从而影响了电机的效率；而低速的直流电机效率低、体积大。异步式的 感应电机和开关磁阻电机都可以方便地实现四象限控制，从而实现再生制动；但 它们相对永磁电机来说，效率和功率密度都偏低。丌关磁阻电动机具有较宽的调 速范围，最大特点是用低起动电流可以获得高的起动转矩，即在1 5 的额定电流 时、即可获得1 0 0 的额定转矩，但它的另一个最大缺点是转矩脉动大，噪声大。 永磁电动机具有高的质量功率，比其他类型的电动机有更高的效率、更大的输出 转矩，电动机的极限转速和制动性能等都优于其他类型的电动机；但是永磁电机 的控制复杂、成本高，并且电机性能受永磁材料性能的影响。 浙江人学硕士学位论文 综合上述电机的一些特点，我们可以得出我们所要设计的电机的基本思路： 要提高电机效率和功率密度、减小电机体积，应采用永磁电机；要提高电机的输 出转矩，转子、定子结构应如同开关磁阻电机；为减少因传动结构消耗的能量， 应采用轮毂电机直接驱动的形式；为解决低速运转时电流频率过低的问题，可以 采用多齿的结构。 因此，本课题的创新之处在于提出了一种全新的多极、多相双凸极永磁电机 形式：转子、定子采用双凸极结构；转子磁极数为多极( 大于5 0 ) ，定予的励磁 电流为多相( 相位数由磁极数决定) ；转子磁极数与定子齿数不等，差异为1 或 2 ；永磁磁极采用高性能稀土永磁材料；电机为外转子内定子的轮毂电机。由于 电机的双凸极结构并且两个极数不等，使电机在磁阻转矩的基础上迭加了永磁转 矩，这不仅有助于提高电机的输出转矩，也有利于电机提高功率密度和减小转矩 脉动。轮毂式直接驱动，降低了因减速机构带来的能量损耗。定子齿数的增加可 以提高电机在低转速下的工作频率；永磁磁极的极数增加可以减小磁极的横截面 积，增加磁通密度，有效地减小永磁电动机的大小和质量。由于电机可实现四象 限控制，因此具有再生制动、能量回收的功能。 浙江大学硕士学位论文 第二章能量回收电机工作原理探讨 2 1 电机的基本结构和形式 首先，在电机驱动方式上，考虑采用轮式直接驱动，因而将电机设计成轮毂 电机的形式。由于采用轮式直接驱动，舍弃了传统的离合器、减速器、传动桥等 机械传动部件，不仅减轻了电动车的自身重量，同时也降低了在传动过程中的机 械损耗，提高了传动效率，并且具有更灵活的行驶驱动特性【1 2 】1 1 3 1o 因此，电机 的结构形式必须适应轮式直接驱动。 电动车发展到现在，永磁电动机由于具有效率高( 达到9 7 ) 、比功率较大 ( 超过1 k w k g ) 、体积小、重量轻等优点，其应用范围越来越广。它采用高磁 能稀土永磁制成，无滑环和励磁绕组以及无励磁铜耗，效率和功率因数都高于异 步电动机。随着永磁材料尤其是稀土磁钢性能的不断提高和价格的降低，特别在 我国，稀土贮量丰富，成本明显低于其他国家，永磁电机的应用前景非常乐观悼j 【”】【1 4 】。有鉴于此，我们拟设计的电机也是一种永磁电机，电机的转子采用高能 稀土永磁材料。 开关磁阻电动机s r m ( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ) 也是一种在电动车上应 用日渐广泛的新型电动机。它的结构比其他任何一种电动机都要简单，它的定子 和转子都是凸极结构，只在电动机的定子上安装有简单的集中励磁绕组，通过定 子电流来励磁。各相磁路的磁阻是随转子位置不同而变化。转子的运转是依靠磁 引力来运行，其转速可以达到1 5 万r p m 。在较宽的转速范围和较宽的转矩范围 内它的效率可以达到8 5 9 3 。转矩一转速特性好，在较宽的转速范围内，转 矩、转速可灵活控制，能实现四象限运行，并且具有较高的起动转矩和低的起动 功率。开关磁阻电机的定子和转子都是由硅钢片叠片而成，定子、转子极数不同， 有多种组合方式。最常见的为四相8 6 结构和三相6 4 结构。三相6 4 的定子上 有6 个凸极，转子上有4 个凸极瞵j 。 综合上述两种电机的优点，现将我们所设计的电动机结构和形式简要描述如 下： 电机为轮毂电机，采用外转子、内定子的形式；定子、转子均为凸极结构： 转子为n 极，定子为n 1 ( 或n 一2 ) 极，n 为偶数，n 尽量大，n 5 0 ：定子用高 磁导率的软磁材料叠片而成，定子的每一极上都有励磁绕组；转子选用高磁能的 稀土永磁材料，转子的相邻两极为异性磁极；定子每一极励磁线圈的电流方向随 定子与相近转子之间相对位置的变化而变化，从而使线圈内部的磁场方向发生变 浙江大学硕士学位论文 化：转子的运转是受磁场的吸引或排斥，每一个磁极总是向磁阻最小的方向运动。 电机的简单剖面图如图2 1 所示。 _ 图2 ，1 新型电机的剖面图 2 2 电机运行的工作原理 现在先来描述一下这种电机运行时的工作原理。 如上所述，电机转子的运转是受相近定子磁场的吸引或排斥而发生作用的， 每一个转子磁极总是向磁阻最小的方向运动；因而，定子每一极励磁线圈的电流 方向总是随定子与相近转子之间相对位置的变化而发生周期性的变化。 为了更好得说明这种电机的运行过程，现将定子、转子的极数予以简化，以 定子转子为9 1 0 极为例进行说明。同时，为了更清楚得表现定子、转子之间的 相互位置关系，以及转子所受相近定子齿部磁场力的作用，特意将圆形状的定子、 转子展开成直线状。图2 2 就是这样一个运动位置关系展开图。 浙江大学硕士学位论文 r w 田_ 可一日爪兀r 曰_ 玎阿 s t 口口口口口口口口口i l 转干 定千 州可_ 曰1 兀几丁盯玎啊1 唧 s 。口口口口口口口曰口ii - “1 丌丌r 盯可可_ 曰1 兀n 酮 ”口口口口口口口口口 ll 一一r 田_ 可可1 1 兀丌丁盯阿 s 口曰口口口口口口口i 。 ”盯可1 1 兀几丁盯可可1 唧 t s 口口口口曰口口曰口ii 一1 兀r 旷可_ 田几兀r 唧 。口口口口口口口口口i 。 附兀几r 曰_ 可1 1 兀丌r 唧 。，口口口口口口口口口ii ”旷可_ 日n 兀r 田_ 可_ 田1 唧 。口曰口口曰口曰口口i w 可_ 兀兀r 曰_ 百可_ 曰1 兀r 盯 s 。口口口口口口口口口ii 图2 29 1 0 极电机运转状态图 在图2 2 中，转子磁极为永磁体，每一极的磁性如图所示，相邻磁极为异性 浙江大学硕士学位论文 磁极。图中，共画出了9 1 0 极电机在运转过程中的9 种状态，s 1 s 9 。s 1 为起 始状态，由于转子与定子之间总是相差一个极数，这时转予1 与定子1 正对，其 余定子、转子之间有位置偏差；s 5 为转子转过一个相邻定子之间距离时的状态， 这时转子1 与定予2 正对；s 9 为转子转过二个相邻定子之间距离时的状态，这 时转子1 与定子3 正对，从下面的说明可以知道，这里正好是定子励磁电流一个 周期的结束状态。 转子的运转是受相近定子的磁场力作用。当某一转子接近某一定子时，转子 磁极受到定子磁场的吸引力作用；当转子偏离该定予时，转子磁极就受到定子磁 场的排斥力作用，同时又受到在运转方向上的下一个定子磁场的吸引力作用；如 此周而复始，转子就会在同一个方向上不断运动，从而实现了电机的运转。由此 可见，转子的运转是受定子的磁场变化作用，而磁场的大小和方向是由定子励磁 电流所决定的，因此定予每一极励磁电流的大小、方向都会随定、转子之间的相 对位置变化而变化。下面就以定子齿1 、2 为例，以正弦波来表示励磁线圈中电 流的方向和大小，画出在不同运转状态下定子励磁电流的变化情况，如图2 t 3 所 示。图中也标明了由电流所决定的磁场方向。 k l 。 】 s l 1 1 、 、? o 。1 科s $ 辅s 7 吖 s 2 s 3 f ，土v t 7 s l 。、， ； ( a ) 定予l 的励磁电流 k l jk i ： 。 【 fnf八 i s 4i s l 9 3 ，重量比功率 1 2k w k g 。 关于供电电源：由于我们所关注的只是电动机的设计，对于电源的要求只是 普通铅酸蓄电池。因为蓄电池输出直流便于控制，也省去了中间的变电环节；同 时也廉价、易得到。电源的选择不影响我们对电机性能的考察。普通蓄电池的电 压为1 2 v