（电力电子与电力传动专业论文）1210六相开关磁阻起动发电机与内燃机匹配及起动性能研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e c a u s eo fi t se x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c so fs i m p l ea n df i r ms t r u c t u r e ，l o wc o s t ， h i g he n e r g yd e n s i t y , p r o d u c i n gh i g ht o r q u ew h e ns p e e di sl o w , e t c ，s w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) h a sb e e nw i d e l ya p p l i e di ns t a r t e r g e n e r a t o r ( s g ) s y s t e mf o ra v i a t i o na n da u t o m o b i l ef i e l d a sa ni m p o r t a n tp a r to fi s a ds y s t e m ， t h es t a r t i n gp e r f o r m a n c eo fs r mh a sb e e nf u l l ys t u d i e d b a s e d o nf i n i t e e l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，t h en e wt y p e1 2 10s r mi sf u l l ys t u d i e di nt h i sp a p e l i nt h i sp a p e r t h eb a s i ct h e o r yo fs r mi sd i s c u s s e d ，t h ed e s i g no ft h e s t r u c t u r ep a r a m e t e r so f1 2 1 0s r mi sp r e s e n t ；b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e p o w e bt h et o r s i o nf o r c ea n dt h ew h o l er e s i s t a n c eo ft h ei n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e ，t h em a t c h i n go fs r m t ot h ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ei ss t u d i e d ；b a s e d o nt h es t a r t i n gp e r f o r m a n c e ( t h ew h o l er e s i s t a n c ei ns t a r t i n gs t a t e ) o ft h e i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ，t h es t a t i ca n dt h ed y n a m i cs t a t e s ( t h es t a t i cs t a t ei s w h e nt h em o t o ri si nz e r os t a t ea n dt h ed y n a m i cs t a t ei st h es t a r t i n gp e r f o r m a n c e o ft h em o t o rw i t hf i x e dt u r n o na n g l ea n dd i f f e r e n tt u r n - o f fa n g l e s ) o f1 2 1 0s r m i sf u l l ys t u d i e d ，w h i c hi sb a s e do nt h em o t o rd e s i g ns o f t w a r en a m e da n s o f t , m e a n w h i l et h es t a r t i n gp e r f o r m a n c eo f8 6s r m i ss t u d i e df o rc o m p a r i s o n ；t h e i n f l u e n c eo fa i rg a po ns r mi sf u l l ys t u d i e d ，t h ee l e c t r o m a g n e t i ca n dt h e t e m p e r a t u r ef i e l do fs r m i sp r i m a r i l yd i s c u s s e da n dt h es t a r t i n gp e r f o r m a n c eo f d i f f e r e n ts t r u c t u r e so fs r ma r es t u d i e di nc o m p a r i s o n ；t h ee x p e r i m e n tp l a t f o r m i ss e tu p ，w h i c hi ss t u d i e do nt h es t a r t i n gp e r f o r m a n c eo f1 2 1 0s r m i n1 2a n d 1 3t u r n - o np e r i o d s k e y w o r d s ：s w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) ，1 2 1 0s r mw i t hs i x p h a s e s ，s t a r t i n gp e r f o r m a n c e ，a n s o f t , f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ( f e m ) 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密囹，在童年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：许参匆 导师签名： 签字日期访矿；年占月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字目期：少占年多月日 电话： 邮编： 独创性声明 本入郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承搀。 学位论文作者签名： 圈期：年胃尽 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 引言 本章将首先介绍车用混合动力系统技术极其研究现状，然后在此基础上提出 本课题的研究意义和方案选择的理由。 1 1 混合动力系统概况 由于全球燃油价格的持续攀升，2 0 0 5 年初，随着丰田p r i u s 新型混合动力轿 车即将投放中国市场的号角吹响之后，骤然间国内各个汽车制造商掀起了研制开 发混合动力轿车的热潮。目前国内厂商如长安、上汽( 与通用共同研发) 、华普 一 ( 与上海交通大学共同研发) 已经开发出了样车，预计在2 0 0 8 年批量生产。 所谓混合动力装置就是将发动机与辅助动力单元组合在一辆汽车上做驱动 力，辅助动力单元实际上是一台小型燃料发动机或动力发电机组。形象一点说， 就是将传统发动机尽量做小，让一部分动力由电池一电动机系统承担。这种混合 动力装置既发挥了发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又可以发挥电动机 无污染、低噪声的好处，二者“并肩战斗一，取长补短，汽车的热效率可提高 1 0 以上，废气排放可改善3 0 以上。 混合动力汽车按照能量合成的形式主要分为串联式( s h e v ) 和并联式 ( p h e v ) 两种。 ( 1 ) 串联式动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成，它们之 间用串联的方式组成s h e v 的动力单元系统。负荷小时由电池驱动电动机带动车 轮转动，负荷大时则由发动机带动发电机发电驱动电动机。当电动车处在如起动、 加速、爬坡的工况时，发动机一电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当电 动车处低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，由发动机一发电机 组向电池组充电。这种串联式电动车不管在什么工况下，最终都要由电动机来驱 动车轮。例如福特“新能级- - 2 0 1 0 s h e v ，其电池采用燃料电池，在城市市区 行驶时全部由燃料电池驱动电动机电动机通过减速器( 变速器) 和驱动桥驱动 车轮，达到了“零排放 要求。当高速及爬坡时，则由发动机一电动机组和燃料 电池组共同向电动机供电，驱动车轮。 串联式结构适用于城市内频繁起停和低速运行的工况，可以将发动机调整在 江苏大学硕士学位论文 最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目 的。使发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了 废气排放。但是它的缺点是能量几经转换，机械效率较低。 ( 2 ) 并联式装置的发动机和电动机以机械能叠加的方式驱动汽车，发动机 与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩，在不同的路面 上既可以共同驱动又可以单独驱动。电动机既可以作电动机又可以作发电机使 用，又稼为电动一发电机组。例如大众汽车公司的高尔夫p h e v ，发动机通过离 合器l 带动电动一发电机，输出扭矩再通过另一边离合器2 驱动车辆行驶。静止 启动时，电池向电动一发电机供电，此时电动一发电机就是发动机的起动机。发 动机扁动后，发动机一方西作茭车辆单独的动力源驱动车轮，另一方匠又带动电 动一发电机发电向电池充电，此时与传统汽车一样。在市区行驶时，发动机关闭， 离合器l 脱开，离合器2 接合，电池作为唯一能源向电动机供电，由电动机取代 发动机驱动车轮。当电动车需要高速或高负荷时，发动机启动离合器王闭合，发 动机与电动一发电机系统组成复合驱动形式，以最大功率驱动车辆。由于没有单 独的发电机，发动机可以赢接通过传动机构驱动车轮，这种装置更接近传统的汽 车驱动系统，机械效率损耗与普通汽车蓑不多，得到眈较广泛的应用。 国内钋对混合动力汽车的发展前景直存在比较激烈的争论。混合动力汽车 的省油是毋庸质疑的，根据丰田的测试，p r i u s 在城市工况下比同等排量的花冠 轿车节油4 4 编，在市郊节油2 9 孺，综合节油4 0 潞。但是由于混合动力汽车 使用了两套动力系统，其成本必然比同类的非混合动力汽车高，又由予两套系统 使得其重量增加，其在高速无怠工的情况下又会加大动力系统的负担，致使功耗 加大。因此有不少汽车制造商如通用、大众等，认为混合动力汽车只是燃料电车 的过渡产品。僵不可否认的是由予燃料电涟技术的制约，混合动力汽车是在冒前 能源价格持续攀升的背景下解决能耗问题的最好办法，而且由于省油，混合动力 汽车的排放污染也相应减少。 在混合动力技术中，体化起动发电枫系统 王s 轰d ( 王n t e g r a 专e ds t a r t e r a l t e r n a t o rd a m p e r ) 技术或i s a ( i n t e g r a t e ds t a r t e ra 1 t e r n a t o r ) ) 技术是实现 混合动力汽车的核心技术之一。 2 江苏大学硕士学位论五 1 2i s a d 系统概况 i s a d ，如名该技术将起动、发电功能合二为一，紧密结合，能实现起一停、 制动发电、动力辅助等多项功能，因而成为汽车制造商用于解决能源危机、减少 机车排放的重要技术之一。 i s a d 系统由电机、电子器件、功率器件、高容量电容器及高功率密度蓄电 池组成0 1 。 i s a d 是4 2 v 系统中的一个热点。之所以整合汽车的起动电机和发电机成为 一个一体的取用途电机，是因为汽车内电器的功率要求。一般家用汽车的起动 电机功率在3 k w 左右，而发电机功率在l k w ，但随着汽车内电器的日益增多， 发电机功率将在不久的将来达到3 k w 的水平。因此使一体化成为可能。另外， 由于起动与发电是两个相互独立的过程，因而如将这两种电机一体化，材料利用 率将提高，前机盖f 的可利用空间也将可提高。不仅如此，传统发电机的效率很 低，大约为5 0 9 6 到6 0 。而一体化电机在发电机状态，其效率可达8 0 ”3 。 另外，这一技术可以实现发动机的起停控制，提高燃油效率。就是说，当汽 车在交通灯前停止时，关闭发动机。在起动时，先由起动电机带动发动机达到一 定转速，再给发动机点火。由于发动机在从零转速达到额定的加速过程中是燃油 效率撮低，燃烧最不充分的，因而，采取这一措施会提高燃油效率并降低污染“。 i s a d 的另一个特点是可再生制动。即在制动过程中，将机械能转化为电能 给蓄电池充电，从而提高发动机效率。 图l1 显示了这一新型电机与发动机的机械耦合( 同轴耦合) 。 图11 一体化起动发电机( i s a ) 与发动机 这一设计的主要挑战来自两个方面。一方面是电机设计。一方面是功率驱动 及控制。 3 江苏大学硕士学位论文 在电机设计上，首先的问题是选用何种电机。众所周知，电机的设计要么基 于电动机运行，要么基于发电机运行。要折衷设计出一个电机来完成电动与发电 功能，优化设计是关键。当前主要有圜种电机可作为候选： 第一种是永磁无刷直流机。它的优点是单位体积输出功率高、体积小、起动 转矩大。其问题一是转矩脉动；= 是需要较贵的位置传感器；三是永磁材料成本 高，且在短路或重载运行时会去磁。 第二静电机是异步机。它的优点是结构篱单、维护蔼便、控制技术成熟。 缺点是体积大，恒功率调速范围窄，而且起动电流大，因而对逆变器功率元件要 求较高。 第三种电机是永磁同步电机。它的特点是控制灵活、调速范围宽、力矩波动 小。缺点一是永磁材料会在重载下去磁；二是驱动控制系统成本离。 最后一种电机是开关磁阻电机( s r m ) 。优点是高速性能优越、结构简单、相 间耦合小、可以缺相运行。缺点是噪音离、驱动电路特殊、成本高。在本项目中 我们将采用一种薪型的1 2 1 0s r m ，主要有以下凡点考虑： 1 ) 电机的凸极结构使得高转速成为可能。 2 ) 电机的控制策略简单。 3 电机的运行安全置可靠。 4 ) 制作成本低。 5 ) 电机在低的转速下有高的转矩峰值。 6 ) 电机有很宽的转速范围和良好的低速高转矩性能特别适合单齿轮齿数比。 7 ) 国际国内研究多褶s r m 的并不多。 8 ) 采用多相电机以提高输出功率。 9 ) 本项目的合作方南京航空航天大学在s r m 方谢有比较强的科研实力。 从当前的应用现状看，日本汽车厂家多采用永磁无刷直流机；大部份美国厂 家选用异步机；瑟在欧洲，蘸群毫视都有应用。当然，另外两种电机也处于很活 跃的试验研究阶段。最终的电机选择将依赖于功率等级、电机及驱动电路的成本， 电机与发动机的耦台方式，以及系统性能的全面考虑。 4 江苏大学硕士学位论文 1 3 课题背景 为维护我国能源安全，改善大气环境，提高我国汽车工业的竞争力，科技部 在“十五 国家8 6 3 计划中，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，组织企业、高等院校和科研机构，以 官、产、学、研四位一体的方式，联合攻关。计划在“十五 期间，以电动汽 车的产业化技术平台为工作重点，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，促进符合现代企业制度和市场经济发展要求的研发 体系和机制的形成。 混合动力电动汽车技术包括整车开发及其整车匹配标定技术，内燃机、传动 装置及其控制系统技术；以及电池系统、电机驱动系统和整车多能源动力总成控 制系统等各种电动汽车都具有的共性技术。 整车开发的主要研究内容包括：确定整车总体方案，确定整车的控制策略， 分解对各系统的要求；研究混合动力电动汽车最佳机电耦合方案，包括串联、并 联、混联和i s a i s g 技术；研制能满足系统要求的发动机、电动机发电机、变 速器等总成及控制器；通盘考虑整车信息和控制网络，研发网络化车辆控制器和 总线系统，建立整车运行传感和反应体系，保证整车性能指标；整车制动回馈系 统的研究；建立混合动力整车测试技术标准和评估体系；整车的匹配标定；车体 轻量化研究与设计，t 整车的集成与综合控制；整车、系统、总成及关键零部件的 试验与评估；整车的示范试验及定型。 江苏大学和南京航空航天大学近年来也开展了i s a d 系统的理论研究，特别 是南京航空航天大学研制的航空用开关磁阻起动发电机获得了航空航天总公司 科技进步二等奖。 一汽集团无锡柴油机厂，主要生产和一汽配套的柴油机发动机，该企业瞄准 国外汽车工业的最新发展动向，认为i s a d 技术在柴油机发动机的应用上将有很 大的发展前景，并向江苏大学提出了合作开发i s a d 系统的意向，双方于2 0 0 2 年7 月1 5 日进行了初步的洽谈，一致认为，汽车i s a d 技术的发展，对于汽车 和发动机技术的提升和发展将产生较大影响，特别对提高柴油机发动机低速时的 扭矩，改善发动机的动力性能有较大的作用，对该项技术进行立项研究和开发形 成共识，双方于2 0 0 2 年8 月5 日正式签订了柴油机i s a d 系统的开发研究项目 5 江苏大学硕士学位论文 的协议。 本课题组与南京航空航天大学s r m 课题组有着长期的合作，已在s r m 系 统理论和实践方面打下了良好的基础，并对国际上s rs g 系统方面的先进前沿 技术有着紧密的跟踪。在对汽车机械结构与原理有着深入的研究基础上，进行了 基于s r m 的i s a d 系统设计，共同研究和开发新型s rs g 产品通过了s r m 理 论与实际研究以进一步推动s r m 的广泛应用。 本课题研究的晷的是研究s r 起动发电系统，不仅可以解决i s a d 系统的设 计，实现电动与发电的合二为一，从根本上克服目前汽车上独立的起动、发电两 个系统的种种弊端，进一步完善了汽车i s a d 技术，为进一步产品化打下基础， 一个灵活、高效的车用i s a d 系统，可为缓解我国燃油汽车的高排放、低燃油经 济性问题，为建立我国拥有自主知识产权的汽车工业助上一臂之力。 1 4i s a d 的研究动向 1 4 1 混合动力汽车系统的研究动向 由于现代汽车对电气设备的追求趋予多样化和复杂花，对混合动力汽车的电 气系统的研究将呈现以下趋势： 1 ) 由于驱动电机和负载功率的增加，电力需求越来越高，相关的研究成为热 占 ， 2 ) 在检测信号上的通讯技术也是研究的热点； 3 ) 汽车系统的可靠性和安全性研究，知电磁制动，电动劲力转向等研究； 4 ) 更加高效的能量利用； 5 ) 更加少的排放。 1 4 2 开关磁阻电机的研究动向 由予微电子技术、电力电子技术、控制理论等多门学科发展，s r m 研究近年 采出现一些薪的动向： 1 ) 开关磁阻电机的震动、噪音研究； 2 ) 开关磁阻电机的无位置传感技术研究； 3 ) 现代控制理论在开关磁阻电机里的应用研究； 6 江苏大学硕士学位论文 4 ) 开关磁阻电机的特殊应用。 1 5 本论文的主要研究内容 本论文以六相1 2 1 0s r m 用作i s a d 系统起动助力发电机的原理和设计 为主要内容。首先对i s a d 系统的发展背景和方向作了简要描述，然后结合课题 要求对i s a d 系统电机的选型作了简要介绍，提出了一种新型的大功率1 2 1 0 s r m 作为i s a d 系统电机。在课题组所积累的研究基础上，对该电机在起动的 动态性能进行了仔细的研究，并与传统的8 6s r m 的起动性能作了比较，之后 结合实验台做了电机的起动实验。实验结果表明，我们所选的电机具有大功率、 及时的速度响应和足够大的起动转矩，该电机的性能符合本课题在电机起动性能 上的要求。本论文分章如下： 、 第一章绪论。介绍了国内外车用i s a d 系统研究的最新情况和i s a d 系统 的基本概念，之后介绍了本课题组在s r m 用于i s a d 系统研究背 景及研究情况； 第二章s r m 的基本理论。本章介绍了s r m 的基本理论知识，并给出了 1 2 1 0s r m 基本电磁参数的设计； 第三章内燃机要求与s r m 的匹配。本章介绍了本课题电机的动力辅助对 象c a s l l 0 z l 柴油机的各项性能要求，在此基础上介绍了s r m 与 该内燃机的匹配计算过程。这也是我们提出1 2 1 0s r m 的各项性 能指标的依据。 第四章s r m 起动性能研究。本章在内燃机起动性能研究的基础上介绍了 本课题在s r m 静、动态起动性能的研究，该研究的仿真工作主要 是在专业e d a 仿真软件a n s o f t 的平台上完成的。 第五章专题研究。本章主要分三个专题，专题一：分析气隙对s r m 转矩 的影响；专题- - ：介绍有限元法在s r m 的磁场和温度场的应用； 专题三：对不同结构s r m 的起动特性进行研究。 第六章s r m 的起动实验。本章介绍了1 2 1 0s r m 实验平台的设计，并给 出不同导通周期下该电机的起动性能的实验结果。 7 江苏大学硕士学位论文 1 6 总结 本章首先对国内外i s a d 系统的研发现状进行了简要的介绍，在此基础上介 绍了本课题的研究背景和研究情况，最后叙述了本论文的主要研究内容。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章开关磁阻电机的基本理论 引言 高水平的性能需要有一个能随意调速的驱动装置，且该装置应具有很小的转 矩脉动、低稳态误差、足够小的速度超调量、低起动时间和低速度振幅。这样的 性能并不容易实现，因为它要涉及到很多的系统非线性问题。s p , m 所产生的电磁 力矩就是其定子电流和转子位置角的非线性作用的结果。为了能尽快的电动，适 当的定子极线圈必须在当相电感变化率为正的时候保持激励。另外，电机还要能 产生制动力矩或完全无转矩。定子极的电感在定子极正好与转子极反向相对的时 候为最大值；而当转子部位的交互极与其反向时电感最小。当定子极的电感值开 始上升时，定子极必须处于励磁状态；而当电感开始停止上升时，定子极必须停 止励磁。开关必须保证当相线圈电流在电感上升到某一时刻时达到某一给定值， 且当电感达到最大值且不再增加时要能再次降到零。由于线圈的电感使得电流的 上升和下降有个滞后的过程，开关必须在某一开通角( 也叫做提前角) 下开通， 同样要在某一关断角下关断u 制。 2 1 开关磁阻电机的基本理论 2 1 1 开关磁阻电机的基本结构 图2 1 为三相6 4 极s r m 结构截面原理图。将位于径向相对的两个线圈串联 构成一相绕组，即组成a 、b 、c 三相绕组。为简单计，图中只画出a 相绕组及其 供电电路。s 1 、s 2 是主开关管，d 1 、d 2 是续流二极管，骆是直流电源。 图2 1三相6 4 极s r m 典型结构原理图( 只画出其中一相) 9 江苏大学硕士学位论文 显然，s r m 的磁阻将会随着转子齿与定子齿的中心线对准或错开而变化：当转 子齿与定子齿的中心线重合时，相绕组电感最大( 磁阻最小) ，当转子槽中心线对准 定子齿中心线时，相绕组电感最小( 磁阻最大) 。因此，转子连续转动时，相绕组电 感z 将随转子齿距角汐，周期性变化。若忽略磁路饱和的影响，把定子齿中心线 与转子槽轴线重合位置定义为0 = 0 。，该位置相电感为最小值厶。；再定义定子 齿中心线和转子齿中心线重合位置为0 - - 4 5 。，此时电感具有最大值乙。其周期 r j l 性变化的( ，矽川丑线如图2 2 n 。 厶槭 厶嘲 图2 2s r m 相绕组电感曲线 图2 3s r m 电感随转子位置( 电角度) 变化 s r m 运行原理与任何电磁式机电装置运行理论在本质上没有区别，均可视为 一对电端口和一对机械端口的二端口装置。为了简化分析，忽略了铁芯损耗部分， 并设s r m 相数为m ，各相结构和参数对称。设k = l ，m 相的电压、磁链、 电阻、电流及转矩分别为h , 、坼，尼、五及五，转子位置角为汐l z j 。 2 1 2 开关磁阻电机的基本方程1 1 电动势平衡方程 l o 江苏大学硕士学位论文 根据能量守恒定律和电磁感应定律，施加在各定子绕组端的电压等于电阻压 降和因磁链变化而产生的感应电动势作用之和，即第七相绕组电动势平衡方程 = 也t + 警 ( 2 - 1 ) 2 磁链方程 各相绕组磁链为该相电流与自感、其余各相电流与互感以及转子位置角的函 数 2g ( i l ，1 2 ，0 ：口) ( 2 2 ) 由于s r m 各相之间的互感相对自感来说甚小，为了便于计算，在s r m 的计算 中一般忽略相间互感，不考虑两相以上电流导通时定、转子轭部饱和在各相之间 产生的相互影响，这时磁链方程可近似成： 3 机械运动方程 2 y ( t ：o k ) = 厶( 吼，垃 ( 2 3 ) 按照力学定律可列出电机电磁转矩乃和负载转矩乃作用下的转子机械运动 方程： 瓦= d d 破2 8 。+ d d 出o + 瓦 ( 2 。4 ) 其中j 和口分别为转动惯量和粘滞系数。 4 转矩平衡方程 根据机电能量转换原理，s r m 的电磁转矩表示为磁共能对转子位置增加的速 塞 7 瓦= 旦竺笋= 瓦( t ；口) ( 2 - 5 ) 其中，仅k 相供电时的绕组的磁共能w7 表示为： = f 缈( i ；o ) d i ( 2 6 ) 电机的合成转矩由各相转矩叠加而成 聃 疋= 瓦( 缸；占) k = l ( 2 7 ) 江苏大学硕士学位论文 于是，由( 2 - 1 ) 、( 2 - 2 ) 、( 2 - 4 ) 、( 2 - 5 ) 式，即组成了s r m 的基本平衡方程组。 2 2 开关磁阻电机数学模型的求解方法 上面的方程是开关磁阻电机的基本的线性方程，由于具有严重的非线性，不 可能得出解析解。因此，在性能分析求解数学模型时不得不在实用和理想之间寻 求一种折衷的处理方法。到目前为止，针对磁链的变化，采用了以下几种方法建 立模型： 1 理想线性模型 若不计电机磁路饱和的影响，假定相绕组的电感与电流的大小无关，且不考 虑磁场边缘扩散效应，可采用开关磁阻电机的理想线性模型将磁链近似为电 流厶的线性函数，这种方法可了解电机工作的基本特性和各参数间的相互关系， 并可作为深入探讨各种控制方式的依据，但求解的误差较大，精度较低。 2 准线性模型 因为磁链的饱和区和非饱和区有不同的线性变化率，为了近似地考虑磁 路的饱和效应、边缘效应，可将实际的非线性磁化曲线分段线性化，同时不考虑 相间耦合效应，这样可以用解析式来表示每段磁化曲线。可将杪一f 曲线分为两 段( 线性区和饱和区) 或三段( 线性区、低饱和区和高饱和区) 。 3 非线性函数拟合模型 将磁链虬用非线性函数近似拟合，函数的选取决定拟合的精确度。 4 查表法 该方法是把实测或计算所得的等角度、等电流间隔电机磁特性数据( f ，卵反 演为等角度、等磁链间隔的电流特性数据f ( 缈，0 ) ，连同矩角特性数据t ( i ，0 ) 以表 格形式存入计算机中，然后用查表法数值求解非线性模型，这种方法较为直接、 也较为精确，既可用于稳态分析，也可用于解瞬态问题。 1 2 江苏大学硕士学住论支 2 3 开关磁阻电机调速系统 ( a ) 六相12 1 0s r m 结构截面图( b ) 六相12 t 0s r m 结构截面实物国 图24 六相1 2 1 0s r m 结构截面及实物图 2 3 1 开关磁阻电机调速系统基本组成 s r m 调速系统的基本部件从功能上分，主要由s r m 、功率变换器、控制器、 位置检测器等四大部分组成，如图25 所示。 。一j 塑粪竺旨刊竺竺竺f 书 f 由习= 籼 给鐾苎赢譬到一 控制器亡 雷25 $ r m 调速系统基本组成图 ( 1 ) 开关磁阻电机：s r m 是s r d 中实现机电能量转换的部件，是双凸极可变 碰阻电动机，其定转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。转子无绕组也无永磁体， 定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组可串联或并联构成一对磁极，称为 一相”。s r m 可阻设计成多相结构，而且定、转子的极数有多种不同的搭配。 相数多，步距角小，有利于减小转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成本 高。因此电机定、转子的极数应当按使用的场合合理确定。六相1 2 1 0 结构的开 关磁阻电机结构如图2 5 所示。 s r m 的转向与电流方向无关，为单向电流，若改变相电流的大小，可改变 江苏大学硕士学位论文 电动机转矩的大小，进而可以改变电动机转速。若在转子极离开定子极时通电， 所产生的电磁转矩与转子旋转方向相反，为制动转矩。由此可知，通过简单的控 制方式便可改变电动机的转向、转速和工作状态。 ( 2 ) 功率变换器：作用是将电源提供的能量经适当转换后提供绘s 蹦，由蓄 电池或交流电整流后得到的直流电供电。由于s r m 绕组电流是单向的，使得其 功率变换器主电路不仅结构较简单，而且相绕组与主开关器件是串联的，因而可 以避免直接短路故障。s r m 的功率变换器主电路的结构形式与供电电压、电动 机相数及主开关器件的种类等有关。功率变换器常见的拓扑形式有三相不对称半 桥结构和四相电容分压式两种，觅图2 7 ，图2 7 ( c ) 所示的是其六相示意图。 功率变换器根据转予相对定子熬位置而合理、有序的控制各相绕组的开通和关 断，使得s r m 正常运转，功率变换器由主功率电路和检测、驱动控制电路三部 分构成。 ( a ) 电容分压式主毫路( 嚣相)幻不对称半撬电路( 一相) ( c ) 主功率电路的六相示意图 图2 61 2 1 0s r m 调速系统功率变换器主电路拓扑 ( 3 ) 控制器：是整个调速系统的核心，是系统的决策和指挥机构，它综合处 1 4 l 江苏大学硕士学位论文 理速度指令、速度反馈信号、电流传感器、位置反馈信号等输入指令，然后经过 分析处理，决定控制策略并发出一系列控制命令，控制功率变换器中各相主开关 器件的开关状态。 ( 4 ) 位置检测器：主要是获得位置信号，位置信号的精确度对s r m 调速系统 性能有很大影响。 ， 2 3 2 开关磁阻电机调速系统的基本控制策略m 1 起动运行方式 s r m 相比异步电机和直流电动机，具有优良的起动性能，起动转矩大，起 动电流小，起动时间短。起动时，由于转速很低，反电动势较小，电流上升快， 并且相电流周期长，将导致磁链及电流峰值很大，所以要采用电流斩波( 斩上限 或控制电流上下限) 控制方案，以限制电流峰值，同时还要保证有较大的起动转 矩，使电机可靠起动。起动方式一般有一相起动、两相起动和多相混和起动，对 应于不同结构的电机，其起动方式也不同，6 4 极的电机，最多可以采取两相同 时起动，但两相重合的时间很短，而本课题所采用的六相1 2 1 0 极s r m 可以两 相三相混和起动，具有更好的起动性能。采用两相及以上起动方式增大了最小 起动转矩，而最小起动转矩反映了电机的带负载能力。另外，对于特定的负载， 采取两相及以上起动方式，可以减小起动电流，降低s r d 的开关损耗和电流容 量，降低控制器成本，在以后的章节中要着重讨论。 2 稳定运行方式 s r m 稳定运行方式包括电流斩波方式( c c c ) 和角度控制方式( a p c ) 。转 速低于基速，采用电流斩波方式，以避免产生过高的电流损坏开关器件，通过开 关管的多次开通和关断限制电流在一个优化的定值范围，同时获得恒转矩特性。 显然提高斩波频率可以使得电流稳定在一个定值的精度提高，减小转矩脉动，但 是增加了开关损耗，降低了开关管的寿命。转速高于基速时，一方面因为转速提 高导致相电流周期缩短，另一方面因为运动电动势的加大，使得电流峰值不会很 大，此时已不必采用电流斩波控制，反而应设法增大有效电流，为此应改为角度 控制方式，通过调整开通角和关断角，来改变绕组电流的大小，进而改变转矩， 可以获得恒功率特性。 3 制动运行方式( 发电运行方式) 1 5 江苏大学硕士学位论文 在制动状态，电磁转矩方向与速度方向相反，轴上的机械能转化为电能，其 实这也是s r m 用于发电时的情况，这时也可以采用角度位置方式和电流斩波方 式。 2 4 总结 本章通过对s r m 的基本结构、基本特性方程、分析模型及控制结构和控制 策略的简要阐述，解释了所研究的对象s r m 的研究方向和策略。接下来，将对 i s a d 另一重要部件( 发动机) 进行阐述，进一步完善i s d a 所研究的内容。 1 6 江苏大学硕士学位论文 引言 第三章内燃机要求与s r m 的匹配设计 i s a d 混合动力汽车融合了传统燃油汽车和电动汽车的优点。通过发动机与 i s a d 电机的最小程度耦合，能满足整车低排放、低油耗和低附加成本等综合要 求，是一种最具开发应用潜力的清洁汽车。发动机怠速起停是i s a d 混合动力汽 车的重要工作模式，车辆短暂停车时，能自动关闭发动机。车辆重新起步时，i s a d 电机快速起动发动机至设定转速，实现喷油点火。从而可避免发动机在怠速状态 下运行，减少燃油消耗、尾气排放和发动机磨损。计算表明，在e c u e u d c 工 况下，混合动力汽车采用发动机自动起停能提高整车燃油经济性1 0 以上蚓。 3 1 项目的主要技术目标 根据无锡柴油机厂的要求，我们提出了c a 6 1 1 0 z l 柴油机起动一助动一发电 一体化系统( i n t e g r a t e ds t a r t e r a l t e r n a t o rd r i v i n g ) 的主要设计内容目标。 1 功率和扭矩要求 按照无锡柴油机厂的要求，采用i s a d 后，柴油机的最大输出功率和扭矩的 补偿值见表3 1 和图3 1 所示。 表3 1 柴油机的最大输出功率和扭矩的补偿值 内燃机型号 2 1 0 p s2 3 0 p s2 5 0 p s3 0 0 p s 最大功率，k w 7 9 25 2 41 1 2 42 0 1 最大扭矩，n m 9 45 01 2 42 4 0 1 7 江苏大学硕士学位论文 朗 劢 茸 赢鲫 毋 扣 5 0 d 4 i f ) 扭矩对比曲缋 】歹b过 。 r7 “| i 7 + 蒯 + 埚 d | 知嘲l 瑚黝础】莉鳓绷鳓劫 1 1 , 涵 2 1 6 0 辨 _ 1 2 0 o 氛 8 0 4 0 功率对比曲线 。一| 一 p i 力， i ，+ 原机2 1 0 p s 一i s a d 7 0 09 0 01 1 01 3 01 5 01 7 01 9 02 1 02 3 02 5 0 oo o o o 爰胡i 致。 圈3 。 扭矩和功率特悭酋线 2 电瓶需要的能量 假设在4 2 v 电瓶驱动下，i s a d 帮助发动机驱动汽车，按照表3 2 和图3 1 的特性凿线，在5 分钟内，发动机豹转速均匀地从8 0 0 r m i n 或9 0 0 r m i n 上升到 最大扭矩点转速，然后i s a d 停止工作，电瓶需要输出的能量以及电瓶输出的最 大电流见表3 2 所示。 表3 2 电瓶需要输出的麓量以及电瓶输出的最大电流表 2 1 0 p s2 3 0 p s2 5 ( 3 i p s3 悠 电魏输出的能量，k j 1 8 5 39 6 61 3 1 7 1 8 1 8 电瓶输出的最大电流，a 1 8 71 2 52 6 84 7 9 3 主要技术目标 1 )i s a d 重量和体积与传统内燃机飞轮相当；连续功率：8 1 0k w ，效率 7 0 ，发动机怠速转速以上电机处于发电机状态，发电功率在5k w 左 右。 2 )电压4 2v ，应考虑电动机的国际电压标准和批量生产要求。 3 )电机控制器：1 2 - 1 5 k w ；效率 9 5 笺；体积吃功率：满足整车要求： 温度范围：- - 4 0 。c - - 7 0 。c ；具有能量回馈( 或发电) 功能，提供与车辆 其他系统的c a n 总线通讯。 4 )电机驱动系统满足整车的模块化要求，起动时闻要求如表3 3 所列。 1 8 江苏大学硕士学位论文 表3 3 起动时间要求 0 到6 5 0 r m i n 起动时间 0 8 s 一1 2 c 无辅助起动装置 0 到1 0 0 r m i n 起动时间 1 5 a 一2 5 带加热器加热1 5 s 0 到6 5 0 r m i n 起动时间 2 s 起动扭矩6 0 0 n m 5 )最大助动转矩1 0 0 n m 6 )电瓶：以成本低的电池为主。 7 )控制参数：初步选定以油量齿条拉杆位置和发动机的转速、负荷等参数 为主。 4 起动总阻力矩 对于c a 6 1 1 0 柴油机6 缸的阻力矩进行叠加，再加上摩擦和惯性阻力矩，即 可得到起动总阻力矩，结果如图3 2 。 图3 2 柴油机总起动阻力矩 3 2 起动电机的功率选择 柴油机起动时的起动装置的功率计算公式如下 虬= 等m 1 0 习( 加) 1 9 ( 3 - 1 ) 江苏大学硕士学位论文 式中：m ：? 堕帆为起动阻力矩( 聊) ，计算出的最大值是8 9 0 2 n 聊 k 巩 毛一 为从起动电机的主动齿轮到飞轮齿圈的传动比， 巩一为起动齿轮副的效率，一般= o 8 5 0 9 0 ， 亿= 一起动装置转速， 为内燃机起动转速，单位( r l m i n ) 计算中，取1 5 0r m i n ，巩取0 8 8 ，毛取9 ，帆由前面计算知为 8 9 0 2 n m ，代入公式，计算结果为：虬= 1 5 9 n v 起动时，电机的瞬间功率可以达到其额定功率的3 倍左右，电机6 枷就可 以满足起动要求。 为了提高柴油机的低速扭矩，提高其动力性能，要求在柴油机低转速时，提 供助动力矩，如图3 3 所示。 扭矩对比 图3 3 c a 6 11 0 柴油机助动力矩的要求 所需起动装置的功率公式如下： 尸：t q nk w 9 5 5 0 毛二所需助动力矩( n 脚) 丹柴油机转速 ( r m i n ) ( 3 - 2 ) 江苏大学硕士学位论文 表3 4 计算结果 玎( r r a i n ) 乙( n 。m ) 尸( k w ) 9 0 0 1 0 0 9 4 1 0 0 09 0 9 4 1 1 0 08 09 2 1 3 0 05 06 8 3 3s r m 主要结构参数及设计m 一般来说，s r m 的设计包括电磁设计、结构设计以及工艺设计等几个方面。 其中电磁设计是核心内容，我们根据s r m 的设计目标、技术要求和s r m 的理 论和计算方法，进行主要结构参数和性能的设计；在根据计算机仿真结果进行校 核，不断调整设计参数，以获得我们需要的结果。下面我们就从开关磁阻电机电 磁设计开始，来确定电机的尺寸。为了使方程能够简洁、明了的反应各参数之间 的关系，我们把方程进行了必要的简化和假设。我们采用线性模型来求解，因而 忽略了互感的影响，这样s r m 一些具体参数设计如下： 1 电磁转矩 由前面的公式可知，s r m 每相的电磁转矩： 乙= 圭i 2 嚣= 圭2 鸶 浯3 ， 电机额定转矩巧： 瓦，：乓= 3 0p ：堕( 3 - 4 ) “2 再= i i 2 彳 ) 其中p 为额定功率，n 为额定转速( 单位r m ) ，m 为电机的相数，乙为每相的 平均转矩。 2 电流( 母线电流+ 相电流) 电机的母线电流k 2 l 江苏大学硕士学位论文 = 嘉 ( 3 - 5 ) 其中r 为电机效率，u 是电机的输入电j 盘。 因为假设电机是线性模型所以它的电感是线性变化的相电流呈方波，所以每 相平均电流 厶= 鲁 ( 3 6 ) 厶( 麟) = 七厶 ( 3 7 ) 其中( 。) 为相电流的峰值电流，七为波形系数( 方波时为2 ) 。 3 电机气隙最大磁导 a m x = u 万o a s ( 3 8 ) k o 其中u o 为导磁系数，u o = 4 万x l o h m ，万是气隙长度，4 表示定子每极面 积，k 是磁压降系数，一般为1 1 , - 一1 2 。每极面积可表示为： 4 = 竿 浯 嗷为定子极弧系数，d 表示定子直径，l 表示定子叠厚，互为定子齿数，因 此气隙最大磁导可化为： ，人嘣= 专萨 每相最大电感： k = 2 人一n 2 ( 3 1 1 ) n 表示每极绕组匝数，k 表示定转子齿极中心线对齐时的电感，即最大电 感。则 其忙豪。 k 观鼍萨( 3 - 1 2 ) 江苏大学硕士学位论文 根据安培定律， 所以每极匝数为： 一般： 吒是比例常数。则 将最大电感带入上式可以得到： c 一= 等肋 ： 堡 七万 材o i 咖 l a = 吒k ( 3 - 1 3 ) ( 3 - 1 4 ) 址= k k = ( 1 _ 吒) k ( 3 1 5 ) 址”吒) 警 ( 3 _ 1 6 ) 因为伽导2 乏 将其带入电磁转矩公式可得： d 三= 鱼旦：堡：互： ； ( 3 1 7 ) ( 1 一k ) c - 刀聊刀吒z ，b 2 占七万 由于电机其它因素的影响，一般我们要加上一个系数( 饱和系数) 则 d 三：坐旦：丝：互：! =