（电机与电器专业论文）汽车eps用无刷直流电动机及其控制系统的设计.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p a r e d 晰lt h eh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ( u p s ) ，t h ee l e c t r i c a lp o w e r s t e e r i n g ( e p s ) s y s t e m sh a v es e v e r a l d i s t i n c ta d v a n t a g e s t h e yh a v es i m p l e r s t r u c t u r e ，h i g h e re f f i c i e n c y , b e t t e rp e r f o r m a n c e ，w h i l e d ol e s sh a r mt ot h e e n v i r o n m e n t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ev e h i c l ee l e c t r o n i c s ，t h ee p ss y s t e m sa r e t a k i n gt h ep l a c eo f l i p ss y s t e m sg r a d u a l l y w i t ha9 0 0 dk n o w l e d g eo nt h ec h a r a c t e r i s t i ca n do p e r a t i o np r i n c i p l e so fe p s s y s t e m s ，w ec o m p a r e ds e v e r a ld i f f e r e n tt y p e so fe p sm o t o r si nu s e ，a n dg o tt h e c o n c l u s i o nt h a tt h eb r u s h l e s sd c ( b l d c ) m o t o ri sag o o dc h o i c ef o rt h ee p s a p p l i c a t i o n t h eb l d cm o t o ri sas y s t e mc o m p o s e do fm o t o ra n dc o n t r o l l e r t h e i r p e r f o r m a n c eo ns t a r t i n ga n ds p e e da a j u s t i n gi sa sg o o da sd cm o t o r s ，a n dd u et o b r u s h l e s s ，t h e i rc o m m u t a t i o np e r f o r m a n c ei sm u c hb e t t e r h o w e v e r , b l d cm o m ri s n o tf a u l t l e s sa se p sm o t o r t h ec o g g i n gt o r q u er e s u l t e df r o mt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n p e r m a n e n tm a g n e ta n ds t a t o r s l o t sw i l lg r e a t l ya f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fe p s s y s t e m s ，w h i l et h ec o m m u t a t i o ns t y l ew i l lm a k e t h et o r q u er i p p l em o r es e r i o u s t h i st h e s i sl a i di t se m p h a s i so nb l d cm o t o r si nt h ea p p l i c a t i o no fe p ss y s t e m s a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e mo fe p s ，w ed e s i g n e dap mb l d cm o t o r , a n dt h e n a n a l y z e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h em o t o r 、析廿lf e a m e t h o d t h ea n a l y t i c a lm e t h o di s a l s ou s e dt oi n d i c a t et h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tp a r a m e t e r so nt h em o t o rp e r f o r m a n c e t h e nw es t u d i e dt h ec o g g i n gt o r q u ew i t he n e r g ym e t h o d ，a n dp r o p o s e dac o g g i n g t o r q u er e d u c t i o nm e t h o d ，w h i c hi sv e r yu s e f u lf o rb l d cm o t o r se q u i p p e d 谢m c o n c e n t r a t e dw i n d i n g sa n df e ws l o t s a3 - dm o d e li se s t a b l i s h e da n da n a l y z e dw i t h m a g n e tt op r o v ei t sa v a i l a b i l i t y a tt h ee n do ft h i sp a p e r , ac o n t r o ls y s t e mf o rt h e b l d cm o t o ri sd e s i g n e d s o m er e l a t e de x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u t ，a n dt h er e s u l t s c o n v e yt h a t t h ec o n t r o ls y s t e mw o r k sw e l l k e yw o r d s ：e p s ；b l d cm o t o r ；d e s i g na n do p t i m i z a t i o n ；f e a ；c o n t r o ls y s t e m 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：挫塞e t 期：翻肇呈a 蠲 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：途盛 导师签名： 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 本课题中研究的无刷直流电机是为汽车电动助力转向系统( e p s ) 设计的。 汽车的转向技术自从诞生以来，大体经历了以下三个阶段：即机械转向，液压 助力转向( h p s ) 和电动助力转向，而作为未来发展方向线控( s b w ) 转向方 式，其核心依然是电子控制单元对助力电机的控制。 目前，电动助力转向技术已经较多应用在排量为1 3 l 1 6 l 的轻型轿车上。 然而由于汽车电源输出功率的限制，e p s 系统无法输出足够的助力转矩，使其 在大型车上的应用受到影响。随着电机性能的提高和4 2 v 电源组件在汽车上的 应用，电动助力转向技术以其高效、环保、操作性良好等优点，必将取代液压 助力成为转向助力的主流。 e p s 系统的关键技术分硬件和软件两个方面。在硬件方面，主要是设计适 合于e p s 应用的性能优异的助力电机；而软件方面，应实现对助力电机高效稳 定的控制，减小电机的转矩波动。 在硬件方面，当前已有的e p s 系统，其助力电机大都采用永磁有刷直流电 机。然而直流电机存在机械电刷造成的换向火花、噪声、电磁干扰等缺点，容 易对汽车的电子设备造成干扰；另一方面，由于直流电机的绕组在转子上，热 量不易散出，造成发热严重、寿命短等缺点，严重影响了e p s 系统的安全性和 可靠性。这对于把安全性和稳定性放在首要位置的e p s 系统来说，影响是致命 性的。因此，选择并设计一种适用于e p s 系统的助力电机对于提高电动助力转 向系统的性能便有了重要意义。本文在对已有助力电机类型进行分析比较的基 础上，认为b l d c 电机作为e p s 系统的助力电机具有明显的优点，并且设计了 样机。 为进行永磁无刷电机的设计和结构优化，一般都需要利用有限元进行分析。 尽管有限元法有计算精确、适用范围广泛等优点，然而计算所需要的时间及复 杂的建模和前后处理都是其无法避免的缺点。而且，有限元的计算方法还不能 直观的反映出参数变化对电机性能的影响。因此，用解析的方法计算永磁无刷 山东大学硕士学位论文 电机性能在电机性能优化设计的过程中也具有十分重要的意义。 众所周知，永磁电机中由于永磁体与电枢齿槽相互作用会产生齿槽转矩， 而齿槽转矩的存在会严重影响电机的性能。从提高e p s 系统性能的角度考虑， 齿槽转矩的削弱也是一个不容忽视的问题。为此，本文针对设计的样机，也提 出了自己的齿槽转矩削弱方案。 为获得良好的性能，性能优良的助力电机是一个方面，而控制系统的设计 则更具有决定性的作用。本文在设计无刷直流电机的基础上，进一步设计了助 力用电机的控制系统。然而，由于时间所限，控制系统只初步实现了助力功能， 而其他功能的实现还需要以后进一步的开发。 1 2e p s 系统原理 e p s 系统由电子控制单元e c u 、助力电动机、扭矩传感器、车速传感器、 电流传感器和减速系统等构成。其结构原理如图1 1 所示下图所示。 莓轮 图1 1e p s 系统原理图 在正常工作模式下，当驾驶员转动转向盘时，扭矩传感器开始工作，把输 入轴和输出轴在扭杆作用下产生的相对位移转化成电信号传给e c u ，e c u 再根 据传来的扭矩信号和车速信号，决定电动机转动的方向和助力电流的大小，从 而达到助力目标。这种随车速和扭矩变化的助力方式，相比采用固定传动比的 液压助力方式，既能保证汽车低速运行时的灵敏性，又能保证高速行驶时的稳 定性【1 1 。 2 山东大学硕士学位论文 1 3e p s 用助力电机概述 助力电机为e p s 提供动力，是e p s 系统的动力源，它根据e c u 单元的指 令，输出适宜的助力转矩。助力电机的性能在很大程度上便决定了整个e p s 系 统的性能，因此e p s 系统对电动机的性能要求很高。相对普通电动机，电动助 力转向系统用电机应该具有以下特点【2 】： 由于绝大多数车载电源为1 2 v 直流，因此要求直流电机供电电压低， 并且具有大的额定电流和额定功率； 体积尽量小，转动惯量小，宽广的调速范围，控制特性好，低速运行平 稳，力矩波动小； 转速低，约1 0 0 0 r m i n 左右。高转速下，大的齿轮传动比将会增加系统 的机械惯量，影响系统动态性能； 在堵转时也能提供助力转矩。对于大型车辆，甚至应该能够提供与转动 方向相反的助力转矩。 直流电机、伺服电机、力矩电动机、开关磁阻电动机等已经在电动助力转 向系统中获得应用。随着电力电子技术的发展，矢量控制、直接转矩控制等控 制策略的应用，也为交流电机应用于e p s 系统创造了条件。下面就对各种e p s 用助力电机进行简单介绍。 1 ) 直流电机 优点：具有良好的起动性能和调速性能；可以直接由汽车电源进行供 电；电磁转矩与电枢电流存在乏= c , i o 的函数关系，通过调节电枢电 流便可方便地调节输出转矩。 缺点：使用机械电刷和换向器，造成换向火花和机械噪声，缩短电机 寿命，增加维护工作量，并且影响控制精度。 2 ) 伺服电动机 伺服电动机也称为执行电动机，它把电压信号直接转化为转轴的角速 度或者角位移输出。 优点：具有良好的转矩质量比；良好的速度控制特性和高精度的位置 控制。 山东大学硕士学位论文 缺点：控制较为复杂，驱动器参数需要通过现场调整p i d 参数来设定。 3 ) 力矩电动机 力矩电动机是一种具有低转速，宽调速范围的特种电机。这种电机可 以长期工作在堵转或者低速状态。 优点：低转速，大扭矩，过载能力强，力矩波动小。 缺点：机械特性较软。 4 ) 无刷直流电动机 优点：用电子换向取代了机械电刷和换向器，不产生换向火花和机械 噪声；机械特性类似于普通直流电机，易于进行转矩和转速的控制；控制 系统简单。 缺点：采用1 2 0 0 导通方式工作，有较大的转矩脉动。 5 ) 永磁同步电动机 优点：良好的机械特性；采用适当的控制方式( 如矢量控制、直接转 矩控制等) 后，转矩脉动较b l d c 小。 缺点：控制系统较为复杂。 综合分析各种助力电机的优缺点，可以发现无刷直流电动机是一种理想的 e p s 系统伺服电机。它具有与有刷直流电动机相同的调速和控制性能，但是却 克服了有刷直流电机中存在的换向火花和电磁干扰；它具有交流电机结构和制 造工艺简单的优点，但是又没有交流电机的控制系统复杂的缺点。即永磁无刷 直流电动机集中了直流电机和交流电机的优点，又克服了二者的缺点，是一种 高性价比的e p s 用电机。 但是无刷直流电机作为e p s 系统的助力电机也并非完美无缺。首先，永磁 电机中固有的齿槽定位转矩的存在，严重影响了电机性能。另一方面，由于采 用1 2 0 0 换向方式工作，定子磁场每隔6 0 0 电角度产生一次跳变，使电机稳态运 行时也存在较大的转矩脉动。因此在使用无刷直流电机做e p s 系统的助力电机 时，为获得良好的性能，我们必须从以上两个方面对系统进行改进。 1 4无刷直流电动机概述 4 永磁无刷直流电动机( p e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o r ) 是一种典型 山东大学硕士学位论文 的机电一体化产品，由电动机本体、控制和驱动电路、位置传感器三部分组成。 永磁无刷直流电动机的构成图如下： 图1 2 永磁无刷直流电动机构成 在永磁无刷直流电动机中，电枢绕组安装在定子铁心中，永磁体固定在转 子上，利用转子位置传感器检测永磁磁极的位置，并由此确定定子绕组的下一 个导通状态，使电机产生持续稳定的转矩。下面以两相导通三相六状态2 极永 磁无刷直流电动机为例，说明其工作原理，图1 3 为其工作原理图。 + u 图1 3 永磁无刷直流电动机工作原理图 a x ( a ) a b 两相导通 a ( b ) a c 两相导通 图1 4 定转子位置示意图 当转子位于图1 4 ( a ) 所示位置时，位置传感器检测到转子位置信号，经过逻 辑译码后产生导通信号，控制图1 3 中的开关管t l ，t 6 导通，即a 相绕组正向导 通，b 相绕组反相导通，所产生的定子合成磁动势如图1 4 ( a ) 所示。根据电磁力 山东大学硕士学位论文 定律，永磁体将沿顺时针方向转动。当转子转过6 0 0 ，到达图1 4 ( b ) 中位置时， 位置传感器再根据所检测到的转子位置信号，控制开关管t 6 关断，t 2 导通，实 现电流由b 相到c 相的换向。此时，定子磁动势顺时针跳转6 0 0 ，在电磁力的 作用下，转子将继续做顺时针旋转。以此类推，每当电机转子转过6 0 0 电角度， 定子绕组就改变一次导通状态，始终保持定子合成磁动势领先于转子永磁磁动 势6 0 0 1 2 0 0 电角度，从而使电机转子连续转动。 从运行过程来看，定子绕组每隔6 0 0 改变一次运行状态，定子合成磁场相 应改变一次位置。每相绕组每次导通1 2 0 0 ，且每个状态都是两相导通，此种方 式称为两相导通的三相六状态工作模式。在每个状态过程中，定子合成磁场都 恒定不动，而转子磁场则连续转动，因此总的合成磁场将连续变化而非恒定， 由此将造成电机电磁转矩的波动。为了抑制由电流换向造成的无刷直流电机转 矩脉动，已有不少学者做了大量的研究工作【5 , 6 , 7 】，这里不做详细讨论。 近年来，随着电力电子技术、永磁材料和微机控制技术的发展，永磁无刷 直流电机得到了迅速发展。以其高效、高功率密度、高可靠性的特点，在国民 经济的各个领域，如医疗器械、仪器仪表、航空航天、电动车等方面都得到了 广泛应用。 在国内，昌河公司于2 0 0 0 年最早在北斗星的部分车型上安装了电动助力转 向系统。目前，电动助力转向系统已经广泛运用与1 3 l 1 6 l 的轻型轿车上。然 而，应用于e p s 系统中的助力电机仍然以有刷直流电机为主。 随着汽车技术的发展，尤其是汽车电子系统的广泛应用，e p s 系统必将取 代传统的液压助力系统成为转向助力系统的主流。而无刷直流电机以其优异的 控制性能也必将取代传统的直流电机在e p s 系统中的地位。 1 5本文所进行的研究工作 l 在分析e p s 系统对助力电机要求的基础上，设计了一台e p s 用永磁无刷直 流电动机，并用有限元分析了电机的性能。 2开发了基于场路耦合法的永磁无刷直流电动机性能解析计算软件，并计算 了所设计电机的性能，计算结果表明所采用的解析方法具有较好的精度， 为无刷直流电机的性能计算提供了另一条途径。 6 山东大学硕士学位论文 3 e p s 用永磁无刷直流电机的性能改进，主要是针对样机的齿槽转矩削弱方 法的研究。 4 无刷直流电机控制系统的设计。分析e p s 控制系统性能要求，使用数字信 号控制器d s p i c 3 0 f 2 0 1 0 ，设计了带位置传感器的无刷直流电机控制系统， 并进行了相关实验。 7 山东大学硕士学位论文 第二章e p s 用永磁无刷直流电动机的设计 在第一章中，我们已经对e p s 用助力电机的特点进行了总结。为了保证整 个e p s 系统的良好性能，我们在助力电机的设计中也应该从这些方面入手，尽 量满足这些方面的要求。 2 1电机结构型式的选择 文献 3 】分别对永磁无刷直流电机定转子的各种结构的优缺点进行了总结 和比较。本文在此基础上结合e p s 系统的性能要求，进行无刷直流电动机定转 子结构设计。 2 1 1 定子结构型式的选择 永磁无刷直流电动机的定子铁心中放置绕组，转子上加永磁磁极。由于永 磁无刷直流电动机应用场合多样，其定、转子结构形式比永磁同步电机更加多 样化。其常用的定子结构型式如图2 1 所示。 图2 1 永磁无刷直流电机的定子结构形式 图2 1 ( a ) 是在永磁无刷直流电机中应用十分广泛的的整数槽结构，定子 每极每相槽数为整数，绕组采用双层叠绕组或者单层同心式绕组。这种结构的 显著缺点是齿槽定位转矩较大，不适宜于e p s 助力电机的设计。 图2 1 ( b ) 中定子铁心为无齿槽结构，定子绕组均匀分布于定转子之间的 山东大学硕士学位论文 大有效气隙中。由于取消了定子齿，定转子之间不产生齿槽定位转矩，这对于 永磁电机来讲是有益的，非常适用于转速稳定性和振动、噪声要求较高的场合。 但是这种结构也会带来不利因素，如：绕组散热能力差，温升高；有效气隙长， 与绕组铰链的气隙磁场减弱等。为了获得较高的气隙磁场需要增大转子永磁体 的厚度，使电机的成本较高。考虑到车载电机散热条件方面的限制，此结构的 电机也不宜采用。 图2 1 ( c ) 为定转子槽数阪数比为3 2 的分数槽定子结构。相绕组线圈绕 在一个定子齿上，每对极下有三个定子齿，分别对应定子三相绕组。分数槽结 构相对于整数槽的明显优点是绕组端部尺寸小，绕组利用率高；一个线圈可以 形成一个独立的磁极，相绕组之间耦合弱，互感小；可以有效削弱永磁电机内 部的齿槽定位转矩。但是此结构的缺点为：相绕组不能与全部的转子磁场耦合， 导致永磁体的利用率降低。 综合分析上述三种定子结构型式，再考虑到车载电机工作环境、性能要求 等方面的约束，我们最终选择了8 极1 2 槽的分数槽结构作为定子设计方案。 2 1 2 转子结构型式的选择 永磁无刷直流电动机中常用的转子结构如图2 2 所示。 山东大学硕士学位论文 图2 2 永磁转子的结构型式 图2 2 ( a ) 中由两片永磁体圆弧形成转子n 极，通过转子铁心的凸极结构形 成两个s 极。该结构可以使永磁转子所需的永磁体片数降低一半，降低了制造 成本；但是转子铁心的凸极结构会使定子绕组电感发生变化，其数值随转子位 置而变化，从而在电机运行时会产生附加的磁阻转矩。 图2 2c o ) e e 永磁体切向励磁，可以获得了较高的气隙磁密。但此结构下电 枢反应磁场较大，会引起气隙磁场畸变，进而增大转子铁心损耗。 图2 2 ( c ) e e 转子永磁磁极之间为磁性铁心，使转子运行时产生一个附加的 磁阻转矩，通过合理的电机设计可以使该磁阻转矩变为有用的拖动转矩，增大 电机的功率密度。但是磁阻转矩的存在也增大了电机的转矩波动。 多极永磁无刷直流电机多采用图2 2 ( d ) 的的转子结构，结构简单、工艺性好、 成本低，但是磁性能差也是其显著缺点。 图2 2 ( e ) 、( f ) 、( g ) 中转子永磁体均采用表面式安装结构。该结构中永磁 体直接面对气隙，使气隙磁场较强。由于稀土永磁材料磁导率很低，所以定子 绕组电感很小，电枢反应磁场较弱，对于永磁无刷电机运行有利。 根据助力电机应用场合的要求，获得较平稳的助力转矩是其最主要的要求。 通过对七种转子结构的比较，我们最终选择了表面式安装结构作为电机转子的 结构型式。 2 1 3 转子位置检测 目前，无刷直流电动机中的转子位置检测方式主要有两种，即有位置传感 器的检测方式和无位置传感器方式。其中无位置传感器的检测方式中，应用最 为广泛的是绕组非导通相反电动势检测法。反电动势检测法的优点是线路简 单，技术成熟，成本低，实现起来相对容易。但其不足之处是当电机停止或转 速较低时，反电动势没有或很小而无法检出，不利于电机的启动。由于应用于 e p s 系统中的无刷直流电机需要频繁的启动，并且主要是工作在低转速状态， 因此这种方式并不适合。而采用霍尔元件作为位置传感器的有位置传感器检测 方式，安装方便、工作可靠、价格低廉，是比较理想的选择。 1 0 山东大学硕士学位论文 2 2永磁无刷直流电动机的设计概述【8 】 无刷直流电动机设计的主要内容包括电磁设计和结构设计，其任务是根据 给定的额定值和基本技术性能指标，选用合适的材料，确定电动机各部分的尺 寸，并计算其性能，以满足节省材料，制造方便，性能良好等基本要求。无刷 直流电机设计中的技术要求主要有以下几点： 一、运行方式。直流无刷电动机的运行方式主要有连续、短时和断续三种。 在同样的功率和同样温升的限制下，断续或短时运行方式的电动机尺寸要比连 续运行方式的电动机小。由e p s 系统的功能特性我们知道，助力电机只是在接 收到转向盘传来的的扭矩信号后，才会进入运行状态，因此可以看做一种短时 运行方式。这样，我们在设计时便可以将电磁负荷取为较大值，以减小电机体 积，节省有限的汽车内部空间。 二、防护型式。电动机的防护型式直接影响电动机的结构及通风散热，在 设计时必须充分注意。一般直流电机的防护型式主要有防护式和封闭式两种， 其中封闭式结构主要用于粉尘较多的场合。由车载电机的工作条件我们知道， 系统对电机通风散热的要求比防尘更为严格，因此选用防护式更为合理。 三、温升和绝缘。在电动机运行过程中，由于本身内部的损耗而产生热量， 从而导致电动机部件的老化，寿命缩短。综合考虑绝缘材料的耐热等级和电机 的温升情况，选用f 级或h 级绝缘比较合适。 四、效率。电动机的运行效率直接影响电能的有效利用，也影响电动机本 身的温升。但是，由于e p s 用无刷直流电动机的功率较小，其能耗指标并不十 分突出。在保证其他性能指标的前提下，可以允许牺牲一点效率。 2 3电磁负荷和电机主要尺寸【8 】 所谓电机的电磁负荷是指电机的电负荷a 和磁负荷b 。它们与电动机主要 尺寸的确定直接相关，对电动机的运行特性、效率、温升等也有很大影响。 其中，无刷直流电动机中的电负荷( 线负荷) a 是指沿定子内径圆周方向 每单位长度中的安培导体总数，其表达式为 山东大学硕士学位论文 彳：m n a 1 尢d i 其中，m 为电机相数，口每相导体数，乞相电流( a ) ，d o 定子内径( c m ) 。 磁负荷b 是指无刷直流电机气隙磁感应强度的最大值。 在无刷直流电机设计中，主要尺寸是指定子内径见和电枢铁心计算长度 厶，它们确定了电动机的外形轮廓、重量及材料费用，与电机技术性能指标也 有非常密切的关系。 以电磁功率为桥梁，可以推导出无刷直流电动机在给定功率和转速下，主 要尺寸与电磁负荷之间的关系，如下 磋乞= 警鲁 协， 其中厶为电枢铁心计算长度( c m ) ，p 为电机的电磁功率( k w ) ，2 电机转速 ( r m i n ) 。由上式可以看出： ( 1 ) 在电磁负荷一定时，电动机的体积与电磁功率成正比，与转速成反比。 ( 2 ) 转速定时，若直径不变而采用不同长度，则可得到不同功率的电机。 ( 3 ) 在技术指标给定的情况下即电动机电磁功率和转速不变时，电动机的 主要尺寸很大程度上取决于所选的电磁负荷。电磁负荷选的越大，电动机的尺 寸就越小，材料越节省。但是随着电磁负荷的增加，电机的铜耗、铁耗会相应 增加，效率下降，影响电动机的使用寿命。 作为车载电机的一种，为节约有限的车内空间，我们应该尽量减小电机的 尺寸。根据上面的分析知道，在保证功率和转速不变的条件下，这时我们就要 选取较大的电负荷a 和磁负荷b ，然而这样做的显著缺点便是增大了电机的铜 耗和铁耗，增加了发热，降低了效率。但是，由于助力电机主要工作于断续工 作模式，而且功率较小，对于能耗的要求并不是太高，因此我们可以考虑采用 这种设计方式。 另外，根据助力电机转动惯量小的要求，我们应该尽量减小转子的直径( 约 等于定子内径d o ) 。然而，由式( 2 1 ) 可以看出，在电机功率和转速一定的条 件下，减小电枢直径的同时应该增大电枢铁心的长度，而且电枢直径的少量减 1 2 山东大学硕士学位论文 小，便会造成铁心长度的大量增加。因此，我们应该综合考虑两方面的影响， 确定合理的见和厶。 2 4永磁材料的选择 常用的永磁材料主要有铁氧体、铝镍钴、钕铁硼及钐钴永磁等，其性能对 比如表2 1 所示。 表2 。1 典型永磁材料的综合特性对比 铝镍钴 铁氧体钐钻钕铁硼 剩磁( t ) 1 3 50 4 21 0 51 1 8 矫顽力( k a m ) 5 92 0 08 4 08 9 0 退磁曲线形状弯曲上部直线、下部弯直线直线( 高温下弯 曲曲) 剩磁温度系数 一o 0 2一o 1 80 0 3一o 1 2 ( k ) 抗腐蚀性能强强强易氧化 充磁安装后充磁充磁后安装( 也有充磁后安装充磁后安装 安装后充磁的) 铁氧体永磁是目前应用最广泛的一种永磁材料，大量应用于永磁电机等产 品。由于铁氧体永磁材料中不含有稀土元素镍、钴等贵金属，价格非常便宜。 其特点是化学稳定性好；密度小、质量轻；矫顽力大，抗去磁能力强。然而， 剩磁密度不高，最大磁能积较小，磁性能受环境温度的影响较大( - 0 1 9 k ) 等也是其显著缺点。 铝镍钻永磁材料的主要优点是温度系数低，一般为0 0 2 k ，磁性能受环 境温度的影响小；剩磁密度较高，范围在o 5 3 1 3 5 t 。但是材料的矫顽力很低， 容易退磁，而且退磁曲线呈非线性等也是其显著缺点。 钐钻永磁材料的耐高温特性明显，其剩磁感应强度、矫顽力及最大磁能积 都很高，退磁曲线基本上是一条直线，而且回复线基本与退磁曲线重合，抗去 磁能力强。然而，材料昂贵的价格也成为使用的最大障碍。 钕铁硼永磁材料是目前磁性能最强的永磁材料，其最大磁能积可以达到 3 9 8 k i m 3 ，剩磁最高可达1 4 7 t ，矫顽力最高可超过1 0 0 0 k a m ，而且常温下 山东大学硕士学位论文 退磁曲线为一条直线。由于材料中不含有稀土钻，使其价格比钐钴永磁要便宜。 但是，钕铁硼永磁材料的温度系数较高，热稳定性差，通常最高工作温度只有 1 5 0 0 c 。 由于e p s 系统的助力电机安装位置靠近驾驶室，其最高工作温度不会超过 钕铁硼的最高工作温度。而且，从减小助力电机体积的目的出发，在电磁负荷 选择时，我们选取了较高的电磁负荷。因此，电机设计中可选择的永磁材料只 能是钕铁硼或钐钻中的一种。e p s 系统作为一种产品，除品质之外，价格是决 定其能否得到广泛应用的最重要的因素。因此，综合考虑各方面的因素，我们 最终选择了高性能的钕铁硼永磁材料n 3 8 s h ，既满足了永磁材料高性能的要求， 又满足了工作温度的限制。其主要参数如下： 参数 矫顽力最大磁能积最高工作温度 剩磁( t ) 霹号 k a ml d m 3 n 3 8 s h1 2 2 1 2 68 5 9 9 1 52 7 9 3 0 2 1 5 0 2 5 样机的主要参数及有限元分析 2 5 1 样机参数 一、性能要求 额定功率：2 5 0 w 额定电压： 1 2 v 额定转速： 13 2 0 r m i n 额定电流： 3 0 a 相数：3 相 二、电机主要结构参数 槽数： 1 2 极数： 8 定子铁心外径：8 5m i l l 定子铁心内径：3 7 9 m m 定子铁心长度： 3 2 5 m m 永磁体外径： 3 6 5 m m 1 4 山东大学硕士学位论文 转子铁心外径： 3 0 4 m m 转子铁心内径：l o m m 电机结构如图23 所示。 ( a ) 定子尺寸图( b ) 转子尺寸图 图2 3 样机定转子结构图 2 5 2 有限元分析结果 图2 4 给出了电机内的空载磁密分布。 圆 圈2 4 空载磁密分布 图2 5 为电机负载时的磁力线分布。 图2 5 电机负载时的破力线分布 图2 6 为电机的三相电流波形。 山东大学硕士学位论文 x 1 0 2 2 d r o t a t i 噶 ；0 m 州一儿山 j 心从h 州小 ? - ， 图2 7 电机起动转矩 当电机转速为1 3 2 0 r m i n 时，利用有限元仿真得到的电机各主要性能指标 的结果为：电磁转矩：1 8 5 n m ；母线电流：3 0 a ；电机系统效率：7 1 0 3 。 2 6本章小结 e p s 用永磁无刷直流电动机与一般无刷直流电动机相比，在设计方面存在 一些特殊之处，低电压、大电流、低转速、高功率密度、低转动惯量等是其基 本特点。而满足这些要求，是设计e p s 用无刷直流电动机的关键。本章根据e p s 系统对助力电机的性能要求，设计了一台无刷直流电动机。重点阐述了电机结 构型式、永磁体的选择，以及电磁负荷和电机主要参数的确定。最后使用有限 元仿真软件j m a g 进行了电机性能的计算，计算结果表明基本达到了设计要求。 1 7 c狮基o|一。毋一u一nb_io 山东大学硕士学位论文 第三章无刷直流电动机的性能计算 随着无刷直流电机应用范围的日益广泛，人们对无刷直流电机性能的要求 也不断提高。为了改善电机的性能，人们必须首先要对电机的性能进行分析。 然而，长期以来，有限元法一直是人们进行电机分析的主要手段。有限元法计 算可以得到精确的数值解，然而模型的前后处理和计算过程却要耗费大量时间， 并且不易于反映出电机参数变化对性能的影响。因此，将电机模型参数化，用 解析的方法计算电机的性能就有了很重要的意义。 为改善电机性能，在无刷直流电机的设计中常常需要采用分数槽绕组【8 】。 而表面式永磁转子结构由于工艺简单，气隙磁密波形易于控制，适于大批量生 产，其应用较内置式更为广泛。本章即以一台分数槽集中绕组表面式永磁无刷 直流电机为例，讲述解析法的计算过程。计算步骤如下【9 】： 3 1 空载气隙磁场计算 3 1 。1 永磁体产生的气隙磁场 文献 3 利用磁场的方法分析了表面式永磁电机中的气隙磁场分布。通过求 解电磁场偏微分方程的边值问题，得到求解区域内的磁密分布表达式。对于采 用平行充磁的永磁无刷直流电机，气隙磁密的径向分量为【3 ，1o 】： 啪卜喜2 警南耐一+ 盯( 卅 ( 竺：查3 釜：李：( 叁e 二匝竺：壶3 盘：壶；迅釜 譬审谢印i 一斜一警 当印= 1 时，有 啪，= 警 2 c o s ( n p o ) ( 印1 ) 永磁体内磁密的径向分量为： 当n p 1 时， 枷，童m 南叫+ ( 卅c o s c 卿， ( 3 1 ) c o s 口 ( 3 2 ) + 童似南 ( 印一劫惫+ 面1 + ( 爿叫卜c 删， 当n p = 1 时， ( 3 3 ) 1 9 山东大学硕士学位论文 啪，= 学 1 + ( 孚) 2 f ，2 帆一1 、 。一f 里 2北f ，生1簪( 乏 2 纠i x , 等 lm，lr lrj + 必2 l2 鲁+ h ( 州孚) 2 l n ( 耕础 m l 兄jl ，l 足j c o s ( 3 - 4 ) 以上各式既适用于内转子电机( r s r m r ，) ，也适用于外转子电机( r r r m r 。) 。 本文以所设计的表面式永磁无刷直流电动机为例进行了仿真。电机参数如 表3 - 1 所示： 表3 1 样机主要参数 8 53 2 53 0 4 定子槽数 1 2 定子外径定子有效长度 转子内径 【i t i m 】【m m 【m m 】 3 7 9 3 0 5 转子极数 8 定子内径永磁体厚度每相绕组匝数2 8 【r a m 【m i n i 仿真结果如图3 1 所示 定子内表面处的气隙磁密 永磁体内部的磁密分布 图3 1 不考虑齿槽时气隙和永磁体内的磁密分布 3 1 2 定子齿槽的影响 定子齿槽对于电机磁场分布的影响主要有两个方面：降低每极磁通，在计 一一 山东大学硕士学位论文 , i li 一；一妄i 一蚤；i 一i i 自! ! ! ! g ! ! s e ! e e 算中常用一个系数1 ( c 来反映这种影响；影响气隙和永磁体中的磁密分布。文献 【1 1 使用磁导函数五( ，) 的概念综合考虑这两个影响。 引入磁导函数后，考虑齿槽时的气隙磁场可表示为 ( ，口) = b ( r ，c t ) x a ( r ，口) ( 3 5 ) 其中b ( r ，口) 即为上一小节中得到的不考虑齿槽效应时的气隙或永磁体内磁场。 根据文献 1 l 】中的推导，力 ，) 的表达式如下 2 ( r ，口) = a 。( r ) c o s n q ( a + a 埘) n = o 其中q 为电机定子槽数； 口为电机圆周上的点相对于槽中心线的 角位移( 机械角度) ； 为a 相绕组轴线与槽中心线( 口= 0 ) 之间的机械角度； a 。( 广) = 去( 1 1 6 珈删 唰斟“去 鼍2 南 t 一幻 f ：丝 q 厂= 舡矿c 山 刖：委 么 卜丽1 ( 3 6 ) 薰子 图3 2 磁导函数计算模型 s i n ( 1 6 聊垒) o ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 2 l _ k卜耳l 山东大学硕+ 学位论文 v 通过下面的方程组求解 少i z 中1 ，厮x - 孑2 + v 2 + - - v 与+ 等a r c 协等赤 口2 ：1 + ( 掣) 2 ( 3 - 1 2 ) i ，一匙+ 6 ( 内转子电机) 。 ir 。+ 万。一厂( 夕f 、转子电机) 仍然以上一小节中提到的样机为例，我们得到的磁导函数的波形表示在图 3 3 中。 将式( 3 1 ) ，( 3 2 ) ，( 3 6 ) ( 3 1 2 ) 代入式( 3 5 ) 便可得到考虑齿槽影响 时候的气隙磁密波形图，如图3 6 所示。有限元法得到的仿真结果作为对比， 在图3 6 中一并给出。 ( a ) 解析法仿真结果( 一个周期内) ( b ) 有限元法仿真结果( 沿定子圆周内表面) 图3 3 气隙磁密分布波形图( 定子内表面处) 3 2空载反电势的计算 c凸vn了一k o一mwcm哥鼍 山东大学硕士学位论文 空载反电势可以由定子内表面处空载气隙磁场分布和绕组连接方式确定 【2 0 】。不考虑定子齿槽的影响时，由式( 2 6 ) 可知，定子内径处空载气隙磁场可 以表示为 定乎 ： b 删一咖( 秒) = 吃( b ) c o s ( 印秒) 其中0 = 口一； 口m = q f + o o ； 0 ，口，关系如右图所示。 岛与换向角有关，正常换向时为夕名 图3 4 定转子相对位置示意图 为简便起见，用一个气隙磁导平均值a o 来反映定子齿槽对磁密分布的影 响。于是有 b 删一曲( 口，f ) = 天。色( r ) c o s n p ( a 一口。) ( 3 - 1 3 ) 定子每匝线圈中的磁链 y = f 篆b o p e n _ a r ( 口，r 遗。d 口 c 3 t 4 ， 其中口y 为定子绕组节距，足为定子内径，0 为定子绕组有效长度。将( 3 1 3 ) 代 入式( 3 1 4 ) 得到 西。；警即s 印 浯 其中一s i n 印； 由p ：一半，将( 3 1 5 ) 代入得到 a t e = a 。2 色马芬q s i n n p a 。 ( 3 - 1 6 ) 当考虑到每相绕组由多个线圈通过串并联组成，而每个线圈多匝时。假设 每相绕组串联匝数为职则每相绕组的空载反电势为 山东大学硕士学位论文 e = a 。2 b r s l e 矿v c c o k , k , , , s i nn p a , 如为绕组分布因数1 2 1 ，对于集中绕组取1 。 对第二章中设计的样机，计算结果和有限元仿真结果如图3 5 所示。 ( 3 1 7 ) o = 露 ( a )解析计算结果 v o l t a g e 一 3 3齿槽转矩的计算 t i m ei m s ) ( b )有限元仿真结果 图3 5 空载反电势 齿槽转矩是永磁电机不通电时，永磁体与铁心之间相互作用产生的转矩， 是由永磁体与电枢齿之间切向分量的波动引起的。其定义为电机不通电时的磁 场能量w 相对于位置角口的负导数【3 1 ，即 = 一尝 ( 3 - 1 8 ) 假设电枢铁心磁导率为无穷大，则气隙和永磁体中储存的能量即近似为电 2 4 山东大学硕士学位论文 机内储存的能量。 形+ 跗= 去尸y 协 由于定子齿槽对于永磁体内的磁场能量变化的影响不明显，最po w p u 0 ， a c r 在计算齿槽转矩时，可以只用气隙内磁场能量的变化来表征。即 = 一1 w a f i r g a p ( 3 2 0 ) 为了分析简便，假设气隙内径向各点的磁密和磁导函数分布完全一致，而 只在圆周方向存在周期性变化。取气隙中心线上的值为径向各点的计算值，由 此即可根据2 1 节中的磁场和磁导函数得到电机内磁场的表达式。 ( 轳笔产p 以岛钞2 ( ( 3 - 2 1 ) 其中，= 华。 将式( 3 2 1 ) 代入式( 3 2 0 ) 即可得到电机齿槽转矩表达式如下： ( 咖笔；| | ；棚2 一n ( n n o , ) 其中n 是磁极数劲和定子槽数q 的最小公倍数，也是沿电机定子一周的齿槽 转矩周期数。 根据3 - 2 2 式得到的一个齿槽转矩周期内的齿槽转矩波形如图3 6 ( a ) 所示。 利用有限元法得到的结果如图( b ) 所示。 ( a ) 解析法得到的齿槽转矩波形( 一个齿槽转矩周期内) 山东大学硕士学位论文 5 西 妻 ! 岜 当 g 2 ( b ) 有限元仿真结果( 一个齿距内) 图3 6 样机齿槽转矩波形图 3 4负载电流和电磁转矩 以两相导通三相六状态永磁无刷直流电动机为例，电机绕组根据转子位置 依次导通，且每次导通两相，每相导通1 2 0 0 电角度，每隔6 0 0 一次换向过程。 电机运行时，逆变器主电路、电枢绕组、转子永磁磁场与电枢反应磁场相 互耦合，形成一个场路耦合系统。其场路耦合模型如图3 7 所示【1 7 ，2 。 u 图3 7 永磁无刷直流电动机场路耦合模型 在假设三相绕组空间对称分布，即各相绕组等效电路参数相等，其三相绕 组的电压平衡方程为： 山东大学硕士学位论文 础乞+ 乞+ l 鲁+ 驴鲋矿乙鲁栅。( 3 - 2 3 ) 划f c + 巳+ 厶鲁+ t + + t = 0 其中豁。为电机中性点的电压。 对于上述方程组的求解，文献 1 7 】 2 1 】分别得出了不同的结果。文献 1 7 针 对梯形波永磁电动机的特点，假设空载反电势为标准的平项波，而且平顶宽度 大于1 2 0 0 ，由此假定电机的空载反电势为一个常数e ，进而得到简化的结果。 而文献 2 1 n 在无上述假设的条件，即空载电势随时间变化的情况下，得到了 电枢电流的微分方程表达式。为计算简便，本文采用文献【1 7 得到的结果。以 a c 两相导通和a c 相导通向b c 相导通换向的过程为研究对象，并根据电机运 行模式的周期性，得到了无刷直流电机b 相电流在一个周期内的表达式( 3 2 4 ) 。 再根据