（电机与电器专业论文）混合动力汽车用永磁同步电动机设计与研究.pdf

a b s t r a c t p e r m a n e n tm a g n e ts ”1 c h r o n o l l sm o t o r ( p m s m ) i sw i t hh i g he f f i c i e n c y ，p o w e r d e n s i t y ，e t c i ti sw i d e l yu s e di nh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g n a n ds t u d yo fah y b r i dv e h i c l e1 2 5 k wp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h o n o u sm o t o rd r i v e i ti s d e s i g n e da n ds t u d i e do f ap m s m w i t h1 2 5 k wi nh e v f i r s t l y ，o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h en e c e s s i t yo fd e v e l o p m e n to fh e v a n dr e f e r n n g r e l e v a n tm a t e r i a l so ft h i sf i e l d , t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g ya n d r e s e a r c hs t a t u so fh e v i ts u m su pt h em a i nk e yt e c h n o l o g yo fh e va n di t sd e v e l o p i n g i r e n d b yc o m p a r i n gv a r i o u st y p e so fm o t o r d r i v es y s t e m s ，t h i sp a p e rp o i n t so u tv i r t u ea n d d i s a d v a n t a g eo f e a c hd r i v es y s t e m s s e c o n d l y , o f p e r m a n e n tm a g n e tm o t o rt h es t r u c t u r a lf e a t u r e so fp m s m w a sa n a l y z e d s e l e c tt h ea p p r o p r i a t ed e s i g no fs t r u c t u r ew a ss e l e c t ，t h em e t h o d sa n ds t e p si nd e s i g no f p m s mw a sm a d ef o rh e v b e c a u s eo ft h es p a c el i m i t a t i o n so fh e v ，t h ew a t e r - c o o l e d s t r u c t u r ew a ss e l e c t e dt oi n c r e a s et h em o t o rc o o l i n ge f f e c t t h e nt h e2 df i n i t ee l e m e n tm o d e lo fp m s mw a se s t a b l i s h e d n l ee l e c t r o m a g n e t i c f i e l do fp m s mn o - l o a da n dl o a dw a sa n a l y z e d i ti sd r a w no ft h em a g n e t i cf i e l dd e n s i t y d i s t r i b u t i o na n dt h ea i r - g a pf l u xd e n s i t yc b r v e t h ei m p a c to fm a g n e t i s mi s o l a t i n gs e g m e n t i nb u i l t - i nm o t o rw a sa n a l y z e d t h em a g n e t i cf l u xa n dl e a k a g ec o e f f i c i e n tw a sc a l c u l a t e d t h eh a r m o n i ca n a l y s i sw a sm a d ei nn o - l o a dm a g n e t i cf i e l d t h ef l u xd e n s i t ya n d m a g n e t i cv e c t o rv a l u ei nt h ep m s mc a nb eo b t a i n e da c c u r a t e l y i ti su s e f u lt oa n a l y z et h e p r o p e r t i e so fp m s m f i n a l l y ，ap r o t o t y p ew a sm a d ea n di ti st e s t e dt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e mo f p r o t o t y p ew a sm e e t t h ed a t ea n dm e t h o dw a sa c c u m u l a t e df o rf u r t h e ro p t i m i z a t i o nd e s i g n i nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：h e v ，p m s m , m a g n e t i cf i e l dc o m p u t a t i o n , f e m 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞苤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了谢意。 学位论文作者签名斛卡l 签字日期勰7 年月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼态堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：镫帚乏 签字日期：门g 年月j 日 孙：； 导师签名： 答字嗍：1 刖1 第一章绪论 第一章绪论 随着全球石油危机及环境污染的加剧，电动汽车的研究开发得到普遍重视和广 泛关注。电动汽车的电驱动系统以驱动电机的不同分类，包括直流有刷电动机系统、 异步电动机系统、开关磁阻电动机系统、无刷直流电动机系统和永磁同步电动机系 统。其中永磁同步电动机系统具有最优综合指标，是电动汽车驱动的理想选择，得 到了广泛应用。 电动汽车将使能源的利用多元化和高效化，达到能源的可靠、均衡和无污染地 利用的目的。从环保的角度来看，电动车是无排放交通工具，即使计及发电厂增加 的排气，总量上来看，它也将使空气污染大为减少。此处，电动车比传统的燃料汽 车更易实现精确的控制，智能交通系统则有可能率先通过电动车来实现，从而提高 道路利用率和交通安全性。 但是，目前电动车存在的最大缺点是每次充电行驶里程不够长j 这主要是由于 电池的能量密度不够高。鉴于此，目前，混合电动车已成为各国主攻方向和商品化 的主流。混合电动车是同时具有电动机驱动和内燃机驱动，其最大优点是行驶里程 长，而且基本上不需要新的基础设施。但其缺点是它不是零排放车辆，而且结构复 杂，因此其维修工作最比电动车较大，其可靠性比电动车较低。尽管如此，目前世 界各主要汽车厂都在重点开发和推广混合电动车。 研制开发电动车的关键主要有两个方面：一是生产高能量密度的电池，二是开 发性能优良的驱动系统。 驱动系统中高密度、高效率、宽调速的车辆牵引电机及其控制系统是电动汽车 的心脏，是电动汽车研制的关键技术之一。 1 1 电动汽车用驱动电机国内外的研究状况 目前，对电动汽车用驱动电机研究较多的是国家主要是日本、美国和欧洲一些 发达国家。 日本对电动车的研究起步较早，1 9 6 5 年就开始研制电动车，并于1 9 6 7 年成立 了日本电动车协会。由于永磁同步电机的性能优良，所以一经问世就受到日本汽车 公司的青睐。 早在1 9 9 6 年，丰田汽车公司的电动车r a v 4 就采用了东京电机公司的插入式 永磁同步电机作为驱动电机，其下属的日本富士电子研究所研制的永磁同步电机可 以达到最大功率5 0 k w ，最高转速13 0 0 0 r m i n 。 第一章绪论 1 9 9 7 年3 月东京电机公司又推出内置式永磁同步电机驱动系统。并用于世界第 一批批量生产的丰田混合电动车上。第二代丰田混合电动车改进了驱动电机的机械 与电磁结构，与第一代电动机相比，功率由3 0 k w ，2 0 0 0 r m i n 提升至3 3 k w ，5 6 0 0 r m i n 本田公司2 0 0 1 年推出的燃料电池试验车f c x - - v 4 的驱动电机最高功率为 6 0 k w ，最大转矩为2 7 2 n m 除丰田和本田两大汽车公司外，日本的其它汽车公司和研发部门也非常重视电 动车驱动用永磁同步电机的研究并研制出了各种功率的电动车驱动电机，而且电机 高速大多采用弱磁控制，扩大了电机的最高转速。 近几年日本电机工程研究实验室与其它公司合作又推出采用双层永磁体的内置 式永磁同步电机，提高了电机的交轴电导，使电机转矩增加1 0 ，最大效率区增加 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 。目前，日 本的电动车发展更是一如既往，驱动用永磁同步电机的研发速度也在进一步加快。 美国的电动车开发比日本晚，在美国，感应电机的设计及其控制策略的发展较 为成熟，所以电动车驱动电机还主要以感应电机为主。但同时美国也进行了永磁同 步电机的研究，而且成果卓著。s a t c o n 技术公司研制的驱动用永磁同步电机采用定 子双套绕组技术，既扩大了永磁同步电机的转速范围，又有效利用了逆变器的电压， 绕组电流低，电机效率高。 欧洲许多发达国家很早就开始了对电动车的研究。在电动车驱动电机的选择上， 不同国家各有侧重：英国、法国偏重于永磁无刷直流电机，德国偏重于开关磁阻电机。 比利时、奥地利等国主要以感应电机、开关磁阻电机为主。但欧洲各国对永磁同步 电机也都进行了不同程度的研究和应用。在法国v e d e l i c 电动车计划中，p s a 电 动车动力传动系统生产商m o t e t t r sl e r o y - s o m e r 在1 9 9 7 年改进了驱动电机，选择的 新型驱动电机即为3 相永磁同步电机。德国第三代奥迪混合电动车驱动电机采用了 永磁同步电机。其最高转速为1 2 ，5 0 0 r m i n ，最大输出功率3 2 k w 。瑞典等国也对永 磁同步电机进行了研究，瑞典皇家技术学院研制了用于4 象限运行新型混合电动车 上永磁同步电机。 早在8 0 年代我国有关方面就己提出并着手发展电动车。“九五”期间，国家为 了推进电动汽车的开发，先后投入了l 亿多元，为国家发展电动汽车奠定了基础。 国家科技部制定了“十五 国家8 6 3 计划电动汽车重大专项，从国家汽车产业发展 战略的高度出发，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，联合进行攻关， 旨在实现我国能源安全、改善大气环境、提高w t o 后我国汽车工业的竞争力。8 6 3 计划电动汽车专项计划总投资8 8 亿人民币，为科技部历史上最大的一笔投资。目 前，中科院电工所、沈阳工业大学、天津大学、哈尔滨工业大学、清华大学、香港 2 第一章绪论 大学等研究部门、大专院校与一汽、二汽、天津清源电动车辆有限责任公司等生产 厂家合作开发了电动车辆。天津大学与天津清源电动车辆有限公司共同承担了国家 “8 6 3 ”电动汽车重大专项“纯电动混合动力车用驱动电机系统研发项目的研究工 作，开发研制了符合混合动力轿车动力及经济性能指标要求的永磁同步电动机总成。 永磁同步电动机做为一汽的红旗牌混合动力轿车采用了哈工大研制的永磁同步电机 作为驱动电机；郑州华联电动车辆研究所已研制成功的四人座电动轿车采用了额定 功率为1 0 k w 的永磁同步电机，电机过载能力为4 倍。2 0 0 2 年，清华大学研制的串 联式混合电动公交车，其辅助驱动的电动机为额定功率2 0 k w 永磁同步电机。东风 e q 7 2 0 0 h e v 混合动力轿车，该车配置直流永磁无刷电动机和镍氢电池，百公里油 耗与e q 7 2 0 0 轿车相比下降( 城市工况) 3 0 ，成本比同型号轿车高3 0 ，最高车 速高于1 6 0 k m h , 整车排放不低于欧i 标准。东风的e q 6 11 0 0 h e v 混合汽车，该 车采用开关磁阻电动机，最高车速大于8 0 k m h 。 日前，我国电动车发展迅速，但与国外发达国家相比还有很大差距，驱动电机 的性能还需进一步改善，还有许多问题需要解决。 1 2 本课题研究的意义 交通能源短缺与环境污染污染问题是2 l 世纪全球面临的重大挑战和制约汽车 工业可持续发展的症结所在。2 0 0 5 年我国汽车燃油消耗约7 0 0 0 万吨，占石油消耗 的2 5 ，同年我国进口石油及其产品超过1 3 亿吨，石油对外依存度4 2 ，到2 0 2 0 年，汽车消耗的能源将占到石油总量的5 0 以上，届时石油对外依存度将超过6 0 。 联合国开发计划署发布的中国人类发展报告指出，目前全球2 0 个空气污染最严 重的城市中，中国占1 6 个，严重的环境污染不仅导致高昂的经济成本和环境成本， 而且对公众健康构成危害，使我国建设全面小康社会对环境的要求面临巨大挑战。 同时，作为京都议定书签约国，我国未来经济发展还面临控制c 0 2 排放的巨大 压力。由于节能和环保效果明显，并在各国优惠政策的鼓励下，目前，电动汽车已 由小批量生产开始进入快速增长阶段。我国政府也高度关注节能与新能源汽车的研 发和产业化，鼓励和发展节能环保汽车。当今我国的电动汽车研究方兴未艾，国内 各大高校和研究机构，以及各大生产厂商都积极致力于电动汽车的基础性研究和主 要方案的设计与开发。本课题旨在设计与研究具有国际先进水平的高功率密度的用 于混合动力汽车用的永磁同步电动机，克服技术上的难点，完善相关的设计理念及 方法，减小电机的齿槽转矩，使设计电机具有热负荷高，过载能力强等优点，推动 永磁同步电机在电动汽车领域的应用。 第一章绪论 1 3 本课题的主要内容 本课题主要承担混合动力汽车用永磁同步电动机的设计与研究方面的任务，开 发研制出符合混合动力汽车动力及经济性能指标要求的永磁同步电动机。主要研究 内容： ( 1 ) 分析了国内外混合动力汽车的研究状况以及混合动力汽车驱动系统的结构 与特点，对混合动力汽车用驱动电机进行了分类比较，选取永磁同步电动机为设计 电机。 ( 2 ) 通过对永磁同步电动机的结构分析，掌握高功率密度，高效率的永磁同步 电动机的结构及制造工艺。 ( 3 ) 通过永磁同步电动机的设计技术指标要求，对额定功率为1 2 5 k w 的永磁同 步电动机进行结构、绕组、磁钢等设计，总结出该类型电机的设计方法及设计程序。 ( 4 ) 对电机实行水冷式降温，设计水冷式结构，在电机机壳上开有水道槽，在 水道槽中缠绕有水管，通过水管中流过的冷却水对电机有效地降温。 ( 5 ) 分析转子磁路结构对电机空载磁场的影响，以有限元方法就不同转子结构 及不同磁体参数进行了讨论分析，包括不同的永磁体放置方式、不同的磁极宽度、 厚度等等，选取更适合弱磁扩速的内置式转子磁路结构，对空载磁场进行了漏磁与 谐波分析，并对设计电机额定负载情况下进行了有限元分析。 ( 6 ) 通过制作的样机，对其性能和参数进行测试，通过实验分析，设计电机达 到了主要技术指标和要求，为以后进一步优化发展积累了经验与数据。 4 第二章混合动力汽车驱动系统的结构及其特点 第二章混合动力汽车驱动系统的结构及其特点 2 1 混合动力汽车概述 早在2 0 世纪初，混合动力电动车就已经出现在汽车市场上，1 8 9 9 - - 1 9 1 9 年期 间，美国芝加哥有一家伍得斯汽车公司( w o o d sm o t o r v e h i c l ec o ，) 专门生产各种型一 号的电动汽车。1 9 1 6 年它曾推出过一款伍得斯双动力汽车( w o o d sd u a lp o w e r ) ， 见图1 0 1 。这是一辆并联式混合动力电动车，除了电机驱动外还装有一台1 2 马力4 款汽油机，用于高速行驶及对蓄电池充电。在纯电动模式下，它的最高车速为 3 2 k m h 。两种驱动系统都工作时，最高车速可达5 8 k m h 。当时该车的售价为2 7 0 0 美元。6 0 多年后，由于第一次能源危机和环境保护、全球变暖问题的影响，进而提 高了对汽车燃油经济性和减少二氧化碳温室气体排放的关注，人们又重新对混合动 力电动汽车发生兴趣。1 9 7 6 年美国能源部审定了“电动和混合动力车辆研究、开发、 示范法令，以推动、鼓励和支持混合动力车辆的研究和开发。此后世界各主要汽 车厂商都投入巨资来开发混合动力电动汽车，取得不少成果，特别是日本的丰田汽 车公司和本田汽车公司。1 9 9 3 年，美国政府又制定了p n g v 计划( t h ep a r t n e r s h i pf o r an e wg e n e r a t i o no f v e h i c l e s ) ，其主要目标是开发燃油经济性比现有车辆好的汽车， 并充分考虑加州零排放车辆( z e v ) 的要求，以便参与汽车市场的商业竞争。 为了对混合动力车进一步阐述，参考国际能源组织( i e a ) 的有关文献，对混 合动力车辆定义如下，即能量与功率传送路线具有如下特点的车辆称为混合动力车 辆： ( 1 ) 传送到车轮推进车辆运动的能量，至少来自两种不同的能量转换装置( 例 如内燃机、燃气涡轮、斯特林发动机、电机、液压马达、燃料电池等) ； ( 2 ) 这些能量转换装置至少要从两种不同的能量储存装置( 例如燃油箱、蓄电 池、飞轮、超级电容、高压储氢罐等) 吸取能量； ( 3 ) 从储能装置流向车轮的这些通道，至少有一条是可逆的( 既可放出能量， 也可吸收能量) ，并至少还有一条是不可逆的。 ( 4 ) 如果可逆的储能装置供应的是电能时，则称为混合动力电动力。 在传统的车辆中，内燃机上也都装有一只用蓄电池供电的启动马达。由于一些 国家对购买混合动力电动车实施减税待遇优惠，根据以上定义，在衡量它们算不算 混合动力车，以便决定是否能享受减税待遇时，可能会发生争论。但是，注意到启 动马达只是用来启动发动机，它不提供牵引功率，而且其功率比内燃机的功率小很 多，所以要划定怎样才算混合动力电动车，就需要制定有关电机功率的数量标准， 以及必须参与提供索引的功率大小。 第二章混合动力汽车驱动系统的结构及其特点 迄今为止，开发成功的大多数混合动力汽车可以叫做“油一电”混合动力电机 汽车，因为这类车辆中，不可逆储能装置是燃油箱，它向内燃机供应能量，通过内 燃机再把它变成机械能；而这类车辆中，可逆的电能储能装置通常是蓄电池、电机 械飞轮或超级电容。近年来采用燃料电池作为能量转换装置和用储氢罐作为能量储 存装置的车辆开始出现，因而相应也就有燃料电池混合动力电动车。 2 2 混合动力汽车的分类 理论上，根据能量流和功率流的不同配置，可以想象出各式各样用途的混合动 力电动车结构，但实际上只开发了少数几种。现在全世界正在为各种用途的车辆( 从 两轮车、中小型客车、厢式货车直至大客车) 开发混合动力车辆驱动系统。由于车 辆应用场合的不同，对混合动力驱动系统的性能要求也就不相同，从而混合动力系 统的结构配置也就会跟着变化。混合动力汽车动力系统的结构配置有以下几种形式： 2 2 1 串联混合动力系统 串联混合动力驱动系统的结构见图2 1 。其结构特点是发动机带动发电机发电， 发出的电能通过电机控制器输送给电机，由电机产生电磁力矩驱动汽车行驶。在发 动机与传动系之间通过电机实现动力传递。蓄电池( 也可以是其他储能装置，如超 级电容、机械飞轮等) 是发电机与电机之间的储能装置，其功能是起到功率平衡的 作用，即当发电机发出的功率大于电机所需的功率时( 如汽车减速滑行、低速行驶 或短时停车等工况) ，发电机向电池充电；而当发电机发出的功率低于电机所需的 功率时( 如汽车起步、加速、爬坡、高速行驶等工况) ，蓄电池则向电机提供额外 的电能，补充发电机功率的不足，满足车辆峰值功率要求。 图2 - 1 串联混合动力驱动系统 6 第二章混合动力汽车驱动系统的结构及其特点 发动机一发电机所输出的平均功率与蓄电池为满足峰值功率要求而提供的补充 功率之间的比例，通常由车辆的应用特点决定，特别要考虑车辆行驶循环的需求。 串联式混合动力系统适用于目标和行驶工况相对确定的车辆，例如货物分送车、城 市公共汽车等在城市内走走停停的车辆。串联式混合动力电动车具有如下优点。 ( 1 ) 发动机工作状态不受车辆行驶工况的影响，始终在最佳的工作区域内稳定 运行，因此，发动机具有良好的经济性和低的排放性能。 ( 2 ) 发动机与电机之间无机械连接，整车的结构布置自由度较大。各种驱动系 统元件可以放在最适合于它的车辆位置，例如在低地板公共汽车上，可以将发动机 一发电机组装在车尾部或其他部位并采用电动轮驱动方式，从而降低地板高度。 ( 3 ) 由于电机的功率大，制动能量回收的潜力大，从而提高能量效率。 串联式混合动力电动汽车存在的缺点如下： ( 1 ) 发电机将发动机的机械能量转变为电能，电机又将电能转变为机械能，还 有电池的充电和放电都有能量损失，因此，发动机输出的能量利用率比较低。串联 混合动力电动车的发动机能保持在最佳工作稳定运行。这特点的优越性主要表现 在低速、加速等行驶工况，而在车辆中、高速行驶时，由于其电传动效率较低，抵 消了发动机效率高的优点。 ( 2 ) 电机是唯一驱动汽车行驶的动力装置，因此，电机的功率要足够大。此外， 蓄电池一方面要满足汽车行驶中峰值功率的需要，以补充发电机输出功率的不足； 另一方面，要满足吸收制动能量的要求，这就需要较大的电池容量。所以，电机和 蓄电池的体积和重量都比较大，使得整车重量较大。 根据以上特点，串联混合动力电动车更适用于市内低速运行的工况，而不适合 高速公路行驶工况。 串联式混合动力系统有三种基本工作模式。 ( 1 ) 主要利用电池来驱动车辆，仅当电池s o c ( 荷电状态) 降低到最小限值时， 内燃机才开机。同时使内燃机在最高效率区以输出恒定功率的方式工作，当s o c 回 升到最大限值时内燃机关机。这种策略的主要缺点是内燃机的接通和关断会贯穿于 车辆出行的整个过程，由于内燃机每次关机期间，内燃机和催化转换装置的温度降 低，而导致它们的效率降低。这种模式也称为“恒温器式控制”。 ( 2 )“负荷跟随”控制模式，保持电池的s o c 在规定的范围之内，内燃机带动 发电机工作并尽可能地供应接近车辆行驶所需的电能，电池只起负荷调节装置的作 用。这种模式电池的充放电量较小，能量损失最小。这种模式的缺点是内燃机不能 工作在最佳转速和负荷下，因此其排放可能变差、效率降低。 ( 3 ) 上述两种模式( 或控制策略) 的一个折中方案。在电池的s o c 较高时，主 要用于纯电动模式。而当电池的s o c 降低到设定的范围内时，内燃机带动发电机工 第二章混合动力汽车驱动系统的结构及其特点 作，考虑到内燃机的排放和效率，将其输出功率严格限制在一定的变化范围内。如 果能预测到车辆行程内的总能量需求，则一旦电池中储存了足够的能量，在剩余的 行程中车辆就可转换为纯电动模式，到了行程终点正好耗尽电池所允许放出的电能。 这种模式或策略也称为最佳串联混合动力模式。 2 2 2 并联混合动力系统 并联式结构有内燃机和电机两套驱动系统。它们可分开工作，也可一起协调工 作，共同驱动。所以并联式混合动力电动汽车可以在比较复杂的工况下使用，应用 范围比较广。并联式结构由于电机的数量和种类、传动系统的类型、部件的数量( 如 离合器的数量) 和位置关系( 如电机与离合器的位置关系) 的差别，具有明显的多 样性。结构上可划分为两种形式，即单轴式和双轴式。 1 单轴式混合动力系统 图2 - 2 单轴式并联混合动力系统 单轴式结构如图2 2 所示。内燃机通过主传动轴与变速器相连，电机的转矩通 过齿轮与内燃机的转矩在变速器前进行复合，传到驱动轴上的功率是两者之和，这 种形式称为转矩复合。单轴式结构的速度、转矩关系如下 互= ( c + k 乙) 叼 n s = ，l 。= n 。k ( 2 - 1 ) 式中，疋、死、瓦分别为发动机、电机和变速箱的输入转矩：n s 、甩，、甩。分别为变速 器输入轴、发动机和电机转速：r 为传动效率；k 为传动比。 第二章混合动力汽车驱动系统的结构及其特点 在单轴式结构中，内燃机、电机和变速器输入轴之间的转速成一定比例关系。 在汽车运行中，随着路况和车速的变化，这些转速会随着变化。输出转矩的变化， 可以通过公式2 - 1 中的转矩关系，在发动机转矩保持恒定的条件下，通过调节电机 的转矩而获得。 奥迪d u o i i i 、本田i n s i g h t 混合动力系统、福特低能量存储混合动力方案( l s r ) 均采用的是单轴式混合动力结构。 2 双轴式并联混合动力系统 图2 - 3 双轴式并联混合动力驱动系统 双轴式结构中图2 3 可以有两套机械变速器；内燃机和电机各自与一套变速机 构相连，然后通过齿轮系进行复合。在这种结构中，可以通过调节变速机构调节内 燃机、电机之间的转速关系，使发动机的工况调节变得更灵活，当采用行星差动系 统作为动力复合机构时，行星差动动力复合机构有两个自由度，可以实现两个输入 部件的转速复合，以确定输出轴的转速，而各个部件间的转矩保持一定的比例关系， 这种功率复合形式称为速度复合。双轴式并联混合动力系统，结构十分复杂是一个 很大的缺点。 并联式混合动力电动汽车具有如下特点： ( 1 ) 发动机通过机械传动机构直接驱动汽车，无机械能一电能转换损失，因此 发动机输出能量的利用率相对较高，如果汽车行驶工况能保证发动机在其最佳的工 作范围内运行时，并联驱动系统的燃油经济性比串联的高。 ( 2 ) 当电机仅起功率“调峰”作用时，电机、发动机的功率可适当减小，电池 的容量也可减小。 9 第二章混合动力汽车驱动系统的结构及其特点 ( 3 ) 在繁华的市区低速行驶时，并联式混合动力电动汽车也可通过关闭发动机， 以纯电动方式运行实现零排放行驶，但这就需要有功率足够大的电机，所需电池容 量也相应要大。 ( 4 ) 发动机与电机并联驱动时，还需要动力复合装置，因此，并联驱动系统的 传动机构较为复杂。 ( 5 ) 并联驱动系统与车轮之间直接机械连接，发动机的运行工况频繁变化的情 况下运行时，发动机有可能不在其最佳工作区域内运行，其油耗和排放指标可能不 如串联式混合动力系统。并联式驱动系统最适合于汽车在中、高速工况下( 如高速 公路) 稳定行驶。 此外，并联混合驱动系统不适合采用燃料电池作动力源的动力系统。 并联式混合动力系统主要有两种基本工作模式。 ( 1 ) 内燃机辅助混合动力模式主要利用电池一电机系统来驱动车辆，仅当以 较高的巡航速度行驶、爬坡和急加速时才使内燃机开机。这种控制策略的优点是， 大多数情况下车辆都是用电池的电能来工作，车辆的排放和燃油消耗减少，同时， 启动马达可以取消而利用车辆的运动来启动内燃机。这种策略的缺点是，由于内燃 机每次关机期间，内燃机和催化转换装置的温度降低，而导致它们的效率降低，尾 气排放增加。 ( 2 ) 电机辅助混合动力模式主要利用内燃机来驱动车辆，电机只在两种状态 下使用：一是用于瞬间加速和爬坡需要峰值功率时，可使内燃机工作在最高效率区 间，以降低排放和减少燃油消耗；二是在车辆减速制动时电机被用来回收车辆的动 能( 再生制动) 对电池进行充电。该模式的主要缺点是车辆不具备纯电动模式，以 及在行驶过程中若经常加速，电池的电能消耗到最低限度，则会失去“电机辅助” 能力，驾驶员会感到车辆性能有所降低。 2 2 3 混联式混合动力系统 混联式驱动系统可以在串联混合模式下工作，也可以在并联混合动力模式下工 作，即两种模式的综合。这就要求有两个电机、一个比较复杂的传动系统和一个智 能化控制系统。 混联式驱动系统的结构见图2 _ 4 。其工作原理如下：发动机发出的功率一部分通 过功率分流装置，经机械传动系统至驱动桥，另一部分则驱动发电机发电，发出的 电能输送给电机或蓄电池，电机的力矩同样也可通过传动系传送给驱动桥。混联式 驱动系统的控制策略是：在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联模式工作；当汽 车高速稳定行驶时，则以并联工作模式为主。 l o 第二章混合动力汽车驱动系统的结构及其特点 r l 1 电池i i ，一j 图2 _ 4 混联式混合动力驱动系统 混联式驱动系统的结构形式和控制方式充分发挥了串联式和并联式的优点，能 够使发动机、发电机、电机等部件进行更优化的匹配，在结构上保证了在更复杂的 工况下使系统工作在最优状态，因此更容易实现排放和油耗的控制目标。与并联式 相比，混联式的动力复合形式更复杂，对动力复合装置的要求更高。目前的混联式 结构一般以行星齿轮作为动力复合装置。丰田公司在p f i u s 车型中采用了这种方案。 根据各种驱动系统的比较，本文中采用的是并联式驱动系统的结构形式。 2 3 混合动力汽车用驱动电机分类 在混合动力汽车中我们采用电动机做为动力的一部分，但是采用哪种电机最适 合电动汽车使用，对此我们对使用在混合动力中的各种电机分别做一介绍。 2 3 1 直流电动机 直流电动机大致可分为采用永久磁铁的永磁式电动机和采用电磁铁的绕组励磁 式电动机。在混合动力汽车所采用的电动机中，小功率电动机采用的是永磁电动机， 而大功率的电动机，大多采用的是串励、并励以及复励电动机等有励磁绕组的电动 机。 由于直流电动机的驱动装置很简单，所以在早期的电动汽车以及期望获得更简 单的结构的电动汽车中都有应用。 在电动汽车中作驱动用的直流电动机有如下特征： ( 1 ) 通过对电枢电流的控制，可以非常简单的实现对转矩的线性和高速控制； 第二章混合动力汽车驱动系统的结构及其特点 ( 2 ) 通过改变励磁绕组的电流，可以很容易实现弱磁，从而使高速运行也变得 简单可行； ( 3 ) 串励电动机在低速时可自动地获得大转矩。 但是，直流电动机也存在些问题，例如，由于存在电刷、换向器等易磨损器 件，所以有必要定期对其进行维护和更换，并且限于转子电枢的结构，直流电动机 不适合用于高速旋转的情况等，所以与其他类型的电动机相比，直流电动机一般体 积比较大。因此，目前除了在小型汽车中广泛使用外，在其他汽车的使用中，交流 电动机正日益取代直流电动机。 小功率( 1 0 0 w 1 q k w ) 的电动机采用的是小型高效率的永磁直流电动机，可以 应用在小型、低速的搬运设备中。例如，在动力辅助电动自行车、休闲用电动汽车、 供步行困难者使用的电动三轮、四轮汽车、轮椅中使用的动力辅助装置、高尔夫球 车、叉式升降机以及小型汽车等中都有实际应用。尤其是在以轻型化为目的的电动 机中，采用了稀土类磁铁。 中等功率( 1 0 1 0 0 k w ) 的直流电动机中，采用了他励、复励以及串励电动机， 有在配送用的电动汽车等中实际应用的例子。 大功率的直流电动机沿用以前的电车技术，采用了串励电动机。由于串励电动 机具有适合于电动汽车的转矩特性，所以适用于要求简单且频繁加减速的运行和驱 动。 电动汽车专用的直流电动机的结构和一般的直流电动机的结构没有显著的差 别，同一般工业用的电动机相比，有以下特点： ( 1 ) 电枢轴要延长，以便安装用于速度检测的脉冲发生器和推力轴接头； ( 2 ) 转子直径要设计得小些，轴长要设计得长些以适应高速旋转； ( 3 ) 为了便于散热，电枢槽要设计得多些； ( 4 ) 为了换向片、电刷等的定期检查和维护，检查口应制造得大些； ( 5 ) 由于振动、为了防止电刷的误动作，应提高电刷的预压紧力； ( 6 ) 和其他电动汽车用电动机相同，短时功率( 最大功率值) 和额定功率应记 录在铭牌上。 由此，电动汽车专用的直流电动机和其他通用的电动机相比，需要考虑的事项 有：耐高温性、抗振动性、低损耗性、抗负载波动性等，此外还有小型轻量化、免 维护性等技术上的难题。 第二章混合动力汽车驱动系统的结构及其特点 2 3 2 异步电动机 异步电动机可以分为笼型和绕线转子异步电动机两类，在电动汽车中，使用的 只有笼型异步电动机。此电动机能够实现高速运转，而且在小型的笼型电动机中， 由于结构简单，所以造价便宜、结构坚固，而且维护起来也很容易。 异步电动机的定子中被放置了三相绕组，并产生了放置磁场，其中旋转磁场的 转速和频率成正比。转子中是用铸铝将导条和端环以一体的结构铸造出来：因此， 结构简单且坚固。此外，由于转子绕组中使用了整体轻量化的材料，即使得超高速 的运转成为可能，也可以实现小型化。异步电动机成本低用可靠性高，逆变器即便 是损坏而产生短路也不会产生反向电动势，所以没有出现急刹车的可能性。因此， 它在大型高速的电动汽车中使用得很多，但和永磁同步电动机相比，效率方面会略 逊一凿。 2 3 3 开关磁阻电机 目前开关磁阻电机在电动汽车领域也有较多应用。 开关磁阻电机的优点： ( 1 ) 电机转子无绕阻，成本低，无明显的热量产生，延长了轴承寿命，凸极转 子转动惯量低，易于调速控制； ( 2 ) 定子整体线圈嵌装容易、牢固；热耗大部分集中于定子，易于冷却，转子 无永磁体，可有较高的最大允许温升； ( 3 ) 启动电流小，启动转矩大的优点在低速运行段同样明显，十分适合需要频 繁启动和较长时间低速重载运行的机械。 开关磁阻电机的缺点： ( 1 ) 能量转换密度低于电磁式电机； ( 2 ) 转矩脉动大，由转矩脉动所导致的噪声及特定频率下的谐振问题也较为突 出。 ( 3 ) 相数越多，离接线也较多，主电路复杂。 2 3 4 永磁同步电动机 永磁电动机因应用永磁体，所以不用励磁，从而省去了励磁功率。永磁同步电 动机同步运转时，效率很高，其功率因数为0 9 5 以上。其主要特点可归纳为如下四 个方面： 第二章混合动力汽车驱动系统的结构及其特点 ( 1 ) 高效节能、功率因数高。永磁同步电动机一般效率达到9 5 以上，比异步 电动机提高1 0 - 1 5 。因永磁同步电动机没有励磁功率，无功损耗很小，功率因数 大于0 9 5 0 9 9 ，接近于l ，系统综合节电明显。 ( 2 ) 效率曲线平直。永磁同步电动机效率曲线好，负载在1 4 时，效率仍能达到 9 2 以上。 ( 3 ) 结构简单，便于维护。与一般异步电动机相同，主要由定子、转子及机壳 构成，无滑环、无电刷、结构简单、寿命长、维护方便。 ( 4 ) 调速精度高。永磁同步电动机的转速完全成频率同步，不受电源电压和负 载变化的影响。 永磁同步电机在散热方面是一项非常重要的技术，目前还存在成本高的缺点， 要做到体积小、重量轻，尚存在一定的技术难度。 2 a 混合动力汽车用驱动电机特性要求 电动汽车专用的电动机，通过从电池中获取的有限的能量产生动作，所以要求 其在各种环境下的效率都要很好，因而，在性能上的要求比一般工业用的电动机更 严格。电动汽车用电动机所要求的主要特性归纳如下： ( 1 ) 由高速化而生的小型轻量化( 坚固性) 。在车辆上搭载方面，电动汽车用 电动机的体积、重量应为一般工业用电动机的1 2 1 3 。 ( 2 ) 高效性。务必使一次充电的续驶里程尽可能的长，尤其是行驶模式变换频 繁的轻负载情况下，电动机和控制装置的总效率也需要进一步的提高。因而，在控 制层面上的研究也很有必要。 ( 3 ) 低速大转矩情况下的大范围内的恒定输出特性。在电动机单体中，能够满 足必要的转矩特性。 ( 4 ) 寿命长以及高可靠性。在任何环境中确保高安全性都是必要的。 ( 5 ) 低噪声性。考虑到环境和乘坐的舒适性，人们期望噪声尽可能地小。 ( 6 ) 成本低廉。为了便于普及，成本的降低是必不可少的。 能够满足以上特性的电动机才适合作为电动汽车专用的电动机。目前最适合于 电动汽车的电动机是异步电动机和永磁同步电动机。本文所设计研究电机即为永磁 同步电动机。 1 4 第三章永磁同步电动机的结构分析与电机电磁场 第三章永磁同步电动机的结构分析与电机电磁场 永磁同步电动机的结构 3 1 1 永磁同步电动机的总体结构 永磁同步电动机也由定子、转子和端盖等部件构成。定子与普通感应电动机基 本相同，也采用叠片以减少电动机运行时的铁耗。转子铁心可以做成实心的，也可 以用叠片叠压而成。图3 - 1 为一台永磁同步电动机的横截面示意图。电枢绕组既有 采用集中整距绕组的，也有采用分布短距绕组和非常规绕组的。一般来说，矩形波 永磁同步电动机通常采用集中整距绕组，而正弦波永磁同步电动机更常采用分布短 距绕组。在一些正弦波电流控制永磁同步电动机中，为了减少绕组产生的磁动势空 间谐波，使之更接近正弦分布以提高电动机的有关性能，采用了一些非常规绕组， 可大大减少电动机转矩纹波，提高电动机运行平稳性。为减少电动机杂散损耗，定 予绕组通常采用星形接法。永磁同步电动机的气隙长度是一个非常关键的尺寸，尽 管它对这类电动机的无功电流的影响不如对感应电动机那么敏感，但是它对电动机 的交、直轴电抗影响很大，进而影响到电动机的其他性能。此外，气隙长度的大小 还对电动机的装配工艺和电动机的杂散损耗有着较大的影响。 图3 - 1 永磁同步电动机横截面示意图 定子 永磁体 转轴 转子铁心 永磁同步电动机与其他电机的最主要的区别是转子磁路结构。 第三章永磁同步电动机的结构分析与电机电磁场 3 1 2 永磁同步电动机转子磁路结构 转子磁路结构不同，则电动机的运行性能、控制系统、制造工艺和适用场合也 不同。 按照永磁体在转子上位置的不同，永磁同步电动机的转子磁路结构一般可分为 三种：表面式、内置式和爪极式。 1 表面式转子磁路结构 这种结构中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，永磁体提供 磁通的方向为径向，且永磁体外表面与定子铁心内圆之间一般仅套以起保护作用的 非磁性圆筒，或在永磁磁极表面包以无纬玻璃丝带作保护层。图3 1 中的转子即为 这种结构的典型代表。有的调速永磁同步电动机的永磁磁极用许多矩形小条拼装成 瓦片形，能降低电动机的制造成本。 表面式转子磁路结构又分为凸出式( 图3 - 2 ) 和插入式( 图3 3 ) 两种，对采用 稀土永磁的电机来说，由于永磁材料的相对回复磁导率接近1 ，所以表面凸出式转 子在电磁性能上属于隐极转子结构；而表面插入式转子的相邻两永磁磁极闻有着磁 导率很大的铁磁材料，故在电磁性能上属于凸极转子结构。 1 ) 表面凸出式转子结构 由于其具有结构简单、制造成本较低、转动惯量小等优点，在矩形波永磁同步 电动机和恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电动机中等到了广泛应用。此外， 表面凸出式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设计，使之成为能使电动机气隙磁 密波形趋近于正弦波的磁极形状，可显著提高电动机及至整个传动系统的性能。 图3 2 表面凸出式转子磁路结构 2 )表面插入式转子结构 1 6 永磁体 转子铁心 转轴 第三章永磁同步电动机的结构分析与电机电磁场 这种结构可充分利用转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩，提高电动机的功 率密度，动态性能较凸出式有所改善，制造工艺也较简单，常被某些调速永磁同步 电动机所采用。但漏磁系数和制造成本都较凸出式大。 图3 3 表面插入式转子磁路结构 永磁体 转子铁心 转轴 总之，表面式转子磁路结构的制造工艺简单、成本低，应用较为广泛，尤其适 宜于矩形波永磁同步电动机。但因转子表面无法安放起动绕组，无异步起动能力， 不能用于异步起动永磁同步电动机。 2 内置式转子磁路结构 这类结构的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间( 对外转 子磁路结构则为永磁体内表面与转子铁心外圆之间) 有铁磁物质制成的极靴，极靴 中可以放置铸铝笼或铜条笼，起阻尼或( 和) 起动作用，动、稳态性能好，广泛用 于要求有异步起动能力或动态性能高的永磁同步电动机。内置式转子内的永磁体受 到极靴的保护，其转子磁路结构的不对称性所产生的磁阻转矩也有助于提高电动机 的过载能力和功率密度，而且易于“弱磁”扩速。 按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，内置式转子磁路结构又可分为 径向式、切向式和混合式三种。 1 ) 径向式结构 这类结构的优点是漏磁系数小、转轴上不需采取隔磁措施、极弧系数易于控制、 转子冲片机械强度高、安装永磁体后转子不易变形等。图3 - 4 ( a ) 是早期采用的转子 磁路结构，现已较少采用。图3 _ 4 ( b ) 和图3 “e ) 中，永磁体轴向插入永磁体槽并通过 隔磁桥限制漏磁通，结构简单，运行可靠，转子机械强度高，因而近年来应用较为 广泛。图3 - 4 ( c ) 比( b ) 提供了更大的永磁体空间。 1 7 第三章永磁同步电动机的结构分析与电机电磁场 转轴 转轴 ( a ) 子导条 磁体 转轴 ( b ) ( c ) 图3 _ 4 内置径向式转子磁路结构 1 8 永磁体槽 永磁体 永磁体槽 第三章永磁同步电动机的结构分析与电机电磁场 2 ) 切向式结构 这类结构( 图3 5 )