（电机与电器专业论文）电动车用定子双馈电双凸极电机及其驱动系统研究.pdf

摘要 a b s t r a c t a san o v e lm a c h i n e ，s t a t o r - d o u b l y - f e dd o u b l ys a l i e n t ( s d f d s ) m o t o ri sd e v e l o p e db a s e do n t h ed o u b l ys a l i e n tp e r m a n e n tm a g n e t ( d s p m ) m o t o r d u et ot h ea b i l i t yo fr e g u l a t i n gt h ef i e l df l u x i n d e p e n d e n t l ya n de f f e c t i v e l y , i t sv e r yc o n v e n i e n tt oe x t e n dt h er a n g eo fc o n s t a n tp o w e rr e g i o na n d r e a l i z et h eo n l i n ee f f i c i e n c yo p t i m i z a t i o nw h e nt h ef i e l dc u r r e n ta n da r m a t u r ec u r r e n ta r ec o n t r o l l e d c o o r d i n a t e l y h e n c es d f d sm o t o rs a t i s f i e st h ed e m a n d so fe l e c t r i cv e h i c l e s ( e v ) w i t ht h ep r o j e c t s u p p o r to fn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 5 0 37 7 0 0 4 ) ，s d f d sm o t o rh a sb e e nd e e p l y a n ds y s t e m a t i c a l l ys t u d i e di n c l u d i n gt h ec o n t r o lm e t h o d s ，a n a l y s i so ft h et o r q u er i p p l e ，a n dc o n s t a n t p o w e rc o n t r o lb yf i e l dw e a k e n i n g , e f f i c i e n c yo p t i m i z a t i o na n ds oo n t h eg e n e r a lm e t h o do fd e s i g n a n da n a l y s i so fs d f d sm o t o rh a v eb e e ne x p l o r e da n dt h ed i g i t a ld r i v ea n dc o n t r o ls y s t e mo fh a r d w a r e p l a t f o r mo fs d f d sm o t o ri sb u i l tb a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) t h ep e r f o r m a n c eo f s d f d sm o t o ri sc o m p r e h e n s i v e l ye v a l u a t e db a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m t h ef r u i t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h er e s e a r c hb a c k g r o u n do fe va n dt h el a t e s tp r o g r e s s e so ft h ed r i v es y s t e ma r ed e s c r i b e d ， a n dt h ed r a w b a c k so fd s p md r i v es y s t e ma r ep o i n t e do u t m o r e o v e r , t h ep r e s e n tr e s e a r c h s i t u a t i o no fs d f d sm o t o ra th o m ea n da b r o a di sr e v i e w e d 2 t h eo p e r a t i o np r i n c i p l e sa n dt o p o l o g yo fs d f d sm o t o ra r ea n a l y z e d ，a n dt h em a t h e m a t i c a l m o d e lo fs d f d sm o t o ri sb u i l t 3 t h ei n i t i a lc a l c u l a t i o no fm o t o rd i m e n s i o n si sg i v e n ，a n dt h eo u t p u tp o w e re q u a t i o ni s a n a l y t i c a i l yd e r i v e d m o r e o v e r , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fa12 - 8p o l es d f d sm o t o ri s c a r r i e do u t , a n dt h ep a r a m e t e r so fs d f d sm o t o ra r ec a l c u l a t e d ，w h i c he s t a b l i s h e st h e f o u n d a t i o no ft h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h es d f d sm o t o rd r i v es y s t e m 4 d u et ot h ea b i l i t yo fs e l f - s t u d ya n ds e l f - a d a p t , as i n g l en e u r o ns e l f - a d a p t i v ep i dc o n t r o l l e ri s d e s i g n e d i nv i e wo ft h en o n l i n e a r i t ya n dc o u p l i n gf e a t u r eo fs d f d sm o t o r , a n di t s t h e o r e t i c a lb a s i sw i t ht h ep r i n c i p l e so fc h o o s i n gt h ep a r a m e t e r si si n t r o d u c e d t h e e f f e c t i v e n e s so f t h ep r o p o s e ds c h e m ei sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t a lr e s u l t s 5 t h eu n i q u es a l i e n ts t r u c t u r eo fs d f d sm o t o rr e s u l t si nh i g h e rt o r q u er i p p l e b yi n j e c t i n g s p e c i f i ch a r m o n i c si np h a s ec u r r e n t s ，t h ei d e a la r m a t u r ec u r r e n ti so b t a i n e dt om i n i m i z et h e t o r q u er i p p l eb a s e do nt h ea p p r o a c h i n gn o n l i n e a ri n d u c t a n c ea n df l u xo fs d f d sm o t o rb y f o u r i e rs e r i e s b o t hs i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u t 6 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt o r q u e ，p h a s ec u r r e n ta n df i e l dc u r r e n ti s t h e o r e t i c a l l yd e r i v e d c o m p a r e dw i t ht h ea d v a n c ea n g l ec o n t r o l ，t h ef l u x - w e a k e n i n gc o n t r o lm e t h o dw i t ht h e f e e d b a c ko fa r m a t u r er e s i s t a n c ev o l t a g ei su t i l i z e di nt h ec o n s t a n tp o w e ro p e r a t i o n t h e d i f f i c u l t yt h a ti t sh a r dt or e a l i z et h ef l u x - w e a k e n i n ga tt h ec o n s t a n tp o w e ro p e r a t i o nd u et o i i i 奎堕查堂堕堂丝垒壅一 一 t h ei r r e g u l a r i t yo ft h eb a c k e m fi ns d f d s m o t o rh a sb e e ns o l v e d 7 t h ei o s sm o d e lo ft h es d f d sm o t o ri sb u i l t , a n dt h ep a r a m e t e r s a r ei d e n t l f i e db yt h e l e a s t s q u a r e sa l g o r i t h mw i t ht h em e a s u r e dd a t a a n dt h em e t h o do f e o o r d l h a t eo p t l m l z a l 啪 c o n t r o lo ff i e l dc u 玎e n ta n da m a t u r cc u r r e n tb a s e do ne x t r e m el e a r n i n gm a c h i n e ( e l m ) i s p r o p o d 0 n 1 i n ee f f i c i e n c yo p t i m i z a t i o no fs d f d s m o t o rd r i v ei sr e a l i z e dm t h ew h o l e v e l o c i t yr a n g e 8 b a s e d0 nd i g i t a ls i g n a ip r o c e s s o r ( d s p ) ，t h ed i g i t a ld r i v ea n dc o n t r o ls y s t e mo f s d f d s m o t o ri sb u i l t , i n c l u d i n gt h em u l t i l e v e lc o m p r e h e n s i v ep r o t e c t i v ec i r c u i tb a s e d o ns o 胁a r e a n dh 甜d w a r e t h et e s ts y s t e mp r e s e n t sap o w e r f u la n ds a f ep l a t f o r m t oi m p l e m e n tt h e e x p e r i m e n t a lt e s t s k e y w o r d s ：s d f d sm o t o r , m o t o rd e s i g n ，f i n i t ee i e m e n t ，s i n g l en e u r o n ，t o r q u er i p p l e ，f l u xw e a l e n i n g ， e f f i c i e n c yo p t i m i z a t i o n ，e l e c t r i cv e h i c l e i v 图录 图1 1 图1 - 2 图l - 3 图1 _ 4 图1 5 图1 - 6 图2 一l 图2 2 图2 3 图3 1 图3 2 图3 - 3 图3 - 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 一1 2 图3 。1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 一1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 - 2 l 图3 2 2 图3 2 3 图3 2 4 图3 2 5 图4 1 图4 - 2 图4 3 图4 4 图禾5 图4 6 图4 7 图录 双定予绕组结构图5 爪极式混合励磁无刷电动机5 电动车用双凸极永磁电机及控制6 1 2 8 极s d f d s 电机7 6 4 极s d f d s 电机8 8 6 极s d f d s 电机8 三相12 8 极s d f d s 电机l7 电流、电感和励磁磁链波形一19 三相励磁磁链波形一1 9 s d f d s 电机理想磁链与电流波形。2 6 s d f d s 电机简化等效磁路2 9 电枢绕组展开图31 励磁绕组展开图3 2 定子结构图。3 2 转子结构图3 2 直槽转子3 3 斜槽转予3 3 1 2 8 极s d f d s 电机样机3 3 s d f d s 电机模型和求解区域3 6 不同转予位置时电机磁场分布和气隙磁密一3 8 两相通电，励磁电流为零、a 相+ 3 a 、c 相一3 a 时的磁场分布及气隙磁密3 9 两相通电，励磁电流为i a 、a 相+ 3 a 、c 相3 a 时的磁场分布及气隙磁密。3 9 两相通电，励磁电流为i a 、a 相3 a 、c 相+ 3 a 时的磁场分布及气隙磁密3 9 电枢绕组磁链。4 0 励磁电流不同时电枢绕组磁链。4 0 s d f d s 电机的电枢绕组磁链4 l 电枢绕组自感和互感。4 2 励磁绕组自感4 2 励磁绕组和电枢绕组互感4 2 s d f d s 电机空载反电动势( 直槽转予) 4 3 s d f d s 电机电磁转矩及其分量4 4 斜槽转予s d f d s 电机电枢绕组磁链4 4 斜槽s d f d s 电机电枢绕组自感4 5 斜槽转子s d f d s 电机空载反电势4 5 s d f d s 电机调速系统控制框图4 7 转速、电流双闭环系统。4 8 空载开环起动曲线及拟合曲线4 9 s d f d s 电机起动仿真曲线一5l 常规p i 控制，电机起动波形5 2 单神经元自适应p i d 控制器。5 3 正弦波输入信号跟踪实验5 5 i x 东南人学博：e 学位论文 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图5 1 图5 - 2 图5 3 图5 - 4 图5 5 图5 6 图5 7 图6 1 图6 - 2 图6 3 图6 - 4 图6 5 图6 6 图6 7 图6 8 图7 一l 图7 2 图7 - 3 图7 4 图7 5 图7 - 6 图7 7 图7 8 图7 - 9 图7 一1 0 图8 1 图8 - 2 图8 3 图8 - 4 图8 5 图8 6 图8 7 图8 8 图8 - 9 图8 1 0 图8 1 1 图8 1 2 图8 1 3 图8 一1 4 图8 1 5 图8 1 6 图8 1 7 输入方波信号跟踪实验一5 7 负载突变实验5 8 转速10 0 0r m i n ，转矩从1 5 n m _ 3 n m 1 5 n m 时转速变化5 8 转速10 0 0r r a i n 一，转矩3 n ms d f d s 电机起动波形5 9 s d f d s 电机反电势波形6 3 反电势中各次谐波的幅值及相角分量6 4 转矩脉动函数曲线图6 6 三相理想电流波形6 6 电流为方波时励磁转矩一6 7 s d f d s 电机三相控制电流实测波形6 8 不同控制电流下的实测转矩波形6 9 三相全桥电路及其导通规律7 2 s d f d s 电机驱动系统仿真模型。弭 励磁电流控制模型一7 5 s d f d s 电机转速、励磁电流曲线7 5 电机最大起动转速随提前角度变化曲线7 6 恒功率弱磁控制仿真波形7 7 s d f d s 电机驱动系统控制框图7 8 s d f d s 电机起动过程转速、励磁电流和电枢电流曲线7 9 基于损耗模型的s d f d s 在线效率优化调速系统的原理框图8 6 各种损耗所占总损耗的百分比8 6 不同损耗的变化趋势8 7 效率优化仿真曲线- 8 8 s d f d s 电机调速系统连接图8 8 s d f d s 电机效率优化实测曲线。8 9 极端学习机的网络拓扑结构- 。一9 l 基于极端学习机的电机控制系统框图9 2 转速6 0 0r m i n ，转矩2 n m 时电枢和励磁电流波形9 3 实测电机效率9 4 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的s d f d s 电机驱动控制系统框图9 7 d s p 2 8 1 2 的功能结构图：9 8 全桥功率变换电路9 9 i p m 一单元的内部结构图1 0 0 i p m 模块与控制器的接口电路10 0 控制电路中的逻辑电路10 0 电流电压转换电路1 0 1 绝对值电路及输出波形1 0 2 过流保护电路。1 0 2 12 8 极s d f d s 电机的位置传感器10 3 三路位置信号的理论波形10 3 位置信号与反电势对应波形1 0 3 a 、b 相位置关系10 3 电甲转换电路1 0 4 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的s d f d s 电机驱动系统的软件框架1 0 4 程序流程图10 5 电机转子与光耦的相对位置1 0 7 x 图录 图8 1 8 图8 1 9 图8 2 0 图8 - 2 l 图8 2 2 表3 1 表3 2 表4 1 表5 - 1 表7 - 1 表8 - 1 表8 - 2 状态机的各个状态10 7 位置传感器的输出脉冲1 0 8 捕获中断的时序图1 0 9 程序中各个中断的时序关系10 9 s d f d s 电机实验测试系统110 12 8 极s d f d s 电机设计参数3l 1 2 8 极电机电枢绕组和励磁绕组匝数一3 l 不同控制器的i s e 性能指标5 6 方波和理想电流控制时转矩对比。6 8 电机在转速6 0 0r m i n 一、转矩2 n m 的效率9 3 子程序的运行时间及频率1 0 9 实验系统所使用的部分仪器设备1 l0 x 1 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：鱼坠蕉阻日期：星等 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件 和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子 信息形式刊髓) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形 式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签恐：堡：! ! ：兰7导师签名：口期： 堡：! 旦： 第1 章绪论 1 1 课题的背景及意义 第1 章绪论 电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ，简称e v ) 的概念最早是在十九世纪中期提出的，在此后的一段时间 里电动汽车曾一度辉煌。二十世纪初，三种汽车一电动汽车、蒸汽汽车和内燃机汽车展开了激烈 的竞争。随着技术的进步及人们对汽车性能、汽车速度和强大动力的永恒追求，加上1 9 世纪末2 0 世纪初大量油田的发现，内燃机汽车在这场竞争中最终占据了主导地位，并称霸世界一百多年i l 习。 随着燃油内燃机汽车的迅速发展，由此引发的环境问题逐渐为人们所认识。上世纪七八十年代， 美国、日本对城市空气污染源的调查中发现，城市空气中9 0 以上的一氧化碳、6 0 以上的碳氧化 合物和3 0 以上的氮氧化合物来自汽车排放。这样，汽车尾气排放的有害物质便成为第一大环境污 染源。 此外，每燃烧l 公斤汽油会排出3 0 8 公斤的二氧化碳。二氧化碳含量升高增强了大气对太阳光 中红外线辐射的吸收，阻止地球表面的热量向外散发，使地球表面的甲均气温上升，这就足所谓的 温室效应。温室效成加剧了最近1 0 年来多种气候异常现象。在城市，因人口、高楼和公路的密集， 大量汽车的使用所导致“城市热岛效应”更为严重。总之，汽车排放造成的大气严莺污染，破坏了 我们赖以生存的环境1 3 - 6 1 。 这样，减少温室气体排放，防止全球气候变暖足世界各国共同关注的问题。因此，各国不断颁 布口益严格的汽车排放法规，提高汽车废气的排放标准。但是，无论多么严格的尾气排放标准都始 终无法彻底解决二氧化碳的排放问题。与此同时，无论如何充分提高内燃机的驱动效率和燃烧率都 无法改变其对不可再生的稀缺资源的依赖。因而，人类迫切需要一种能有效解决环境污染、温室效 应、以及依赖新能源的新型交通工具。因此，开发电动汽车足解决这一问题切实可行的有效途径。 f t 前的电动汽车虽然已足以满足人们的基本需要，但与燃料汽车相比，电动汽车在能源和行驶 里程方面还未能尽如人意。就技术层面来看，解决的途径主要有二：一、是研制开发新一代高能量 密度电池；二、是研究新型高性能电机驱动系统和控制技术。在电池技术尚未取得突破之前，努力 提高电机驱动系统工作效率，拓展给定电池能量密度情况下电动车的行驶里程，便成为加快电动车 发展步伐的关键技术手段。而电动汽车作为一种交通工具的特殊运行规律和特殊t 作环境，决定了 对电机驱动系统的要求与传统工业驱动截然不同。冈此，对电动车驱动控制系统及其相关技术进行 深入的研究，开发适应电动车要求的新型驱动系统和控制技术，不仅具有重要的学术意义，而且具 有极其重大的应用价值。 1 2e v 对电机驱动系统的要求 纯电动汽车( p e v ) 在目前的发展中受电池发展水平的制约，短期内产业化前景并不看好，混 合动力汽车( h e v ) 和燃料电池汽车( f c e v ) 成为研发的新热点。f c e v 是完全零排放的“绿色汽车”， 是解决汽车燃料以及排放问题的理想方案，已成为世界各大汽车集团新世纪竞争的焦点，被喻为2 l 世纪改变人类生活的十大高科技之首，但产业化仍需较长时间。h e v 具有低排放、低油耗的特点， 技术上对电池的依赖程度小，并且继承许多传统汽车的技术，是目前产业化的一种电动汽车。 一 奎塑奎堂竖：生堂篁望壅 近年来各国研究人员对电动车电机驱动系统作了广泛而深入的研发，其日的都在于使电机驱动 系统满足电动车辆运行的要求，提高车辆的经济性、动力性以及续驶里程。电动车电驱动系统由有 限能量电源供电，工况复杂，其供电电源不同于有无限大电网供电的传统工业电驱动系统，做为车 载电源的二次莆电池，燃料电池，其储能是有限的，电源电压是波动的。电动车电驱动系统的工况 是复杂的，也可以说是随机的，车辆的起动、加速、制动、停车、上坡、下坡、转弯、变线等是随 机的。这就要求电动车电驱动系统具有如下的特点： l 、转矩密度、功率密度大； 这里主要足指最大转矩体积比和最大功率体积比。h e v 电机驱动系统对这项指标要求一般都比 较严格。这是冈为h e v 动力总成结构比较紧凑，留给电机驱动系统的空间比较小。在减小电机体积 的同时，要求电机有足够的起动转矩和最大功率。当采用永磁电机的时候，在电机的设计中要充分 利用磁阻转矩；当采用磁阻电机的时候，通常采用混合式的方案，在转予或定子处加入永磁体，在 主磁路中引入永磁磁通。 2 、电机_ t 作速度宽； 电动车驱动电机的理想机械特性足基速以下恒转矩，基速以上恒功率。一般速比( 最高转速比 基速的比值) 都在2 以上。除了轮毂电机直接驱动的电动车，在电机和输出到轮毂的轴之间都设有主 减速齿轮，要达到车辆的最高转速，电机转速一般比较高，要实现基速以上的恒功率运行，一般要 采j 甘弱磁控制。 3 、系统效率高： 电动车供电电源能量有限，提高驱动系统的效率有利于提高续驶里程和经济性。通常在电驱动 系统中采用最大效率控制，在整个运行区域内优化系统效率。对永磁电机的最大效率控制主要是优 化弱磁控制时的系统效率。 4 、 系统适应环境能力强； 驱动系统通常布置在电动车的发动机舱内和车架上，工作环境比较恶劣。电机及其驱动器要防 水、防尘、防震。最好采用无传感器或内置传感器的电机，采用编码器作位置和速度传感器的时候， 要充分考虑振动的影响。 5 、 电磁兼容性好； 电机驱动系统在电动车上是比较大的干扰源，在电机和驱动器设计以及整车布置上要充分考虑 电磁兼容，尽量避免和减小驱动系统对其他电器的影响。另外也要避免和减小点火系统等干扰源对 电机驱动系统的影响。 6 、性能价格比高； 电机驱动系统作为整车的一个元件，在保证性能的前提下，造价不能太高，才能为电动车的产 业化铺平道路。 1 3e v 用电机驱动系统研究现状 1 3 1 目前电动车上常用电机驱动系统概述 高密度、高效率、宽调速的驱动电机及其控制系统既是e v 的心脏又足e v 研制的关键技术 之一f 7 l ，已被列为国家十五“8 6 3 ”电动汽车重大专项的共性关键技术课题。2 0 世纪8 0 年代前，几乎 2 第l 章绪论 所有的车辆牵引电机均为直流电机，这足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， 所以电机的运转速度不能太高。由于直流电机的换向器需保养，又不适合高速运转，1 ：1 前已基本不 采用。 伴随着电力电子技术的发展，以及变频技术、矢量控制技术的出现，交流电机己经能获得直流 电机的控制特性，自2 0 世纪6 0 年代中期开始，交流电机驱动系统出现在电动车上。尔后，永磁电机 驱动技术也被应用到了电动车上，使得电动车电机驱动系统体积更小j 效率更高。目前，电动车电 机驱动系统以使用感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机为多剐。 1 3 1 1 感应电机驱动系统 感应电机以其结构简单牢固、成本低、体积小、极限转速高、效率超过直流电动机、具有再生 制动功能等优点受到工业界的普遍青睐。感心电机矢量控制调速技术比较成熟，使得感应电机驱动 系统具有明显的优势，因此被较早应崩于e v 的驱动系统。随着电力电了技术以及新型交流传动不 断发展，包括矢量控制1 1 2 ，1 3 1 、直接转矩控$ o v 4 , 1 5 j 等高性能交流调速控制方法的推出，感应电机已被 应用于电动汽车，并显示出优越性，美国g m 公司和f o r d 公司不约而同地选择了感应电机作为其 研制的电动汽车的驱动电彩l 0 0 7 。但是由于感应电机的非线性、强耦合以及控制模型对参数的依赖 使得控制复杂。此外感应电机的铜耗与转差频率相关，转子上还存在一个热源，长时间运行有发热 问题g - 2 0 。同时感应电机还有功率因数低、控制装置复杂等缺陷。这些不利冈素仍较大地影响着感 应电动机在电动汽车上的庶用。 1 3 1 2 永磁电机驱动系统 永磁电机具有很高的转矩一质量比和功率一质量比，功率密度高，产生相同转矩电机尺寸小； 由于采用永磁体激磁，无需激磁电流，也没有激磁铜耗，具有较高的系统效率和功率因数。这种电 动机的不足主要足永磁材料价格昂贵，性能受工作温度影响较大，较难实现电动机最大恒功率的输 出。但足，随着新型永磁材料的研制成功，以及永磁材料价格持续降低，永磁电机正越来越多地用 作电动车辆的驱动电机1 2 1 剀。 传统内燃机具备低速恒转矩，高速恒功率的特性，能完美的与车辆运行阻力矩相匹配。对电动 车辆驱动用电机而言，要保证低速恒转矩、高速恒功率的运行特性必须在低速时实现恒磁通、高速 时弱磁控制。这个要求对于电励磁电机，如直流电机、交流感应电机而言是可以方便实现的。但永 磁电机不同于电励磁电机，永磁体一旦充磁后，励磁不可调节，因面如何实现弱磁运行足这种电机 用于车辆驱动中须待解决的首要问题，也是最大难点。 在永磁电机中，有两类电机最受电动车辆研究者重视，即永磁同步电机( p m s m ) 和永磁无刷 直流电机( b l d c m ) 。 p m s m 能产生平滑、无脉动的转矩，且功率因数高，所用逆变器容量较小。但足启动时会产生 制动转矩导致起动困难。虽然这个缺点可以通过在转子中添加阻尼笼的方法解决p 川，也可以通过变 频启动的方式来完成，但他控式p m s m 同有的失步问题仍然给车辆应用中留下了难题。为此，人们 提出了永磁同步电机自控方案。 b l d c m 即是自控式永磁同步电机当中的一种，由于采用转予位置检测器来榆测转子磁极的空 间位置，b l d c m 能始终根据当前的转子位置决定最合适的定子通电相，以产生最大和有效的电磁 转矩。同时由于电机设计成采用方波电流与方波磁场，从而可以产生比正弦磁场的永磁同步电机更 3 垄堕叁堂塑：! ：堂垡丝壅 大的转矩。这对于要求小体积的电动车辆而亩非常具有吸引力。 无论是永磁同步电机还是无刷直流电机，其弱磁控制都存在问题。当应用于h e v 时，在电机 被拖动高速旋转时，为降低绕组电动势，要控制定子绕组产生弱磁电流，从而降低了系统效率。永 磁同步电机一般要位置传感器，降低了系统可靠性。 1 3 1 3 开关磁阻电机驱动系统 开关磁阻电动机( s r m ) 是上世纪七十年代以后才逐渐发展起来的一种新型驱动装置。它可以 实现高精度、快响应，高效率以及高输出的性能指标。开关磁阻电机具有下面的特点g l 、 结构简单坚阎。转子仅由叠片构成，没有任何形式的绕组。定予上只有简单的集中绕组， 端部连接短，制造成本低、工作可靠、维修量小； 2 、 转矩与电磁极性无关，只需要单向的电流激磁。从理论上讲，s r m 的功率变换电路中每相 只用一个开关元件，不存在p w m 逆变器中有电源直通两个开关元件的危险性。所以系统 线路简单，可靠性高，成本低； 3 、 由于双凸极结构，转子上没有导体和永磁体，加上开关频率相对较低，因而s r m 只需考 虑叠片的压装质量和轴承质量就可方便地实现高速运行。s r m 低速应用下优点也很多，可 以提供高而连续的转矩，因而使机械设备中取消变速箱成为可能； 4 、 s r m 系统可以通过对电流开通、关断以及幅值等的控制，得到负载要求的机械特性，易于 实现系统的软启动和四象限运行等功能，控制灵活。同时系统是自同步运行系统，不会出 现变频供电的感应电动机在低频时产生的不稳定问题； 5 、 由于采用了独特的结构和设计方法以及相应的控制策略，在宽广的速度范围内s r m 系统 的效率和出力都町维持较高水平，单位出力完全可以与交流感应电动相媲美，甚至还略占 优势。基于以上的原因，开关磁阻电机一直为电动汽车驱动电机所青睐，研究也较多i 3 1 。3 5 l 。 s r m 的最大缺点足转矩脉动大，噪声大；此外，相对永磁电机而言，功率密度和效率偏低，因 而也在定程度上限制了它在电动车辆中的应用。 1 3 2 电动车用新型电机驱动系统 从2 0 世纪8 0 年代开关磁阻电机驱动系统( s w i t c h e dr e l u c t a n c em a c h i n ed r i v e ，简称s r d ) 问 世后，传统的电机设计理论和正弦波电压源供电方式被打破；而且随着磁阻电机，永磁电机、电力 电子技术和计算机技术的发展，交流电机驱动系统设计进入一个新的黄金时代；新的电机拓朴结构 与控制方式层出不穷，高密度、高效率、轻量化、低成本、宽调速牵引电机驱动系统已成为各国研 究和开发的主要热点。新代机电一体化电机驱动系统迅猛发展。 为了改善感应电机驱动系统的低速性能以及提高转矩密度，美国威斯康星大学的l i p ot a 教授 提出了双定子绕组结构1 3 6 ，通过对两套绕组的独立控制，使得低速及高速时两套定子绕组产生的电 磁转矩抵消或增强，从而获得良好的低速性能以及较高的转矩密度，双定子绕组结构图如图1 1 所示。 4 第l 章绪论 图1 - i 双定子绕组结构图 香港大学陈清泉院士、上海大学江建中教授等提出r 一种混合励磁无刷爪极电动机( p e r m a n e n t m a g n e th y b r i dm o t o r ，简称p m h m ) 1 3 7 1 如图l 之所示。该结构主要由定予、转予爪极、转了磁轭、 永磁体和励磁绕组组成。其中定了含内、外两部分。外定予与普通电机的定子类似槽中嵌有多相 对称绕组，内定了上放有环蟛直流励磁绕组，在相邻的两个爪极之间破置水磁体。励磁绕组是一卟 环形线圈，通电后所产生轴向磁通经转子轭到达n 爪极然后流经气隙、定了铁j 0 、气隙和s j k 极， 回到转f 磁轭，如此形成一个阿路，在爪极表面上蟛成n 、s 间隔的极性。p m h m 中存在轴向和杼向 磁通，但以径向磁通为主，结构上适宜短粗，不宜细长。电励磁磁通与永磁磁通在磁路上呈并联关 系，气隙磁场为两者之和，通过控制励磁绕组中电流的大小和方向束调节气隙磁场。其缺点是自轴 向磁路、漏磁较大。该拓扑结构由于永磁在爪极之间，弱磁比例较小。该结构电机采用丁艺较为简 单的瓦片形爪极，刊村于电动汽车驱动。但这种电机转予结构复杂加t 刚难。 ( a ) 结构示意图 n 极转f # ( b ) 样机转子( c ) 样机定子 图1 之爪极式混台威磁无刷电动机 美国威斯康星l 枷t a 教授还对双转子永磁电机驱动系统进行了研剜”捌，该类型烈转子电机 充分利用了电机内部的有效空问，提供了高效率、高功率密度的电机驱动系统方案。 双定了永磁f 乜机具有功率密度高、转矩密度大的优点，村且控制方式灵活，田内哈尔滨工业大 学以及香港_ = 学等高校对该种类型的电机驱动系统作了有益的探索研究1 4 0 , 4i 。 双凸极永磁电机( d s p m ) 是由美国电机专家l i p ot a 教授于九十，巾代劫提的种新型高效 节能电机，基本结构与开关磁阻电机相同，为双凸极结构，转子上无绕组、永磁体定了齿上装有 黉一 东南大学博十学位论文 集中式绕组，但在双凸极永磁电机的定了轭部放了两块永磁体。永磁体的加入，使得双凸极永磁电 机的t 作原理与开关磁阻电机明显不同。同时由于定子中加了永磁体，使得这种电机的转矩除了磁 阻转矩之外还有永磁转矩，转矩密度、功率密度明显高于开关磁阻电机，同时由于定子轭部嵌入了 磁导率很低的永磁体，绕组电感大为减小，使绕组电流快速换向成为町能。这样，双凸极永磁电机 正好弥补了开关磁阻电机的不足，具有功率密度高、效率高、结构简单、控制灵活等一系列优点。 正是由于上述优点使得双凸极永磁电机一经面世就受到了国内外学者的广泛关注 4 2 - 4 7 。文献 4 8 】 提出了电动车用d s p m 电机，在开关磁阻电机定予轭上加装永磁体，进f 确或少定子的励磁安匝，提 高效率，电机结构如图1 - 3 ( a ) 所示。电机采用分裂绕组的控制方法，即将定予绕组分成若干段， 根据不同运行工况分别投入，绕组示意图如图1 3 ( b ) 所示。这种控制方式类似于汽车中的换档控 制，在低速需要大转矩时将绕组的1 0 0 投入；在高速运行时，只投入部分绕组，这时不仅感应电 势减小，相电感也减小了，从而比只降低磁通的控制获得了更大的调速范嗣。同时由于高速时只有 部分绕组通电，电机的铜损减小，效率提高了。控制中绕组的切换影响了运行的平稳性，另外多个 开关增加了驱动器的成本。 ( a )( b ) 图1 _ 3 电动车用双凸极永磁电机及控制 1 3 3e 、，用s d f d s 电机驱动系统 1 3 3 1d s p m 电机驱动系统存在问题 尽管d s p m 电机研究