（电力电子与电力传动专业论文）用于混合动力汽车isad系统的直流无刷电机的设计及优化.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) i san e wg e n e r a t i o no fc l e a ne n e r g yc a rw h i c h h a sl o wp o l l u t i o na n d l o wf u e lc o n s u m p t i o nc h a r a c t e r i s t i c s m o t o ra sa ni m p o r t a n t c o m p o n e n to fh y b r i dv e h i c l e s ，h a sb e c o m eah o tr e s e a r c h e ds p o tt h i sy e a r c u r r e n t l y u s e di n h y b r i de l e c t r i cv e h i c l ei s a ds y s t e ma r et h ei n d u c t i o nm o t o r ，s w i t c h e d r e l u c t a n c ea n dp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r i no r d e rt op r o m o t et h e a p p l i c a t i o no fb r u s h l e s sd cm o t o ri nh y b r i dv e h i c l e s ，t h i sp a p e rd e s i g n e da4 2 v ， 10 k wb r u s h l e s sd cs t a r t e r g e n e r a t o rw i t ht h ee x t e r n a lr o t o rp e r m a n e n tm a g n e ti n i s a ds y s t e mf o rh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e i nt h i sp a p e r ，c o m b i n e dw i t ht h ei n t e m a lc o m b u s t i o ne n g i n ep o w e r ，t o r q u ea n d t h et o t a lr e s i s t a n c em o m e n to ft h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r ss u c ha s ，f i r s ts t u d i e dt h e m a t c hp e r f o r m a n c eo fi s a di nah y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，g i v e dt h es t a r t i n gp o w e r c a l c u l a t i o na n dt h ec o n f i r mo fp o w e rg e n e r a t i o ni nm o t o rd e s i g n e d ，t h e n d e t e r m i n e dt h e d e s i g ng o a l ，a c c o r d i n gt o t h eg o a ls e l e c t e d e l e c t r o m a g n e t i c p a r a m e t e r sa n dr e a s o n a b l ew i n d i n gt y p ei nm a g n e tb r u s h l e s sd ce l e c t r i cm o t o ro f t h ep r o g r a m ，f i n a l l yu e s dt h ef i e l d c i r c u i tm e t h o dt oc o m p l e t et h ed e s i g no ft h em o t o r b e c a u s et h em o t o r sp e r f o r m a n c ea n dt h ef r i c t i o nd e p e n do nt h es t r u c t u r eo ft h e m o t o r ，s oa n a l y s i st h ep a r a m e t e r s ，t h em o t o rc a nb eo p t i m i z e d t ov a l i d a t et h e d e s i g n e dm o t o rc a ns u f f i c et h ei s a ds y s t e mi nh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，a n s o f l s o f t w a r ew a su s e dt oa n a l y s i st h em o t o r sp e r f o r m a n c ea td i f f e r e n to p e r a t i n g c o n d i t i o n s a tl a s td e s i g n e dt h ew h o l ei s a ds y s t e m ，g a v et h es y s t e mc o n t r o l s t r a t e g y ，a n di n t r o d u c e dt h es e l e c t i o no ft h em a i np o w e rc o m p o n e n t sa n ds t a t i o n s e n s o r s ，s e tu pt h ep l a t f o r mo ft h ee x p e r i m e n t ，r e c o r d e dt h ee x p e r i m e n t a lw a v e f o r m a n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv a l i d a t et h ed e s i g no fb r u s h l e s s d cm o t o r su s e di nh y b r i de l e c t r i cv e h i c l ei s a ds y s t e mi sf e a s i b l e k e y w o r d s ：i s a d ，p e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s ss t a r t e r g e n e r a t o r ，f i n i t ee l e m e n t ( f e ) ，f i e l d - c i r c u i tc o u p l e dm e t h o d ，p a r a m e t e ra n a l y s i s i l 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。 保密口， 在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密一。 学位论文作者签名： 苏钮 签字日期：曜占月c j f 日 导师签名： 签字日期。矽年易罗日 l| 独创性声明 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担。 学位论文作者签名：承铝 日期：2 d 瓣妇f 7 1 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 本章将首先介绍混合动力汽车起动发电系统技术背景及其研究现状，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 2 课题的背景及意义 环境污染、石油资源匮乏是目前世界汽车工业可持续发展所面临的两大难 题，环保和节能是2 1 世纪汽车技术的一个重要发展方向，同时随着人民生活水 平的提高，汽车的需求量将迅速增加。在我国，环境监测数据表明，汽车尾气排 放量是城市大气污染的主要来源。如果这些车辆都使用传统的内燃机结构，能源、 生态环境都将不堪重负。因此，研制低或零排放和低噪声污染的新型交通工具势 在必行。电动汽车因其具有低噪声、零污染而成为主要选择之一。但是，目前电 动汽车最大的问题来自动力电池技术，如能量密度低，造成车辆行驶里程短和电 池质量过大、电池寿命短、动力不足、价格高等。另外，较长的充电时问和难以 近期建造大量电池充电站也限制了电动汽车的推广使用。在电动汽车电池技术取 得突破性进展之前，混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，h e v ) 是在近 期内能达到环境保护要求的一种可行方案之一。据国际电子技术委员会的定义， 混合动力电动汽车是能够根据特定的行驶要求，从两种或两种以上的能量源、能 量储存器或转化器获取驱动力的汽车，在运行中至少有一种能量储存器或转化器 直接驱动汽车，并且至少有一种能量源、能量储存器或转化器能够传递电能。混 合动力汽车将发动机和电动机合用到一部汽车上，控制系统根据不同的行驶工况 和行驶区域决定发动机、蓄电池和电动机的工作状态。它能提供与燃油汽车几乎 相同的性能和行驶里程，一般不需要外部充电，并且它的发动机可长时间处于最 优的工况下稳定运行，因此燃油经济性和排放性可大大改善。【1 1 【2 】【9 】 新颖的组合起动发电机( i n t e g r a t e ds t a r t e r g e n e r a t o r ，简记i s g ) 技术作为 目前最可行混合动力汽车的关键技术之一，是利用高效节能稀土电机、先进的电 力电子技术、现代控制技术和大容量蓄电池化学储能系统，辅之以先进的能量管 理系统，将发动机的牵引、发电功能有效组合。 第1 页 江苏大学硕士学位论文 i s g 混合动力汽车只需要结构上的微小改动，就能继续使用传统汽车的动力 传动系统，成本增加少，最有可能使混合动力汽车的成本接近于一辆传统汽车； 由于不增加新的传动部件、电动机与发动机以并联的方式驱动汽车，i s g 系统具 有较高的效率；大功率的电动机完全可以作为起动机、发电机，在规定时间内拖 动汽车至发动机的起动转速，使发动机的起动不受环境温度的影响，并能取消发 动机的怠速工况；汽车在减速、下坡时，电动机工作在发电状态，回馈能量，储 存在蓄电池中；汽车在加速时，电动机工作在电动状态，与发动机共同驱动汽车， 能增加汽车的动力性能；发动机工作时，电动机可以取代飞轮，通过自身的转动 惯量以及在电动、发电状态之问的切换，平衡内燃机曲轴的转矩波动，减少振动 与噪声，能增加汽车的舒适性；更为重要的是，在保证汽车动力性能不变的条件 下，i s g 电机的存在可以使发动机的功率选择得更小，提高发动机的工作效率， 降低燃油消耗，减少排放i ! - - 4 , 9 1 。 因此，对混合动力汽车i s a d ( i n t e g r a t e ds t a r t e da l t e r n a t o rd a m p e r ) 系统的 研究，对我国汽车工业的发展具有十分重要的意义。 1 3i s a d 系统的组成与国内外研究现状 1 3 1i s a d 系统的组成 i s a d 系统的主要部件包括一个发动机，一个高功率的电动机( i s g 电机) ， 一个无级变速器( c v t ) 和一个智能动力单元( i p u i n t e l l i g e n tp o w e ru n i t ) 。其 结构如下图1 1 所示 永磁无 发动机 刷起动 变速箱 发电机 3 6 v 做电 。电池 逆变器弋一f 斩波器 充电 图1 1i s a d 系统结构组成图 第2 页 江苏大学硕士学位论文 1 3 2i s a d 系统的国内外技术研究 车用i s a d 系统近年来一直是汽车工业研究的热点之一。德国最先对i s a d 系 统进行研究，2 0 世纪3 0 年代，德国人开始尝试结合起动电机和发电机。9 0 年代末， 宝马公司( b m w ) 与德国科隆i s a d s y s t e m 公司共同研制下i s a d 系统的进展有 所突破，主要是运用了现代电子技术成功协调了两种电机结合在一起所带来的低 速启动发动机与高速发电的矛盾，并直接装置在轿车发动机上。在法国，2 0 0 0 年，法国c o n t e 公司和雷诺车辆工业部( r v i ) 共同开发研制出一种新型i s a d 汽 车用起动机发电机系统，除具有起动与发电功能外，对发动机工作时产生的振 动和噪声还具有消减( 减缓) 作用。该系统首先在雷诺p r e m i u m 牌载货汽车上进 行应用试验。在日本，其目前开发混合动力电动汽车方面处于全球领先位置，丰 田1 9 9 7 年研发出革新型混合动力轿车p u s ，它与以往的汽油发动机车辆相比， 燃料经济性提高了一倍( 在1 0 1 5 的工况下每公升汽油行驶2 8 公里) ，而二氧化 碳排量减少一半，丰田在全世界率先实现了混合动力汽车的批量生产，本田公司 目前主要销售的两个品牌，一个是1 9 9 9 年推出的“i n s i g h t ”，一个是2 0 0 1 年推 出的“c i v i c ”，同时推出了配备超大电容器i s a d 系统的混合动力车f c x ，配备 超大电容器的目的是回收制动能量，加速时可作为电机电源使用。在美国，i s a d 系统目前在通用汽车公司的混合动力全尺寸的皮卡上已经实现了批量生产。根据 通用汽车的试验数据，i s a d 系统已经使皮卡的燃油经济性至少改善了1 5 ，效 果明显。据有关方面预测，美国的所有汽油电力混合动力汽车最终都要装上这种 整体式起动机一发电机装置。目前，c o n t i n e n t a l 、b o s c h 、v a l e o 、r i c a r d 、f o r d 和d e l p h i 等公司都在致力于i s a d 技术的研究。汽车i s a d 系统必将取代目前传统 的起动、发电系统，成为未来汽车上最重要的装置之一。1 2 1 1 4 1 8 】【1 3 j 【1 9 1 1 3 5 1 4 8 j 我国近年来也非常重视该技术的发展，并将该技术开发课题列入了“十五 8 6 3 计划。目前我国的东风、长安、吉利、比亚迪等汽车公司都在开展相应车用 i s a d 系统及配套部件的研究。 在永磁无刷电机大功率化研究方面，在国外大功率永磁无刷电机在如舰船、 潜艇、航空等对电机效率要求高的领域有着重要的应用。德国s i e m e n s 公司目前 宣称已拥有1 7 0 0 k w 5 0 0 0 k w 的潜艇用永磁电机推进系统的成套产品，法国 j e u m o n t s c h n e i d e r 公司宣称拥有1 0 0 0 k w 7 0 0 0 k w 潜艇用永磁电机推进系统的 第3 页 江苏大学硕士学位论文 成套产品，美国1 9 9 4 年己成功将3 0 0 0 马力试验用电机应用到试验巡逻艇上，我 国目前自行设计用于驱动系统的永磁电机最大功率为2 0 0 k w 。在汽车应用上， 日本的混合动力汽车电动汽车上大多使用永磁同步电机或永磁无刷直流电机， 电机容量在几十k w 以内，如丰田公司的纯电动汽车r a v 4 e v 上的永磁同步电 机最大功率为5 0 k w ，在著名的混合动力汽车p r u i s 上的最大功率为3 0 k w ；本 盱l 公司的e vp l u s 上使用的d c 无刷电机最大连续功率为4 9 k w ；尼桑公司的 a l t r a 采用的是6 2 k w 的永磁同步电机。【2 】【3 】【4 】【8 】【1 3 j 【1 9 】【3 2 】【3 4 】【3 6 】 1 3 3 用于混合动力汽车的i s g 电机 目前直流电机、异步电机、同步电机、开关磁阻电机在i s a d 系统上都在研 究开发并有部分实验成果，各类电机的基本性能如表1 1 所示【4 】【1 0 1 【3 l 】【2 1 1 。 表1 1 汽车i s a d 系统采用电机性能比较 项目直流电机交流异步电机永磁无刷电机 开关磁阻电机 功率密度差一般好好 力矩转速性能一般好好好 最大转速 4 0 0 0 6 0 0 09 0 0 0 1 5 0 0 04 0 0 0 10 0 0 0 1 5 0 0 0 效率 7 5 8 0 8 5 9 2 9 0 9 5 8 5 9 3 可靠性差好 好较好 结构性能 差好好 好 尺寸及质量 大，重一般，一般 小，轻小，轻 成本局低 高低于感应电机 控制器成本低局局 一般 寿命短长长长 ( 1 ) 直流电机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，但传统的直流电 机均采用电刷，以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪 声、无线电干扰以及寿命短等致命缺点，再加上制造成本高及维修困难等缺点， 从而大大地限制了它的应用范围。 ( 2 ) 三相鼠笼式感应电机虽然具有低成本、高效率、可靠性好、免维护、 易冷却和结构峰实可靠等优点，但存在着耗电量大，转子易发热，调速性较差， 第4 页 江苏大学硕士学位论文 控制系统较复杂，成本高的缺点，且静止时，无法得到励磁，因而要额外增加一 套辅助起动绕组，起动时，先在辅助绕组中通以电流，提供励磁，起动完成后退 出运行。这样就要重新设计电机结构，增加了电机体积和重量。 ( 3 ) 开关磁阻电机1 1 1 , 3 1 】是一种由磁阻电机与电子开关驱动控制电路组成一 体的新型调速电机，电机兼有直流和交流调速的优点，结构简单、体积小、坚固、 成本低、可靠性高、起动性好，适合于频繁正反转及冲击负载等工况条件；但由 于它低速输出转矩波动大，工作噪声高，而且驱动系统复杂、控制器价格高等， 限制了当前它在汽车i s a d 系统上的应用。 ( 4 ) 直流无刷电机是永磁同步电机的一种，既具备交流电机的结构简单、 运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电机的运行效率高、无励磁损耗 以及调速性能好等诸多特点。7 0 年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许 多新型的高性能半导体功率器件，如g t r 、m o s f e t 、i g b t 等相继出现，以及 高性能永磁材料，如钐钴、钕铁硼等的问世，均为直流无刷机在汽车方面的应用 奠定了坚实的基础。另外选择直流无刷电机还有以下两个理由【3 】【5 】： 目前常用起动发电系统中的磁电机都是永磁同步电机，其与永磁无刷直 流电机的结构相似，可以较方便的进行改造，使其成为起动发电机。 我国提出了建设节约型社会，国家发改委编制的中期能源节约规划中将永 磁电机作为节能推广产品，因为电力的6 0 左右消耗在电机上。因此我们应该积 极加速各类永磁无刷电机的研究、开发和产业化。 通过对几种常用电机的比较可知对混合动力汽车i s a d 系统用直流无刷电机 的研究是很有必要的。 1 3 4 永磁直流无刷电机的研究现状 早在1 9 1 7 年，b o l i g e r 就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从 而诞生了无刷直流电机的基本思想。1 9 5 5 年，美国d h a r r i s o n 等人首次申请了 用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电机 的诞生。1 9 7 8 年西德m a n n e s m a n n 公司的i n d r a m a t 分部在汉诺威贸易博览 会上，正式推出m a c 经典无刷直流电机及其驱动器，使无刷直流电机真正进入 实用阶劂4 1 1 。2 0 世纪8 0 年代，特别是1 9 8 3 年出现价格相对较低的钕铁硼永磁 后，国内外的研究开发重点转移到工业和民用电机上。加上电力电子器件和微机 第5 页 江苏大学硕士学位论文 技术的迅猛发展，稀土永磁电机替代了许多传统的电励磁电机，而且可实现传统 的电励磁电机所难以达到的高性能。2 0 世纪9 0 年代，随着永磁材料性能的不断 提高和完善，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降 低，以其极高的磁能积和剩磁感应的优势，受到了机械和电工领域的青睐，被应 用在稀土永磁齿轮，磁悬浮轴承，以及高功率密度电机方而，取得了良好的效果， 也形成了专门的研究领域。 我国无刷直流电动机的研制工作始于7 0 年代初期，主要集中在一些科研院 所和高等院校。经过3 0 多年的发展，目前我国已有几种系列产品生产，如s t 系列，i f t s 系列，a s m 等系列【4 3 1 。近年来随着科技投入不断加大，以及与国外 科技合作，我国无刷直流电动机的技术水平己经有了很大的提高。 江西喜泰电机有限公司生产的8 8 x w c - n n t 无槽无刷永磁直流电动机采用 定子无槽结构，消除了齿槽效应，减小了损耗，降低了电机的振动和噪声。其技 术参数为：额定电压9 0 v ，额定电流3 3 9 a ，额定转速2 4 5 0 r m i n ，转速可调，额 定转矩0 9 7 4 n m ，效率8 2 t 2 2 1 。 唐山普林电机厂电机产品的特点：启动转矩大，启动电流小；效率比同容量 感应电动机电动机提高5 - - 1 2 ；功率因数接近l ；该电动机在与感应电动机 体积和最高工作转速相同时，较感应电动机输出功率提高3 0 。尤其可贵的是， 该公司的b s 系列无刷直流电动机的售价己与感应电动机电动机和普通变频器售 价之和相差无几【删。 由以上可知，永磁直流无刷电机得到了迅速的发展，但其研究中仍存在很多 问题【$ , 1 6 , 1 7 】，如下所示： ( 1 ) 电机本体设计 电机的本体设计包括永磁材料的选择，永磁体结构设计，转子结构设计等。 永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分。为了充分利用永磁材料的磁性 能，提高无刷直流电机的性能价格比，其磁路设计小能简单套用传统的电机结构 和设计计算方法，需要研究新的分析计算方法，以提高设计计算的准确度；目前 电机的参数也是按照交流电机的参数计算公式计算出来的，其准确性和合理性有 待实践的验证，新的计算方法有待进一步探索；采用永磁励磁使得磁场分布情况 比较复杂，传统的等效磁路法小能完全适用，以等效磁路法和磁场数值分析相结 第6 页 江苏大学硕士学位论文 合是电机设计发展的一种趋势。 ( 2 ) 转矩脉动的研究 自无刷直流电动机问世以来，运行时的转矩脉动是人们需要解决的难题之 一。引起电机转矩脉动的因素主要有两个方面；换向引起的转矩脉动与齿槽效应 引起的转矩脉动。国内外已有很多学者对这两方面做了大量的研究。虽然取得了 一定的成就，但是在一些精度要求比较高的应用中，仍不能满足平稳性，还需进 一步研究。 ( 3 ) 无刷直流电机电枢反应 在一般中小功率的无刷直流电机设计分析中，电枢反应的影响可以忽略，但 是在大功率的电机中电枢反应会造成反电势畸变和转矩波动，甚至可能使永磁材 料出现小可逆退磁i8 1 ，忽略其影响势必造成较大误差，因此在大功率无刷直流电 机的分析和设计中，如何考虑电枢反应的影响，以及如何抑制电枢反应的影响一 直是永磁电机的研究热点和难点。 ( 4 ) 控制策略的研究 目前对无刷直流电机控制策略的研究主要集中在以下两方面： 无位置传感器控制的研究 从控制系统的成本、维护和可靠性等方面考虑，无传感器传动系统对提高系 统的可靠性和环境的适应性具有更重要的意义，受到国内外学术界的高度重视， 成为近年来的研究热点。无刷直流电动机无位置传感器控制技术，关键在于速度 位置的观测与估计，而观测和估计的方法又随着永磁式电机的不同而有所不同， 一般通过检测三相反电动势来确定转子位置和转速。 智能控制 智能控制是控制理论发展的高级阶段，一般包括模糊控制、神经网络控制专 家系统。智能控制技术的应用，大大改进了无刷直流电动机的运行性能。 ( 5 ) 实际应用问题 在实际应用中，电磁兼容问题是一个越来越受到重视的问题。无刷直流电动 机是一种新型电机，其控制电路是强、弱电共存的电路，因此要求其具有抗干扰 能力和防止对外界产生干扰。同时，目前的新型控制方法的研究大部分停留在理 论上，而且许多算法复杂，运用到实际生产中的极少。因而需要研究一些有效的、 第7 页 江苏大学硕士学位论文 实用的控制方法和技术，来改善系统的性能。 1 4 本文研究的主要内容 为推进永磁直流无刷电机在混合动力汽车i s a d 系统中的应用，要求发动机 和电机良好的结合，以满足混合动力汽车汽车对i s g 电机的需求。本文以混合动 力汽车用无刷直流电机的设计为研究对象，进行了理论上的洋细分析，并利用场 路结合法对直流无刷电机进行了设计及优化。本文主要内容分布如下： ( 1 ) 第一章为绪论部分，介绍整个i s a d 系统的研究背景、意义和主要研 究内容； ( 2 ) 第二章介绍了永磁直流无刷电机的工作原理和基本结构，分析了其电 动运行和发电运行的特点，研究了直流无刷电机的磁路原理以及有限元基础，并 对a n s o f t 软件进行了简单的介绍； ( 3 ) 第三章根据混合动力汽车i s a d 系统对直流无刷起动发电机的要求， 对电机的起动功率、助力功率和发电功率进行了估算，给出了电机的大体尺寸及 主要参数的选择方法，采用场路结合的方法设计了一种外转子的永磁直流无刷电 机，并用有限元法对其磁路进行了校核； ( 4 ) 第四章用a n s o f l 软件对设计好的电机进行了参数分析，并对电机结构 进行了优化设计，最后用m a x w e l l 模块对设计好的的电机进行了起动助力发 电性能的瞬态分析，给出了起动时斩波控制的原理； ， ( 5 ) 第五章介绍了混合动力汽车电源系统以及整个i s a d 的硬件系统。并 给出了具体功率器件的选择，最后搭建了实验平台对整个系统进行了调试，给出 了实验波形和数据； ( 6 ) 第六章对研究课题进行了总结和展望。 第8 页 江苏大学硕士学位论丈 第二章永磁直流无刷电机的基本结构及其磁路原理 2 1 引言 永磁无刷直流电机( b r u s h l e s sd cm o t o r ，简称b l d c m ) 又称为方波永磁无 刷电机，是永磁同步电机的一种。永磁无刷电机系统效率较高、电机体积较小、 重量较轻、功率密度大、可靠性高和免维护等优点使其在i s a d 系统应用中有很 强的竞争力。 2 2 永磁无刷电机的基本结构 直流无刷电机主要由电机本体、电子开关线路和位置传感器三部分组成，如 图2 1 所示。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其 他起动装置。其定子绕组一般制成多相( 三相、四相、五相不等) ，转子有永久 磁钢按一定的极对数( 2 p = 2 ，4 ) 组成。下图中的电机本体为三相两极。三相定 子绕组分别与电子开关线路中相应的功率丌关管联接，在图中，a 相、b 相、c 相绕组分别于功率开关管v 卜v 2 、v 3 相接。位置传感器的跟踪转子与电机转轴 相联接【6 。 电机 电子 开关线路 图2 1 三相绕组直流无刷电机 当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相 互作用而产生转矩驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置信号变换成电 信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，定子相电流 随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子 第9 页 江苏大学硕士学位论文 转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。 电机转子的永久磁钢与永磁有刷电机中所用的永久磁钢的作用相似，均是在 电机的气隙中建立足够的磁场，其不同之处在于，直流无刷电机中永久磁钢装在 转子上，而直流有刷电机的磁钢装在定子上。 直流无刷电机电子开关线路是用来控制电机定子上各相绕组通电的顺序和时 间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻 辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给 直流无刷电机定子上各相绕组，以便使电机产生持续不断的转矩。而各相绕组导 通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。位置传感器的信号要经过一 定的逻辑处理爿能控制逻辑开关单元。 2 3 直流无刷电机的运行原理 目前，无刷直流电动机的电机本体大多采用三相对称绕组，由于三相绕组既 可以是星形连接，也可以是角形连接，同时功率逆变器又有桥式和非桥式两种。 因此，无刷直流电机的主电路主要有星形连接三相半桥式、星形连接三相桥式和 角形连接三相桥式三种形式。三相半桥式电路虽然结构简单，但电机的本体利用 率很低，每相绕组只通电1 3 周期，2 3 周期处于关断状态，绕组没有得到充分 利用，在整个运行过程中转矩脉动也比较大。因此，目前以星形连接三相桥式主 电路的应用最多。下面我们以两相导通星形三相六状态方式为例，分析直流无刷 电机的运行原理。 由于直流无刷电动机涉及非线性理论及数值解法等诸多问题，在一般工程应 用上尚无此必要，故通常均做如下假定【6 1 f 8 】： ( 1 )电动机的气隙磁感应强度沿气隙按方波分布。 ( 2 ) 绕组通电时，该电流所产生的磁通对气隙磁通的影响忽略不计。 ( 3 ) 控制电路在开关状态下工作，功率晶体管压降a u ，为恒值。 ( 4 ) 各相绕组对称，其对应的电路单元完全一致，相应的电气时间常数忽 略不计。 ( 5 ) 位置传感器等控制电路的功耗忽略不计。 第l o 页 江苏大学硕士学位论文 较方便，又可获得较准确的结果f 4 】【7 1 【5 1 【3 1 】【1 4 j 。 三1 = 【三兰兰 茎 + 壹兰錾 丢 茎 + 圣 c 2 ， 式中u 。、”。定子相绕组电压( v ) ；乞、之定子相绕组电流 ( a ) ；巳、e b 、巳定子相绕组电动势( v ) ；r 一每相绕组的电阻( q ) ；l 三； = 三兰兰 兰 + - l m 蔓 丢 妻 + 圣 c 2 2 ) 图2 2 无刷直流电机等效电路模型 第1 l 页 江苏大学硕士学位论文 电压平衡方程 u = e a + ，。r 。+ 2 u 丁 ( 2 3 ) 其中，u 为外加电压( v ) ；l 为电枢电流；r a 为电枢绕组电阻( q ) ；u r 为 开关器件的管压降；e 为电枢绕组内的感应电动势( v ) 。 感应电动势 e = 篆刀= e 刀 ( 2 4 ) 其中，p 为电机极对数；n 为电楸绕组总导体数；为每极气隙磁通( w b ) ； a 为电枢绕组的并联支路数；n 为转速( r m ) ；e 为电动势常数。 电磁转矩 瓦。：_ p n 叫。：c 7 ，。 ( 2 5 ) z t t a 其中，g 为转矩常数。 电磁功率 乙= 乙q = 篆急= 6 p 。n 口i l l a = 吼 ( 2 6 ) q 为转子机械角速度( r a d s ) 。 功率平衡方程 u 。= e o ，。+ ，2 r 。+ 2 u 7 l o ( 2 7 ) 即只= e e m + 忍。+ 另， ( 2 8 ) 其中，暑为电机输入功率；匕为电磁功率；p c 。为电枢绕组铜耗；p r 为开 关器件损耗功率。 e e ，= b + + 厶 ( 2 9 ) 其中，最为电机的输出功率；如为铁耗；p 加为机械摩擦损耗。 转矩平衡方程 r e 。= 疋+ 7 0 ( 2 1 0 ) 其中，疋= 鲁为电机轴上机械负载转矩( n ，m ) ；瓦= ! 生去丛为空载阻尼转 第1 2 页 江苏大学硕士学位论文 矩( n m ) 1 1 】【2 6 1 【冽【3 即。 2 3 2 永磁直流无刷电机的发电机状态 当电机带动发动机起动完成后，通过控制线路的切换，电机转入发电机状态 运行。电机相当于永磁同步发电机，与传统的永磁同步电机不同，发出来的三相 交流电要通过全波整流桥将其整流成直流电。 电机空载时，定子绕组开路不带负载，切割主磁通产生对称三相感应电势 e 。因为是永磁体励磁，发电机的输出电压不能像电励磁那样可以通过调整励磁 电流来调节，只能通过在输出端添加辅助设备来控制。 下面以发电时电机带整流桥负载时为例来说明，电机的发电原理。 一般情况下，起动发电系统在发电过程中都是通过整流装置向蓄电池或者 其他设备提供直流电的。这里也主要讨论的是经过整流之后带负载的情况。由于 感应电势为梯形波，经过桥式整流后输出的直流电压纹波较小，需要的输出滤波 装置也相对简单。理想情况下，输出电压应该是没有脉动的。 图2 3 所示为永磁无刷直流电机和二极管全波整流桥构成的系统，功率管t 用来进行电压的调节，r ，和，为负载的等效电路。 j “ 么引么d 3 么d 5 1， i o 【 、 一 ，u 、呻c f l 一 么d 4 一ld 6 么d 2 图2 3 永磁无刷直流电机和二极管全波整流桥构成的系统 整流采用的是二极管电路，属于三相不可控全波整流电路。由于二极管没有 正向阻断电压的能力，因而二极管导通一定是其处在正向偏置时。电路中三相六 只二极管组成了共阳极连接组和共阴极连接组，其导通状况完全由绕组感应电势 的相对大小来决定。任意时刻，总是电势最高的相绕组和电势最低的相绕组同时 导通形成通路，所对应的二极管相应导通。 采用三相整流桥对电机输出电压进行整流时，三相电流会在电机感应电势的 第1 3 页 江苏大学硕士学位论文 作用下循环导通和截止，由于绕组电感的存在，电流不可能发生突变，这时就有 电机三相绕组同时流过电流的情况出现，通常用换相重叠角束表示这段换相时 问。由于电机换相重叠角的不同，电机的整流输出状态也是不一样的。当换相重 叠角小于6 0 0 时，电机工作过程中会出现两种交替改变的工作状态，即两相导通 状态和三相同时导通状态。两相导通状态是由电机感应电势差最大而形成的电流 f l 路，而三相同时导通的状态则是在换流过程中，绕组中电流由于电感的存在而 不能马上消失，而形成了另一个电流回路，一段时间内三相绕组同时导通。 对于外接三相整流桥的三相永磁无刷直流电机，发电的一个周期可分为6 个 工作区问，每一个区间为6 0 0 电角度，而每个区间内，又有两种不同的工作状态： 稳态和换流。下面首先对一个导通区间内的情况来分析电机的状态方程。当c b 相导通时，电机运行在换流后的稳定状态。分析时，将三相电枢绕组等效为三个 电感线圈，不计阻尼绕组，永磁体所产生的感应电势用理想电压源来表示，建立 如图2 4 所示的理想状态电路模型。其中u 。，“。，甜。为电机端电压；u 。为中点 电压；屯，f 。为相电流：吼，三。为等效的负载电阻和电感；i l 为负载电流。 喜当 o ：二 sd 12sd 3 jd 5j 是，坠，、歉，、 i b u a ，_ 上、l 厂、，、，、 u l i b 垦 r 。 l c 1 c u c o 七一2 sd 4z王d 6z sd 2 图2 4 永磁无刷直流电机发电状态的理想电路模型 由图2 4 ，不计二极管压降，列出如下方程： u c - - z i b 础甜l 鲁 = 邑一心屯一厶鲁+ ( 2 11 ) 铲e r t t 鲁栅。 ( e 。- r c t t 鲁+ ) 一( 毛一心一厶鲁+ ) = r t + t 鲁 第1 4 页 江苏大学硕士学位论文 e e = ( r r + 2 r h ，。+ ( t + 2 l 。l d 衍i c 一 ( 2 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 即为两相导通时稳态模式下的状态方程。 图2 5 由c b 导通到a b 导通的换流过程 在由c b 导通到a b 导通的换流过程中，电机运行在换流模式下。如图2 5 所示，电机c 相绕组趋于截止，a 相绕组趋于导通，此时电机中存在两个电流 回路，即c ，b 相构成的回路和a ，b 相构成的回路。不计二极管压降，列出如 下状态方程： c - - b 划小t 鲁 u a - - u h 娟l i i “l j 铲耻钒雾帆 ( 2 1 3 ) ”瓦一心一厶鲁栅。 一“ 驴e c - r c t “。鲁栅。 整理后，得到下式： 一r 6 i b e d r ，i a z l 2 z 口+ l c 2 - - 口一z 。 ( 2 1 4 ) 式( 2 1 4 ) 即为三相同时导通换流模式下的状态方程。 以上具体分析了一个6 0 0 区问内的工作情况，对于其他的工作区间，只是构 第1 5 页 盟西鱼出 t 丘 + + t 雕 = = 、， 丸百丸百 厶 厶 一 一 、，、 以i 以万 厶 乙 一 一 0 0 犯 瞩 一 一 e t 江苏戈学硕士学住论文 成电流酬路的相绕组组台发生了变化，可以采用相同的分析方法来分析。这样就 得到发电过程在整个3 6 0 0 工作周期内的状态方程。对于其他工作区问的情况， 这里不再赘述娜1 ”。 2 4 直流无刷电机磁路计算基础 永磁电机与电励磁电机的最大区别在于它的励磁磁场是由永磁体产生。永磁 体在电机中既是磁源，又足磁路的组成部分。在永磁电机内部实际存在的是多种 形式的三维交变电磁场，要想准确地弄清它在空州的分布情况和随时叫的变化规 律，从而求出电机的动稳态性能比较困难。为了简化分析计算，目前在许多工程 问题中仍常采用“场化路”的方法，将空间实际存在的不均匀磁场转化成等效的 多段磁路，并近似认为在每段磁路中的磁通沿截面和长度均匀分布，将磁场的计 算转化为磁路的计算，然后用各种系数柬进行修i f ，使各段磁路的磁位差等于磁 场中对应点之间的磁位差。实践表明，特别是积累了一定的经验后，这一套方法 具有一定的精度，对电机的设训是有效的，在方案估算，初始方案设计和类似结 构的方案比较等方面更为实用h j 。 2 41 永磁电机的等效磁路 电机的主磁路由磁源，导磁材料和气隙组成。可细分为：永磁体，转子扼， 气隙，定子齿和定子扼，如图2 , 6 所示。 为 定子齿 定子轭 磁体 图26 电机的磁路 ( 1 ) 永磁体( 磁源) 的等效碰路 在均匀磁性材料中，磁感应强度b ，磁化强度m 和磁场强度h 之叫的关系 内禀磁感应强 b = m + ”。h 第1 6 页 ( 2 1 5 ) 江苏大学硕士学位论文 永磁材料的磁化强度： e = i t o m = b 一h m = m ，- i - z h h h e h ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 图2 7 水磁体的退磁曲线 式中m ，为剩余磁化强度，对于特定的永磁材料是个常量。z 为永磁材料的 磁化系数，一般情况下是磁场强度的函数，与相对回复磁导率间存在的关系为 i t ，= l + z 。因此将公式( 2 1 5 - 2 1 6 ) 联立可得： 肛风( 哆，+ 胆) 之i t 。肚风r + 竺如h ( 2 1 8 ) le = 鳓【m ，4 - 2 h ) = o m ，+ 缸，一1 加。日 磁场强度取绝对值时： j 肛。m r 叫r ? 肚b 、，叫 h ( 2 1 9 ) ie = e ，一，一1 肛。日 图2 7 ( a ) 表示出稀土永磁材料典型的内禀曲线及退磁曲线。由图可知，在 o h 。范围内，内禀曲线为略微下垂的直线1 ，下垂线斜率为，一1 咖。为了便 于分析，引入一个虚拟内禀曲线，它在o 日。范围内为e = e ，= 胁m ，的一条 水平直线。将b = s ( x ) 曲线的纵坐标乘以永磁体提供每极磁通面积，横坐标乘 以每对极磁路中永磁体磁化方向长度，即可把b = s ( h ) 曲线传换为m = 厂扩) 曲 线，如图2 7 ( b ) 所示。由式( 2 1 9 ) 得： 删。1 0 一= e 以l 旷一m 。删。1 旷i ( 2 2 0 ) 九= ，一oj 式中，a 。永磁体提供每极磁通的载面积( c 聊2 ) ；。永磁体向外磁路 江苏大学硕士学位论文 提供的每极总磁通( w b ) ，。= b a ，x1 0 ；，永磁体虚拟内禀磁通( w b ) ， 对于给定的永磁体性能和尺寸，它是一个常数，= b ，a 。1 0 4 ；。永磁 体的虚拟内漏磁通( w b ) 。 。= ，。爿= a 册1 0 = 避1 0 一2 协坳1 0 = 人。吒 (221)h m r 式中，人。永磁体的内磁导( h ) ，对于给定永磁体性能和尺寸，它是一个常数： 人。：半1 0 2 ( 2 2 2 ) n m d 式中，h m p 每对极磁路中永磁体磁化方向长度( c m ) ；吒每对极磁路中 永磁体两端向外磁路提供的磁动势( a ) ，l = h x 1 0 。 经过上述处理永磁体等效成一个，恒磁通源中，与一个恒定的内磁导a 。相 并联的磁通源，如图2 8 ( a ) ，这就简化了磁路计算。 与电路中电压源与电流源可等效变换相似，磁路中的磁通源也可等效变换成 磁动势源，如图2 8 ( b ) 。 l = c 一署 e = h 。1 0 。2 中， !i ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 图2 8 永磁体的等效磁路 ( 2 ) 外磁路的等效磁路 永磁体向外磁路所提供的总磁通。可分为两部分，一部分与电枢绕组匝链， 第1 8 页 江苏大学硕士学位论文 称为主磁通中m 占( 即每极气隙磁