（电机与电器专业论文）永磁交流牵引电动机弱磁特性研究及其设计.pdf

永磁交流牵引电动机弱磁特性研究及其设计 s t u d yo f f i e l d - w e a k e n i n ga n dd e s i g nf o r p e r m a n e n tm a g n e ta l t e r n a t i n gc u r r e n tt r a c t i o nm o t o r a b s t r a c t a u t o m o b i l ei n d u s t r ya c c e l e r a t e st h ec o u r s eo fs o c i e t ym o d e r n i z a t i o n ，a tt h es a m et i m ei t b r i n g sp r o b l e m so fe n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n dm a g n i t u d ee n e r g ys o u r c ed e p l e t i n g ，s om a n y c o u n t r i e sr e s e a r c he l e c t r i cv e h i c l et os o l v ea c t u a l i t y t r a c t i o nm o t o ri so n eo ft h ek e yp a r t so f d r i v es y s t e mo fe l e c t r i cv e h i c l e ，p e r m a n e n tm a g n e t ( p m ) m o t o ri sa ni d e a lt r a c t i o nm o t o r b e c a u s eo fh i g hf a c t o r ，h i g he f f i c i e n c y , h i g hp o w e rd e n s i t y p mm o t o ri sn o wg r a d u a l l y i n s t e a do fi n d u c t i o nm o t o rb e c o m i n gt h em a i nt y p e 1 1 1 i sp a p e rb a s e so nt h es t u d yo fh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) p mt r a c t i o nm o t o r ，f o u rp a r t sa r ei n c l u d e da sf o l l o w s ： f i r s to fa l l ，p u t t i n gf o r w a r dt h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e rb a s i n go na n a l y z i n gt h e a c t u a l i t yo f e vt r a c t i o nm o t o r s e c o n d ，i ti ss t u d i e dt h a tt h ep a r a m e t e r so fp mm o t o ra f f e c t i n go nf i e l d - w e a k e n i n g c o m b i n ew i t hc o n t r o ls t r a t e g yo fi n v e r t e r t h em a xt o r q u e c u r r e n tc o n t r o li sa p p l i e di nt h e c o n s t a n tt o r q u ea r e a , t h ef a c t o r s ，d - a x i s ，q - a x i si n d u c t a n c ea n dm a g n e tf l u xl i n k a g e ，o f a f f e c t i n gt u r n s p e e d ( t h em a xs p e e di nt h ec o n s t a n tt o r q u ea r e a ) o fp mt r a c t i o nm o t o ra r e a n a l y z e dq u a n t i f i c a t i o n a l l yb a s i n go nf o r m u l ao ft u r n - s p e e d t h ef i e l d w e a k e n i n gc o n t r o li s a p p l i e di nt h ec o n s t a n tp o w e ra r e a , t h ee f f e c ti sa n a l y z e dt h a td - a x i si n d u c t a n c ea n dm a g n e t f l u xl i n k a g ef o rt h em a x - s p e e di nt h ec o n s t a n tp o w e ra r e a , a n dp r o v i d e dt h er e l a t i o nc u l w e t h i r d ，t h ep mt r a c t i o nm o t o ro fh i g l ld e n s i t ya n dh i 【g l lp e r f o r m a n c ei sd i f f i c u l tt od e s i g n t h ek e yp r o b l e m so fp mt r a c t i o nm o t o rd e s i g na r ea d v a n c e da c c o r d i n gt ot h er m r l c h a r a c t e r i s t i ca n dp e r f o r m a n c eo fp mt r a c t i o nm o t o r c o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r sa r ed e s i g n e d o p t i m a l l y , t h es e l e c tm e t h o d so fs o m ep a r a m e t e r so fp mt r a c t i o nm o t o ra r ep r e s e n t e d ，a n d d i f f e r e n tk i n d so f ，v a t e r - c o o l i n gs t r u c t u r ea p p l i e di nt r a c t i o nm o t o ra l ep r o v i d e d f i n a l l y ，ap m t r a c t i o nm o t o ru s e di nh e vi sd e s i g n e d ，r a t e dt o r q u ei s2 91 5 n 。m ，r a t e d p o w e ri s5 5 k w s t a n d a r dd r a w i n g so f p r o t o t y p ea r ed r e w , a n dp r o t o t y p ei sp r o d u c e d k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e tm o t o r , t r a c t i o nm o t o r , e l e c t r i cv e h i c l e ，f i e l d - w e a k e n i n g i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：豸色弛趣日期：盘与z 止 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：互睦劢豳导师签名：压 8 0 ) i ：作制 9 0 k w 5 5 k w 18 0 0 r m i n 6 0 0 0 r m i n 2 2 0 v - 3 0 一1 0 5 g o 9 0 5 0 额定功率1 小时工作制 峰值功率5 分钟丁作制 4 。1 样机参数 混合动力客车用永磁牵引电动机样机的结构尺寸参数见表4 2 。样机的外观 如图4 1 所示。 4 8 沈阳工业大学硕士学位论文 酗4 1 样机的外观图 f i g 4 1p i t , m eo f p r o t o t y p e 表4 2 样机结构尺寸 t a b 4 2c o n f i g u r a t i o nd i m e n s i o no f p r o t o t y p e 名称尺寸 定子外径d 1 m m 3 2 7 定子内径d ，l m m 2 3 0 轴向长度上，m m 1 5 0 极对数p 3 定子梢数q 1 5 4 气隙长度万m m 2 永磁体的剩磁密度e 厂r 1 2 l 永磁体矫顽力h 。k a m 9 2 0 6 永磁体磁化方向长度h m m m 7 4 9 永磁交流牵引电动机弱磁特性研究及其设计 4 2 样机所用材料的选取 由于混合动力客车用牵引电机功率密度大、电磁负荷高，热负荷设计值为 2 7 0 0 a 2 e m i i l i 1 2 左右，同时电机的工作温度变化范围大，牵引电机不是长期连 续工作制，因此本样机采用h 级绝缘。 由于电动机的工作温度比较高，为了防止高温时退磁，保证电机的可靠性， 初步选取工作温度 1 8 09 c 的n 3 5 e h 型永磁体，耳= 1 2 1 t ，h 。= 9 2 0 6 k a m 。 提高电机的效率，主要就是从减小电机的损耗着手，其中电机的铁耗与电机 转速和主磁通的谐波情况有关，电机转速越高，铁耗越大。另外定、转子铁心材 料不同，铁耗也不同，本样机选用d w 3 1 0 - - 5 0 型硅钢片可有效地减小铁耗，尤 其对电机高速运行时的铁耗的减小效果更为显著。 为了提高牵引电机的功率密度，要尽量减轻电机的体积和所用材料的重量。 机壳若采用密度较小的易于成形、价格低廉的高强度铝合金材料会大大降低电机 的整体重量，若采用密度更低的镁合金材料重量将会更大程度的减轻，电机在批 量生产时可以考虑使用。本文仅制造一台样机，若采用合金材料的机壳需要外协 生产，费用大、周期长，因此根据实际条件，机壳和水套都选用q 2 3 5 。 4 3 转子机械强度的计算 由于本课题永磁牵引电机样机转速高，对转子的机械强度要求高。如图4 2 是一个极下的转子图，图4 2 a 是极靴上不开孔的情况，图4 2 b 是极靴上开1 5 1 5 7 5 规格孔的情况。对额定转速和最高转速下，针对一个极下的极靴a b c d 、 永磁体p m l 和p m 2 的离心力进行了计算，具体数据见表4 3 。 沈日l 丁业人学硕+ 学位论文 a ) 转子不开孔b ) 开孔( 1 5 x l s x 7 5 ) 图4 2 部分转子示意图 f i g , 4 2s k e t c hm a po f p a r tr o t o r 表4 3 不同转速下转子离心力单位：k n t a b 4 3c e n t r i f u g a lo fr o t o ri nd i f f e r e n ts p e e du n i t ：k n 在一定的磁场作用下，永磁体对永磁体槽产生一定的拉力，利用a n s o f t 软 件求出额定负载时的永磁体槽的周围某点磁感应强度和磁场强度，利用式( 4 1 ) 可求得该点永磁体对永磁体槽的拉力。 厂；必( 民+ a t a ：磁) ( 4 1 ) 。 2 a l 2 ”7 其中：“永磁体磁导率，：是硅钢片磁导率，氏是磁感应强度，日。是磁 场强度。 永磁交流牵引电动机弱磁特性研究及其设计 a ) 磁感应强度b 分布b ) 磁场强度h 分布 图4 3 额定负载时磁感应强度b 和磁场强度日分布 f i g 4 3t h ed i s t r i b u t i o no f r a t e dl o a d b a n dh 表4 4 不同点永磁体对永磁体槽的拉力单位：k n t a b 4 4p u l lo fp mf o rp ms l o t i nd i f f e r e n tp o i n t u n i t ：k n 位置 永磁体对永磁体槽拉力 a- 3 8 6 b4 5 2 c3 0 2 d4 4 2 e2 4 9 f- 3 4 0 如图4 3 a 是样机额定负载时磁感应强度b 分布图，图4 3 b 是样机额定负载 时磁场强度胃的分布图，对图中指出的a 、b 、c 、d 、e 和f 点的永磁体槽对永磁 体的拉力进行了计算，结果见表4 4 。 4 4 温度场的计算 利用a n s y s 软件对样机的温度场进行了分析计算，图4 4 是样机二维温度场 分布情况，可以看出选用h 级绝缘结构能够符合样机的温升要求。 沈阳：i ：业大学硕士学位论文 图4 4 二维温度场分布图 f i g 4 4d i s t r i b u t i o no f 2 dt e m p e r a t u r ef i e l d 4 5 永磁牵引电机样机的试验 a ) 线反电动势波形b ) 频谱分析图 图4 5 样机反电动势波形和频谱分析 f i g 4 5e m f w a v ea n dp o w e rh a r m o n i c so f p r o t o t y p e 对所设计的电机进行了试验，图4 5 a 是样机频率为5 0 1 - i z 时线反电动势试验 波形，利用w a v e s t a r 软件对反电动势波形进行了频谱分析，结果如图4 5 b 所示。 永磁交流牵引电动机弱磁特性研究及其设计 可以看出反电动势波形比较接近讵弦，从频谱分析的结果来看只有5 、1 7 次谐波 较高些，但是所占比例不大，t h d 为4 7 1 8 。 4 6 本章小结 完成了样机的设计，给出了所开发样机的结构尺寸，并对样机进行了部分的 试验。 ( 1 ) 详细说明了样机所选用的材料。 ( 2 ) 对不同速度下转子极靴的离心力进行了准确计算，与电磁场结合，计 算了一个极下不同点转子永磁体对永磁体槽的拉力。 ( 3 ) 利用a n s y s 软件对样机进行了二维温度场计算，从结果来看所选用的 绝缘材料能够满足电机温升的需求。 沈肌r 业大学硕+ 学位论文 5 结论 由于电动汽车污染小，能量效率高及能源多样化，结构简单，维修使用方便， 使之成为2 l 世纪最有前途的汽车。永磁同步电机的功率因数大、效率高、功率 密度大，是种比较理想的驱动电机，目前正逐步取代感应电动机而成为电动汽 车用牵引电机的主流机型。本文以混合动力电动客车用永磁牵引电机的开发为背 景，研究了电机参数对弱磁特性的影响、永磁牵引电机设计的关键问题、优化选 择结构参数等技术。本文所取得的主要成果如下： ( 1 ) 良好的电机设计必须和逆变器的控制策略结合起来，恒转矩区采用最 大转矩电流控制，针对所开发的样机，定量分析了直、交轴电感和永磁磁链对 永磁牵引电机转折转速( 恒转矩区最大速度) 的影响，当直轴电感变化时，p 小于 1 6 时，转折转速增加非常显著，大于1 6 时变化平缓；恒功率区采用弱磁控制， 分析了直轴电感和永磁磁链对恒功率区最高转速的影响，当直轴电感小于2 5 m t t 最大转速增加缓慢，大于2 5 t a h 后增加速度变快。 ( 2 ) 对影响弱磁扩速倍数的因数p 和p ：进行了分析，如果p 在1 2 0 的 范围变化，对于本文所研究的电机结构，理论上具有4 倍以上弱磁扩速倍数；为 了同时保证电机在恒功率区域的弱磁扩速能力和恒转矩区域的转矩输出能力， 建议吒选择在0 8 左右比较合理。 ( 3 ) 在分析永磁电机作为电动汽车用牵引电机的优势基础之上，根据永磁 牵引电机的运行特性和性能要求，针对高密度高性能的永磁牵引电机设计难度较 大，提出了永磁牵引电机设计中的关键问题。 ( 4 ) 综合考虑电机的弱磁能力、抗失磁能力、机械强度及磁阻转矩利用等 方面的具体情况，最终确定样机的转子永磁体结构，并对转予进行优化设计。确 定了永磁牵引电机的气隙长度、永磁体磁化方向长度、空载漏磁因数等关键参数 的选用原则，并给出了选取方法。针对样机体积小、电磁负荷高、工作环境温度 高等特点，提出了牵引电机采用的螺旋形和整腔水路结构。 永磁交流牵引电动机弱磁特性研究及其设计 ( 5 ) 设计一台额定转矩2 9 1 n m ，额定功率5 5 k w ，最大转矩4 7 7 n m ， 最大功率9 0 k w 混合动力电动客车用永磁牵引电机，完成整个样机的标准设 计图纸，样机现已制造完成，并进行了部分试验。 ( 6 ) 课题的展望。电动汽车用永磁牵引电机是我国现今一个重要的研究 方向，样机参数方面根据试验结果需要进一步改进，争取早只装车试验。 沈阳工业人学硕十学位论文 参考文献 1 陈清泉，孙逢春混合电动车辆基础北京：北京理工人学出版社，2 0 0 2 卜3 9 e 2 陈清泉，孙逢春，祝嘉光现代电动汽车技术北京：北京理工大学出版社，2 0 0 2 卜1 7 0 3 宋慧，胡骅电动汽车的现状及发展( i v ) 汽车电器，2 0 0 0 ，( 4 ) ：5 1 5 5 4 万沛霖电动汽车的关键技术北京：北京理工大学出版社，1 9 9 8 5 马宪民电动汽车的电气驱动系统西安公路交通大学学报，2 0 0 l 。2 1 ( 3 ) ：8 3 8 6 6 阿布里提，阿布都拉，清水健一电动汽车的发展状况和开发动向电工电能新技术， 2 0 0 0 ，( 1 ) ：4 9 - 5 3 7 2r a h m a ns ，t e k l uy r o l eo ft h ee l e c t r i cv e h i c l ea sad i s t r i b u t e dr e s o u r c e p o w e r e n g i n e e r i n gs o c i e t yw i n t e rm e e t i n g 2 0 0 0 ：5 2 8 5 3 3 8 詹宜巨，陈清泉电动车技术发展及前景展望电气传动，1 9 9 7 ， ( 5 ) ：4 0 4 4 9 3 宋凌峰，程树康电动车电驱动技术综述电工技术，1 9 9 9 ， ( 4 ) ：3 - 6 1 0 邓隐北娄彦珍，电动汽车的电机驱动系统河南交通科技，1 9 9 9 ( 2 ) ：5 9 6 3 1 1 范健文电动汽车电气驱动系统广西工学院学报2 0 0 3 ，( 2 ) ：5 1 5 5 1 2 王益全，刘军，秦晓平等译电动机技术实用手册北京：科学出版社，2 0 0 6 8 4 1 - - 8 7 4 1 3 “十五”8 6 3 计划屯动汽车重大专项发展报告。 1 4 徐衍亮电动汽车用永磁同步电动机及其驱动系统研究：博士学位论文沈1 ：沈阳 工业人学，2 0 0 1 1 5 卢子广，柴建云，王祥珩等电动汽车无刷直流电机驱动系统实时仿真系统仿真学 报，2 0 0 3 ，( 4 ) ：5 4 1 5 4 7 1 6 张东混合动力电动汽车_ h j 电机的开发和系统仿真硕士学位论文沈阳：沈阳工业大 学，2 0 0 3 1 7 罗玉涛，陈统坚，沈继军b e v 6 7 0 0 混联式混合动力电动汽车的仿真研究机电工程 技术，2 0 0 3 ，( 1 ) ：5 7 - 6 0 1 8 李益丰电动汽乍朋异步驱动电动机的设计交流技术与电力牵引，2 0 0 3 ，( 6 ) ：3 5 3 9 1 9 黄苏融；张琪混合动力汽车用高密度i p j l 牵引电机的设计与仿真 5 7 永磁交流牵引电动机弱磁特性研究及其设计 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 中国产业竞争情报网 b ! e ；z 曼里h i n 堑i ! ：q g ：n 庸任远现代永磁咀机理论与设计北京：机械i ：业出版社，1 9 9 7 李忐民，张遇杰编著同步电动机调速系统机械工业山版社，1 9 9 6 马小亮著大功率交一交变频调速及欠量控制技术机械工业出版社，1 9 9 6 陈俊峰编著永磁电机( 下册) 交流电机和直流电机机械l ：业出版社，1 9 8 3 s h i g e om o r i m o t o ，e ta l ，“e x p a n s i o no fo p e r a t i n gl i m i t sf o rp m s mb yc u r r e n t v e c t o rc o n t r o lc o n s i d e r i n gi n v e r t e rc a p a b i l i t y i e e et r a n s 0 ni n d u s t r ya p p l v 0 1 2 6 ，1 9 9 0 ( 5 ) ：8 6 6 8 7 1 2 6 赵硕，张缓缓，王庆年混合动力汽车电机恒功率特性研究微电机，2 0 0 5 ，( 3 ) ：7 5 - 7 8 2 7 j a h n s ，t m f l u x - w e a k e n i n gr e g i m eo p e r a t i o no fa ni n t e r i o rp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o rd r i v e i e e et r a n s ，1 9 8 7 ，i a 一2 3 ：6 8 1 6 8 9 2 8 s o o n gw l ，m i l l e rt j e f i e l d - w e a k e n i n gp e r f o r m a n c eo fb r u s h l e s ss y n c h r o n o u s a cm o t o rd r i v e s i e ep r o c e e d i n g so fe l e c t r i cp o w e ra p p l i c a t i o n ，1 9 9 4 ，1 4 1 ( 6 ) ：3 3 1 3 4 0 2 9 y u n g k a n gc h i n ap 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 rf o ra ne l e c t r i c v e h i c l e d e s i g na n a l y s i s h t t p ：v n n v d i v a p o r t a l o r g k t h a b s t r a c t x s q l ? d b i d = 1 7 6 3 2 0 0 4 一0 7 0 5 3 0 s e b a s t i a nt ，s l e m o ng r o p e r a t i n gl i m i t si n v e r t e r d r i v e np e r m a n e n tm a g n e t m o t o rd r i v e s ，i e e et r a n s a c t i o no ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s ，1 9 8 7 ，2 3 ：3 2 7 ”3 3 3 3 1 r i c h a r df s c h i f e r l ，a n dt h o m a sa l i p o ，“p o w e rc a p a b i l i t yo fs a l l e n tp o l e p 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 si nv a r i a b l es p e e dd r i v ea p p l i c a t i o n ”，i e e e t r a n s 0 1 1i n d u s t r ya p p l v 0 1 2 6 1 9 9 0 ( 1 ) ：1 1 5 1 2 3 3 2 3 张飞地铁圳永磁同步电动机设计中的关键技术问题研究硕+ 学位论文沈阳：沈 阡ij ：业人学，2 0 0 6 3 3 吴世华电动汽车用外转子永磁轮式电机的研究硕+ 学位论文哈尔滨：哈尔滨下 业火学，2 0 0 5 3 4 陈世坤土编电机设计j 匕京：机械j ：业出版社，2 0 0 0 沈阳1 ：业大学硕士学位论文 3 6 c c c h a n t h es t a t eo f t h ea r to fe l e c t r i ca n dh y b r i dv e h i c l e s i n ：c c c h a l m o d e r ne l e c t r i cv e h i c l e s ，e l e c t r i cd r i v e sa n dp o w e re l e c t r o n i c s b e i j i n g ：c h i n a m a c h i n ep r e s s ，2 0 0 6 3 6 a z i z u rr a h m a nm ，r u i f e n gq i n ap e r m a n e n tm a g n e th y s t e r e s i s h y b r i ds y n c h r o n o u s m o t o rf o re l e c t r i cv e h i c l e i e e et r a n s o ni n d u s t r i a le l e c t r o n i c s 1 9 9 7 。4 4 ( 1 ) ：4 6 5 3 3 7 c c c h a n 。r z h a n g ，k t c h a ne ta 1 an o v e lp e r m a n e n tm a g n e th y b r i dm o t o rf o r e l e c t r i cv e h i c l e s p r o c e e d i n g si n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo ne l e c t r i cm a c h i n e s ， h a n g z h o u ，c h i n a , a u g u s t1 9 9 5 ：1 0 0 4 1 0 0 9 3 8 3 许家群，徐衍亮，邢伟电动汽车驱动_ j 永磁同步电动机转子结构选择微特电机，2 0 0 4 ( 3 ) ：1 2 1 3 3 9 黄国治，傅丰礼y 2 系列三相异步电动机技术手册北京：机械工业山版社，2 0 0 4 1 4 0 y u k i oh o n d a 。t o m o k a z un a k a m u r a ，t o s h i r oh i g a k ie ta 1 m o t o rd e s i g nc o n s i d e r a t i o n s a n dt e s tr e s u l t so fa ni n t e r i o rp 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 rf o re l e c t r i c v e h i c l e s i e e ei n d u s t r ya p p l i c a t i o n ss o c i e t y 1 9 9 7 ，( 1 ) ：7 5 8 2 4 1 陈世坤电机设计北京：机械工业出版社，1 9 8 2 1 4 2