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湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t p e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd i r e c tc u r r e n t ( b l d c ) m o t o rh a sb e e nw i d e l yu s e d i nd i f f e r e n td r i v i n gf i e l db e c a u s eo fi t sh i g hp o w e rd e n s i t y , h i g hf o r c ee n e r g yi n d e x ， h i g l le f f i c i e n c ya n ds i m p l es t r u c t u r e b u ti t sa i r - g a pm a g n e t i cf i e l dc a n tb ea d j u s t e d ， c a u s e dt h em o t o rs p e e dr a n g en o tw i d e i tb e c a m eap e r m a n e n tm a g n e tm o t o rf o r e l e c t r i cv e h i c l e sr e s t r i c t i o n si n t h i sa r e ao f t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n b o t t l e n e c k c o n s e q u e n tp o l ep e r m a n e n tm a c h i n e ( c p p m )i n c r e a s e de x c i t i n gw i n d i n g sa n d c o n s e q u e n tp o l ei ni t si n t e r n a l ，s o l v e dt h ep r o b l e mo fa i r - g a pm a g n e t i cf i e l da d j u s t m e n t i np e r m a n e n tm a g i l e tb l d cm o t o rv e r yi n g e n i o u s l y e l e c t r i cv e h i c l ec p p mb r u s h l e s sm o t o ra n di t sc o n t r o l l e rw e r es t u d i e di nt h i sp a p e r f i r s t ，t h ec u r r e n ts t u d ys i t u a t i o no fp u r ee l e c t r i cv e h i c l ea n dc p p mb r u s h l e s sm o t o r w e r er e v i e w e d ，t h e nt h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c si nc p p mb r u s h l e s s m o t o rw e r ea n a l y z e d i nv i e wo ft h ep a r t i c u l a r i t yo ft h es t r u c t u r ea n dt h ec o m p l e x i t yo f t h em a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o ni nt h ec p p mb r u s h l e s sm o t o r , t h et h r e e d i m e n s i o n a l m o d e lo fc p p mb r u s h l e s sm o t o rw a sc o n s t r u c t e db yt h ep r o f e s s i o n a lt h r e e - d i m e n s i o n a l m o d e l i n gs o f t w a r er h i n 0 4 0i nt h i sp a p e r , t h e nt h em o d e lw a si m p o r t e dt om a x w e l l3 d s o f t w a r ea n dat h r e e d i m e n s i o n a le l e c t r o m a g n e t i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw a sc a r r i e d o u t t h ee f f e c t so ft h em a g n e t i cf i e l dw i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r so nt h ep r o t o t y p eo f c p p mb r u s h l e s sm o t o rw e r ea n a l y z e d o nt h i sb a s i s ，c p p mb r u s h l e s sm o t o ro p t i m i z e d d e s i g na n dp r o t o t y p et r i a lw e r ec a r r i e do u t a tt h es a m et i m e ，t h ep r o b l e mo fc p p m p r o t o t y p eb r u s h l e s sm o t o rr o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o nw a sw e l ls o l v e db yt h eu s eo fs m a l l r o t o ra n dh a l ld e t e c t i o nc i r c u i t s e c o n d l y , ag r e a td e a lo fs t u d yw o r ki nc p p mb r u s h l e s sm o t o rw e r ec a r r i e do u t ， t h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n b o a r dm a k i n ga n dh a r d w a r ed e b u g g i n go ft h ec p p m b r u s h l e s sm o t o rc o n t r o l l e rw e r ec o m p l e t e di n t h i sp a p e r f o c u so na n a l y z i n ga n d d i s c u s s i n gt h ec o n t r o ls t r a t e g yo fc p p mb r u s h l e s sm o t o ra n dp r o p o s eap l a n o f h i e r a r c h i c a lc o n t r 0 1 f i n a l l y , t h ec p p mb r u s h l e s sm o t o rp r o t o t y p ei nas e r i e so fm o r ec o m p r e h e n s i v e t e s tr e s u l t sw a sr e p o r t e di n t h i sp a p e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tc p p m b r u s h l e s sm o t o rh a sag o o dp e r f o r m a n c eo fs p e e dc o n t r o lb yf i e l dw e a k e n i n ga n df i e l d a d d i n g ，i ti sa ni d e a ld r i v i n gm o t o ro fe l e c t r i cv e h i c l e m e a n w h i l e ，t h er a t i o n a l i t yo ft h e c p p mb r u s h l e s sm o t o rp r o t o t y p ed e s i g na n dt h es t a b i l i t yo fc o n t r o l l e rh a db e e na l s o v e r i f i e d k e y w o r d s ：c p p mb r u s h l e s sm o t o r ；t h r e e d i m e n s i o n a le l e c t r o m a g n e t i cf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ；o p t i m i z e dd e s i g n ；s p e e dc o n t r o lb yf i e l dw e a k e n i n g ；c o n t r o ls t r a t e g y h 潮彬工棠大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：矗1 声聱日期：弘冲年月p 日学位论文作者签名：1 声佯日期：弘冲年6 月p 日 1 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，即：学校有 权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。本人授权湖北工业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、缩印或扫描等复制手段保存和 学位论文作者签名：c 厶l 事峰 日期：k 7 年月f z 日嚣午 月lo 】o 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着全球石油资源的日趋枯竭，世界能源危机的愈演愈烈，加上环境污染以 及全球气温上升的危害不断加剧。世界各国政府以及汽车企业开始普遍认识到节 能和减排将是未来汽车技术的发展方向，发展电动汽车也将是解决这两大技术难 题的最理想的途径l 。 回顾汽车的发展历史，1 9 7 0 年的全球石油危机催生了新一代的汽车新能源技 术。美国选择了发展燃料电池，欧洲选择了研发清洁柴油，日本则走了混合动力 之路。从他们的基本模式而言，这些汽车新能源技术的研究大体上可以分为两大 类：一类是在传统的内燃机汽车的模式下，开发代替汽油的新燃料；另一类则是 以新能源( 比如电力) 为基础，开发应用于这一新能源的汽车动力技术，比如电 动车技术【2 1 。 在这场预示着未来的汽车新技术争夺战中，通用、福特、奔驰以及丰田等国 际汽车巨头们纷纷投入了巨大的资金和人力。截止到目前，丰田的油电混和动力 汽车普锐斯( p r i u s ) 已占领了美国电动汽车市场近7 0 的市场份额。第一代丰田 普瑞斯自1 9 9 7 年上市以来，在全球已有1 5 0 万辆的销量。根据目前丰田公司的预 算来计算，所卖出的普锐斯汽车总共已节约了2 7 亿升左右的汽油，同时汽车二氧 化碳的排放量减少了近2 7 0 0 万吨。近期，在著名的麦肯锡管理咨询机构的一份研 究报告中指出，目前丰田普锐斯的环保价值已经远远超出了它的传统功能性。车 内特有的仪表盘能清晰的显示出该车的能效，不断地向消费者传递“你己节约多 少能效 的信息p j 。 但是，自丰田普锐斯进入中国市场以来，由于在国内缺乏政府补贴，所以它 并未真正受到中国消费者的青睐。中国电动汽车市场依旧呈现着市场消费者不成 熟、市场机制不成熟和竞争机制不成熟的三个“不成熟 的特点。 在过去的2 0 年里，中国的汽车工业在“牺牲市场换技术的传统模式下，国 有汽车大企业近乎丧失了自主创新和研发能力，几乎沦为全球汽车制造业的“组 装厂 和“代理商”。直到2 0 0 0 年以后，以吉利、奇瑞和比亚迪等为代表的一批 民营汽车企业开始奋起直追。 在这个有着百年悠久历史的传统产业中，跨国企业们多年积累下来的专利和 技术门槛并不容易跨越【4 j 。然而，目前各国在电动汽车上的研发水平基本处在同一 起跑线上，彼此间的差距并不是很大。据相关数据显示，我国虽在传统汽车领域 湖北工业大学硕士学位论文 l i i _ _ l 摹_ ，蔓! ! 蔓! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 落后于发达国家近三十年，基本丧失了技术追赶的机会，但是在电动汽车领域， 我国与国外的技术水平和产业化程度的差距相对较小，与技术发达的国家只有四 五年的差距，而且未来有望在该领域获得重要地位1 5 j 。 同时，这也为我国汽车工业新技术实现跨越式发展提供了一次历史性的机遇 和挑战。目前，我国电动汽车的研发己具备了一定的市场环境和技术基础，而且 政府也非常重视电动汽车的发展。从2 0 0 1 年开始，国家便启动了电动汽车重大科 研技术专项，并在全国逐渐形成了“三纵三横”的研发格局( 以纯电动、混合动 力以及燃料电池为“三纵”，以多能源动力控制、动力蓄电池以及驱动电机为“三 横) 。 目前看来，该格局已初步形成。在纯电动、混合动力和燃料电池汽车的整车 集成技术、动力系统集成技术以及动力总成关键零部件技术方面已取得了重大技 术突破，同时也在专利战略和技术标准平台建设方面为自主知识产权新能源汽车 的产业化奠定了良好的基础。继“十五”电动汽车重大科技专项之后，科技部接 着启动了“十一五 节能与新能源汽车重大科技项目。预计“十一五 末期国内 的混合动力汽车将产业化，到“十二五 出现产业化的高潮1 6 1 。 1 1 纯电动汽车发展现状综述 目前，电动汽车按所使用的能源主要划分为三大类：以燃油发动机和动力蓄 电池混合动力驱动的混合动力汽车( h e v ) ，以燃料电池为动力的电动汽车 ( f c e v ) ，以及仅以依靠动力蓄电池供电的电动汽车( p e v ) ，即纯电动汽车。近 几年，在传统混合动力汽车的基础之上，又衍生出了一种外接充电式( p l u g i n ) 混合动力汽车，简称p h e v l 7 1 。 它们的共同特点都是用电机作为主要或者辅助的驱动动力源。其关键技术包 括动力蓄电池和燃料电池，驱动电机和电子控制技术。这些核心技术解决了，就 可以在现有的车型基础之上自主研发出以上三类电动汽车l 引。三种电动车的特点如 下表所示： 表1 1 三种电动汽车的特点 2 湖北工业大学硕士学位论文 纯电动汽车在电动汽车中发展时间最长，历史最为悠久。从1 9 世纪9 0 年代 美国人制造出世界上第一辆纯电动汽车以来，2 0 世纪初第一次达到生产销售高峰， 占领了近4 0 的汽车市场。后来因为电子启动器的发明和纯电动汽车动力性能差 的原因，早在3 0 年代中期就结束了早期的纯电动汽车生产，而进入了燃油汽车的 黄金时期。1 9 7 4 1 9 7 5 年和1 9 7 9 。1 9 8 2 年欧美两次石油危机推动纯电动汽车的研制 重新进入了高峰期。但在这一时期，汽车电子学尚未发展完善，既没有完整的科 学理论做指导，也缺乏高科技含量的汽车电子装置供采用。尤其是当时只有铅酸 蓄电池提供动力。众所周知，铅酸蓄电池体积大、质量重、能量密度小、功率密 度低、充电时间长，每次充足电后续驶里程都较短，加上电力传动系统的制造成 本过高等因素的困扰，1 9 9 7 年后多数公司对纯电动汽车的研发几乎处于停滞状态 【9 】 0 第二代纯电动汽车的出现，是以汽车电力电子学的蓬勃发展为基础的，其技 术亮点包括了高能量密度的锂离子蓄电池、锂离子电容器等发明。虽然，目前纯 电动汽车离地产业化还有一定的差距，但是与过去的第一代纯电动汽车相比，第 二代纯电动汽车已在续驶里程、充电时间、动力性能、快速充放电能力等方面取 得了很大的突破。与传统内燃机汽车及混合动力汽车、氢燃料汽车相比，第二代 纯电动汽车也显示出了它特有的优势，即其控制精确度要高于混合动力车，风阻 系数可以降至0 1 9 ，整车质量远远低于燃料电池车，c 0 2 排放量大大低于同级别的 3 湖北工业大学硕士学位论文 汽油车，能耗费用低于汽油车1 1 0 j 。 纯电动汽车以车载电源( 即动力蓄电池) 作为储能方式，用电动机作为动力 来驱动前后车轮行驶。不仅具有节能环保性，还具有动能来源广泛的优点，可以 利用风力、水力、核能等发电或利用电力系统低谷期给蓄电池充电，从而较好地 提高电网的利用效能。 基于上述一系列的优点，纯电动汽车被公认为以后最有发展前景的交通工具。 从总体上来看，混合动力汽车、燃料电池汽车都需要解决或者回避目前纯电动汽 车所面临的技术瓶颈即动力电池问题。纯电动汽车所涉及的关键技术问题也是混 合动力汽车和燃料电池汽车中所必须面对的共性问题。国际上成功的经验表明， 混合动力汽车和燃料电池汽车技术最先进的丰田以及通用等汽车公司，也都是纯 电动汽车技术最先进的公司。只有纯电动汽车关键技术得到突破，混合动力汽车 和燃料电池汽车才会有真正的发展基础i l 。 目前，纯电动汽车的发展总体上呈现出多元化的格局，日本、美国和欧洲( 特 别是德国和法国) 依然在纯电动车领域扮演着领跑者的角色，印度和中国则以其 庞大的市场和政府投入已逐渐成为这个新兴行业的全球竞争者。 1 1 1 纯电动汽车在日本的发展现状 自7 0 年代爆发石油危机以来，日本的众多汽车企业开始陆续研发纯电动汽车， 但是由于电池等其它各种因素的限制，电动汽车始终无法得到普及。能够坚持下 来一直进行研发以及销售的只有大发和铃木两家企业。9 0 年代初以后，因为环境 等问题的同益凸显以及高性能电池的出现，日本各大汽车公司又开始了对纯电动 汽车的研发，第二代纯电动车开始登场。丰田、本田、日产等汽车公司陆续发布 与销售运行了一些新款的纯电动车型，然而由于技术以及价格等多方面的原因， 在新能源汽车的技术研发战略中，更多的日本汽车公司选择了混合动力汽车作为 企业的重点发展方向，纯电动汽车蓄电池技术研发的重任落在了三菱重工、富士 重工等动力装备型的企, _ l k t l 2 】。 纯电动汽车的研发开始向小型化方向发展，单人和双人车型开始逐渐成为主 力车型，整车技术、零部件技术以及充电设施技术都已经相对成熟。从9 0 年代中 期开始，应对美国加州颁布的义务导入零排放车辆法规( z e v ) ，美、日两国的汽 车厂商纯电动汽车的研发竞争达到了白热化。同时，随着镍氢电池以及锂电池等 高性能电池的飞速发展，在行驶性能方面不亚于汽油车的纯电动汽车开始陆续上 市，比如丰田的r a v 4 e v 和e t o m ，本田的e v - p l u s ，日产的r n e s s ae v ( a i t r a 4 湖北工业大学硕士学位论文 e v ) 和h y p e r m i n i ，铃木的e v e r y - e v ，大发工业的h i j e t - e v 等。 2 0 0 2 年，日本纯电动汽车的保有量已达到2 6 9 6 台。日前，日本电动车辆协会、 汽车协会以及汽车电子协会等部门已经初步建立了一些纯电动汽车共同利用系 统，进行实用化试运行和试运营。由于同本政府自9 0 年代术就开始对购买纯电动 汽车e v 、混合动力汽车h e v 与汽油车差价5 0 以内的补贴，按照目前的发展速 度，预计在2 0 1 0 年纯电动汽车在r 本将达到2 1 0 万辆【l 3 。 1 1 2 纯电动汽车在美国的发展现状 1 9 9 1 年，美国通用、福特以及克莱斯勒三大汽车巨头签订了合作协议，共同 成立了“先进电池联合体( u s a b c ) 。研发新一代电动汽车所需要的高性能电池， 并且与美国能源部签订了协议，在1 9 9 1 至1 9 9 5 年问投资2 2 6 亿美元来资助高性 能电池的研究。 9 0 年代中期，美国政府制订了大力发展电动汽车的“新一代汽车伙伴计划 ( p n g v ) ”，重点研究由蓄电池驱动的纯电动汽车。但是，由于当时蓄电池技术未 能取得关键性地技术突破，纯电动汽车一次充电续驶里程短、充电时间长、降低 电池造价难、难以处理废旧电池二次污染、回收困难、电池价格昂贵等一系列问 题，使得当时美国电动汽车产业商业化进展非常缓慢1 1 4 j 。 美国加州经过1 3 年环保汽车的探索和实践，最终决定不再鼓励发展纯电动汽 车，转向燃料电池汽车。在纯电动汽车的第一个发展阶段，到1 9 9 8 年底，全世界 共有9 个大型汽车公司1 0 种纯电动汽车车型投入小规模生产【1 2 l 。其中，美国的通 用汽车公司开发的蓄电池电动汽车e v l 最高时速可达1 2 8 k m h ，从静止加速到 9 6 k m h 只需要9 秒，一次充电可行驶1 4 4 k m 。其后，通用i m p a c t 电动车一次充 电续驶里程达到1 9 0 k m 。还有福特汽车公司和通用电气公司联合开发e x e i 、 e x e i i 电动汽车。 日前，美国福特汽车公司旗下的s h e l b y 超级汽车公司推出一款世界上速度最 快的电动车极度空优( u l t i m a t e a e r oe v ) ，其速度可达到3 3 5 k m h 。 1 1 3 纯电动汽车在欧洲的发展现状 与日本和美国相比，欧洲则更崇尚追求零污染的纯电动汽车。1 9 9 0 年，欧洲 成立“城市电动车”协会。至今在欧共体组织内已有6 0 多个座城市参与，帮助各 个城市进行电动汽车可行性的调研，并指导城市的电动汽车运营。其中，比较成 功的是电动标致1 0 6 车型，这款以镍镉电池为动力的电动汽车已在欧洲各国，尤 5 湖北工业大学硕士学位论文 其是在政府部门中拥有大量的用户。这与法国政府给予纯电动汽车以高度地重视 和支持是分不开的，特别是出台了很多鼓励纯电动汽车研发以及产业化的优惠政 策【1 5 1 。 目前，世界上电动汽车推广和普及最好的国家是法国，法国已有数万辆各式 各样的电动汽车长期投入使用。但是，法国的电动汽车研发水平并不是很高，其 中动力驱动系统大多数仍采用直流系统，效率较低，虽然可靠性较高。目前，在 法国巴黎市的电动汽车保有量最大，其中包括电动公交车、电动货车、电动邮车、 电动清洁车、电动轿车、电动摩托车和电动游览车等。因此，巴黎的街头随处可 见带充电站的电动汽车专用停车场和停车位，并且目前充电和停车都是免费的1 1 6 j 。 法国标致一雪铁龙与雷诺两大汽车公司一直致力于电动汽车的研发。1 9 9 0 年 j 一5 和c 一2 5 电动货车开始投人生产，标致1 0 6 以镍镉电池为动力的电动汽车生 产线以及敞篷跑车生产线是当时世界上第一条电动轿车生产线，由h e u l i e z 公司购 买法国标致公司的许可证生产电动轿车，生产线年产能力5 0 0 0 辆。到目前为止， 该生产线已生产1 万多辆纯电动汽车1 1 7 j 。 目前，还有一些科研机构继续在做纯电动汽车的研究和开发，比如一些法国 重要的国营大企业，法国电力公司与达索集团就已经签约了纯电动汽车共同合作 开发的项目。 欧洲国家中，比利时最先跟随法国进行纯电动汽车的理论研究以及产品的开 发，但目前还只是主要集中于高等院校，像布鲁塞尔大学和列日大学( l i e g e ) 。而 且，目前比利时还没有自己本国的汽车工业，也没有很多大企业投资，只是靠着 有限的政府资助维持。此外，意大利则着重两轮小型纯电动汽车的研发和运营i l 踟。 德国在技术研发上相对投入较大，技术水平也比较高。早在1 9 7 1 年德国便成 立了城市电动车交通公司( g e s ) ，开始了电动车的研究与开发。随后在1 9 9 1 年， 在拜尔9 、h 投入了3 0 0 辆电动汽车进行试运行，拜尔州政府还拨4 0 0 万马克对该车 进行补贴，凡是购买电动汽车的消费者可以得到车价3 0 的资助。此外，德国的 汉堡也采取了资助用户车价的2 5 的优惠政策，用来大力鼓励用户购买电动汽车。 7 0 年代末，德国戴姆勒一奔驰汽车公司采用铅酸电池生产了一批l e 3 0 6 电动 汽车。8 0 年代初，德国奔驰汽车公司开始生产电动大客车以及商用电动汽车，并 宣布投资4 7 亿美元研发燃料电池，计划在2 0 0 5 年实现产业化。欧宝公司在1 9 7 2 年也开始研发新型纯电动汽车，1 9 8 1 年便与b b c 公司( 现a b b 公司) 合作研制 了电动轿车【1 9 j 。 1 9 9 2 年，德国政府拨款2 2 0 0 万马克，在吕根岛( r u g e n ) 建立了欧洲电动汽 车试验基地。组织了四大公司研发的6 4 辆各类电动汽车在吕根半岛城试运行并进 6 湖北工业大学硕士学位论文 行实地试验，对电动汽车的各个系统进行了长达4 年的大规模试验，有很多国家 和城市组织了自主研发的电动汽车参加了吕根岛的试验。1 9 9 4 年最后展示出试验 成功的1 9 种电动轿车，1 3 种电动面包车和4 种电动大客车，之后都进入了实用阶 段【2 0 1 。 2 0 0 8 年1 1 月1 9 日，在好莱坞的所在地洛杉矶，德国宝马集团在车展上举行 了m i n ie 的全球首发式和媒体试驾活动。m i n ie 号称是全球第一款供日常使用 的零排放纯电动高档车，它似乎是在告诉人们，纯电动汽车不仅没有被“消灭 ， 档次还在提升。 1 1 4 纯电动汽车在印度的发展现状 随着汽车产业全球化的不断深入，印度纯电动汽车产业的发展在全球贸易中 依靠着强大的国内市场、低廉的劳动力成本、便利快捷的海运以及跨国公司的投 资带动，逐渐找到了自己的位置和发展方向小型纯电动汽车出口业务。 r e v a 公司正是在这样的经济大环境下近几年发展成为了印度小型纯电动汽 车市场的龙头企业，该公司从2 0 0 1 年便开始销售小型双座纯电动汽车，产品已在 欧美市场占有一定的市场份额【2 l 】。 2 0 0 8 年8 月，印度r e v a 电动车公司于智利首都圣地亚哥发布了一新款双座 电动车r e v a n x g 。r e v a n x g 配备最大输出功率为3 7 k w 的交流感应马达，最 高时速为1 2 0 k m h 。蓄电池采用钠镍氯( n a t r i u mn i c k e lc h l o r i d e ) 电池，使用家用 电源6 小时即可充满电。 1 1 5 纯电动汽车在中国的发展现状 2 0 世纪6 0 年代，我国开始对纯电动汽车进行研究，到了9 0 年代掀起了一股 电动汽车研究热，部分高校、研究所以及生产企业联合开发动力蓄电池以及纯电 动汽车，并取得了一些研究成果。 2 0 0 1 年，我国“十五 国家8 6 3 计划确立了以电动汽车重大专项项目，明确 了我国电动汽车发展的基本战略和基本原则。即以燃料电池汽车发展居首，其次 为混合动力电动汽车，兼顾纯电动汽车，提出了“三横三纵”的格局，并确定了 纯电动轿车由上汽奇瑞、天津汽车来牵头研发。 2 0 0 6 年，按照计划规定的进程，纯电动汽车功能样车已经实现，纯电动轿车 和纯电动客车在国家质检中心的认证试验中的各项指标也均满足有关国家标准和 规定。其中，高功率镍氢电池、锂离子电池等关键零部件的性能有了较大的提蒯2 2 1 。 7 湖北工业大学硕士学位论文 虽然在传统汽车的技术研发上，我国与先进国家的水平相比有着2 0 年以上的 差距，但是在纯电动汽车的技术研发上的差距并不大，与技术领先的国家相比几 乎是站在了同一起跑线上，而且一些关键零部件的技术平台基本相同，研发水平 最大差距也不超过5 年。甚至在某些领域，比如锌空气电池和锂电池的研究方面， 已达到了世界领先水平i z 引。 在整车开发方面，天津清源电动车辆有限公司研发的h a p p ym e s s e n g e r 电动汽 车已经走出国门，小批量向美国出口。此外，清源公司和中科院电动所还共同研 制了全国第一辆纯电动中型客车，该电动客车以电池为动力源，可载客1 7 人，最 高时速可达8 0k m h 。除了研发h a p p ym e s s e n g e r 电动汽车以外，清源公司还开发 了多种型号的纯电动轿车，最高时速达到1 4 0 k m h ，续驶里程超过2 5 0 k m ，最大爬 坡度达到2 0 ，0 5 0 k m h 的加速时间仅需要o 6 8 秒，其它各项技术指标均达到了 国际先进水平，被业内专家认为是目前国内水平最高，也是最接近产业化要求的 纯电动汽车车型。 除此之外，安徽兆成电动车辆技术有限公司研发了q r v e 低配置的纯电动轿 车，在2 0 0 3 年通过国家电动汽车试验示范区管理中心试验检测，其行驶距离、时 速、爬坡能力、百公里电耗等主要技术指标均达到了较高水平。东风电动车辆股 份公司也开发了e q 7 1 6 0 e v 纯电动轿车、纯电动富康轿车和纯电动客车等电动汽 车。其中，e q 7 1 6 0 e v 纯电动轿车采用的是高性能的镍氢电池，在成熟的轿车车型 基础上改装而成。而纯电动富康轿车c e q 7 1 4 0 e v 则利用c e v - 9 5 技术，已可实现 按用户需求进行定制陋j 。 2 0 0 8 年4 月，第十届北京国际汽车展上，以生产纯电动汽车而闻名的自主企 业比亚迪推出新款纯电动四驱车型e 6 。这款e 6 是比亚迪精心打造的一款纯电 动车型。其动力电池和启动电池均采用比亚迪自主研发生产的铁电池，该电池慢 充采用2 2 0 v 民用电源，快充则采用3 c 充电，1 5 分钟左右即可充满电池8 0 ，一 次充电续驶里程超过3 0 0 k m ，百公里加速时间在1 0 秒以内，最高车速可达1 6 0 k m h 以上。 2 0 0 8 年1 0 月，继比亚迪之后，国内又一家自主品牌众泰宣布也将推出自己的 电动轿车。与比亚迪一样，众泰同样将在自己成熟的2 0 0 8 车型的基础上推出纯电 动车型。众泰2 0 0 8 电动车采用纯动力蓄电池驱动，配备的是万向电动汽车公司的 聚合物磷酸铁锂电池，另外电池组管理系统以及其牵引电机也都由万向公司提供。 众泰2 0 0 8 电动车的牵引电机最大输出功率为l l k w ，最高车速达到1 0 0 k m h ，最 大扭矩可达1 5 0 n m 。 2 0 0 8 年1 1 月，在广州国际汽车车展上，自主品牌厂商代表之一的吉利汽车， 8 湖北工业大学硕士学位论文 带来了1 0 款车型，其中熊猫_ - - f - j 纯电动汽车l c e 正式与观众见面。在动力上， 熊猫l c e 采用4 0 a h 锂离子电池，系统电压为3 4 0 v ，最高车速为6 5 k m h ，续驶 里程为8 0 k m ，完全充电时间为5 小时，快速充电则仅需1 个小时。 1 2 混合励磁无刷电机的研发现状 近年来，随着稀土永磁材料性价比的不断提高，永磁无刷直流电机( b l d c ) 和永磁同步电机( p m s m ) 等稀土永磁电机以其功率密度高、体积小、效率高、力 能指标高等优点在伺服以及工业驱动领域得到越来越广泛地应用。但是，由于永 磁材料的高矫顽力等固有特性，永磁电机内部的气隙磁场基本保持恒定，其调速 范围受到限制，从而使其在需要宽调速范围直接驱动场合特别是在电动汽车驱动 领域的应用受到了一定的制约。 如何有效地调节以及控制气隙磁场一直是永磁电机研究的一个热点和难点。 通过合理改变永磁电机的内部结构，借助引入辅助电励磁绕组，从而实现灵活调 节气隙磁场的“混合励磁 思想的提出，引起了国内外学者的广泛兴趣与关注。 “混合励磁 的思想最先是由俄罗斯学者在1 9 8 8 年提出的，在经过近十多年 的深入研究和分析总结，广大学者给出了“混合励磁”以及“混合励磁电机 广 泛认同的基本定义。混合励磁，又称组合励磁或者复合励磁，是由两种励磁源即 永磁磁源和电励磁磁源相互作用，从而共同实现电磁能量的转换。它是对单一励 磁源( 永磁励磁或电励磁) 概念的有效拓宽与延伸。而混合励磁电机，则是在保 持电机有较高效率的前提下改变电机的拓扑结构，由两种励磁磁源共同作用产生 电机的有效气隙磁场，从而实现对电机气隙磁场的有效调节和控制，提高电机调 速能力和驱动性能的一类新型电机。 混合励磁电机不仅继承了稀土永磁电机的很多优点，而且还具有电励磁同步 电机气隙磁场平滑可调的特点。与稀土永磁电机相比，混合励磁电机具有气隙磁 场可调的能力；与电励磁同步电机相比，它又具有较小的电枢反应电抗的特点。 作发电机使用，可以获得较宽的电压调整范围，可作独立的发电系统应用于飞机、 船舶和车辆中；作电动机使用，适用于节能驱动场合，其宽调速特性可以在电动 汽车驱动、武器设备、伺服驱动等高性能要求的场合应用。 永磁电机的气隙磁密主要取决于永磁体，其大小不易改变。一般采用矢量控 制的策略来解决传统永磁同步电机宽范围调速的问题，通过控制直轴电流分量产 生的直轴去磁磁动势来削弱永磁磁场，从而平衡高速运行时电机的端电压，实现 弱磁调速控制。而一方面，由于直轴上存在磁阻很大的永磁体，直轴电感较小， 9 湖北工业大学硕士学位论文 从而使得弱磁能力受到限制，其调速范围有限；另一方面，由于直轴电流分量的 存在，从而使得电枢绕组电流变大，如果弱磁时出现电流逆变失败，则该系统将 失去弱磁控制的能力，高速旋转的永磁磁场将会在电机定子绕组中感应出过高的 反电势，将有可能损坏逆变器等功率器件。 混合励磁电机的气隙磁密由永磁体和电励磁绕组共同作用产生，通过控制导 入辅助电励磁绕组的励磁电流的大小和方向来实现对气隙磁场有效部分的调节， 从而进行弱磁调速。当电励磁磁场方向与永磁磁场方向相同时，气隙磁场得到增 强即起到增磁作用；当电励磁磁场与永磁磁场方向相反时，气隙磁场减弱即起到 弱磁作用。总之，调节电励磁绕组电流的大小和方向，一方面可以实现弱磁控制， 使电机具有较宽的恒功率调速范围。另一方面还可以实现增磁控制，以满足驱动 重载起动时低速大转矩的要求。 基于以上介绍的混合励磁电机的工作原理，国内外学者进行了大量的研究工 作并试制了一些试验样机和初步的产品。混合励磁电机的拓扑结构多种多样，根 据目前已有的研究成果，按照电机中永磁体产生的永磁磁动势和电励磁产生的磁 动势的相互作用关系来划分，可分为串励式、并励式和混励式混合励磁电机三种 结构。下面予以分别介绍。 ( 1 ) 串励式混合励磁电机，其典型结构如图1 1 所示。电机的结构比较简单， 电励磁绕组安放在永磁体的下面，不会增大电机的体积。但是，该结构转子励磁 电流的引入必须采用电刷，则该电机需要经常维护，其可靠性降低。另外，电励 磁绕组产生的磁场在磁路上经过永磁体，其磁路磁阻过大，从而需要较大的励磁 电流，使得电机的铜耗增加。不仅如此，电励磁绕组产生的磁动势直接作用于永 磁体，容易使永磁体发生不可逆退磁。目前这种结构已很少采用。 磁绕组 图1 1串励式混合励磁转子示意图 ( 2 ) 并励式混合励磁电机，其典型结构如图1 2 所示。该结构的混合励磁电机 可认为是传统永磁发电机与同步电励磁发电机的复合。分段转子上励磁绕组和永 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 磁体各自激励自己的有效磁通，电励磁绕组产生的磁动势不作用到永磁体上，所 以永磁体一般不会发生不可逆退磁的现象。但是，由于励磁电流由电刷引入，使 得该结构的混合励磁电机可靠性也不高，也不适合在恶劣的工况下运行，而且维 护费用增加。 厂 励绕组“一”磁体 l) k n 卜 厂、 n i- 又 r 。p l)s 厂、 xx l 厂、un 弋 夕 li o vv 电励磁部分 永磁体励磁部 图1 2 并励式混合励磁转子示意图 ( 3 ) 混励式混合励磁电机，其典型结构如图1 3 所示，该结构的永磁体的磁路 和电励磁产生的磁场磁路相对独立，磁场在气隙中进行矢量叠加。这种结构的混 合励磁电机，一般为无刷，电机的可靠性得到大大提高。并且，电励磁磁动势没 有直接或小部分作用到永磁体上，一般不会发生永磁体的不可逆退磁现象。而且， 在设计上，可以任意调节永磁体磁场和电励磁磁磁场所占总的有效气隙磁场的比 例。但是，电机的结构和制造工艺相对复杂，制造成本增加。 定子 相绕 定子轭部电励磁绕组 图1 3 混励式混合励磁转子示意图 湖北工业大学硕士学位论文 综上，混合励磁无刷直流电机的调速性能好，可以达到接近直流电机的调速 性能，但没有直流电机的碳刷以及集电环易损坏，需要维护的缺点，电机的效率 高，体积小，重量轻，出力大，不仅保留了永磁电机高效率的优点，而且可以方 便的进行调磁，有效地扩大了电机的调速范围。在电动汽车驱动领域有广阔的应 用前景【2 6 】。 1 3c p p m 无刷电机研究进展 永磁无刷直流电动机混合励磁调速一直是人们的一个研究热点。美国威斯康 星大学t a l i p o 提出的感应极永磁电机( c o n s e q u e n tp o l ep e r m a n e n tm a c h i n e ，以 下简称c p p m 无刷电机) ，受到电机界学者的广泛关注。电动汽车驱动电机必须有 较宽的调速范围。这种c p p m 无刷电机结构新颖，特别是铁极( i r o np o l e ，或称感 应极) 的引入，通过改变辅助电励磁绕组的直流电流的大小和方向，就能改变气 隙磁场的走向和强弱，实现对其的增磁或弱磁，达到宽范围调速的目的。 t a l i p o 等人在c p p m 无刷电机研究方面做了开拓性工作。文献【2 7 】提出了 c p p m 无刷电机的结构以及气隙磁通控制策略，并利用凸极同步电机的分析方法对 其功角特性进行了分析。文献【2 8 】用“路”的方法推导了c p p m 无刷电机的一系列 基本关系，包括一些设计公式，并给出了c p p m 无刷电机的设计程序。文献1 2 9 】 对c p p m 无刷电机的主要尺寸公式进行了推导，并在优化设计的基础上进行了试 验研究。文献f 3 0 1 给出了根据c p p m 无刷电机所选材料的数据计算铜耗和铁耗，特 别是定子轭上铁耗的计算，因为这部分铁耗由于转子速度的变化引起磁通的变化。 并通过与三维有限元分析结果的比较，确定了这种方法的准确性。 接着，在参考文献 3 1 3 4 】中m o r i m o t o 等人分析了如何选取c p p m 无刷机的关 键参数以获得最大的输出功率，在恒转矩区，确定电流矢量以获得最大的转矩电 流比。另外，m o r i m o t o 等人还对多种结构的电机展开了这样的研究和对比，其中 包括面贴式和内嵌式永磁电机，轴向磁场永磁电机和永磁同步电机，并对每种结 构电机参数的选取以获得最大的调速范围做了总结和研究。此外，b i a n c h i 在文献 【3 5 1 对c p p m 无刷机的设计参数也做了深入的研究，其研究结果表明，c p p m 无 刷机的性能与控制器的电路参数的选取也有很大的关系。 目前在国内，广东工业大学李优新教授对c p p m 无刷电机也进行了研究，提 出了该电机的调磁、调速与调压之间的动态优化控制策略。上海大学的杨儒珊和 康惠骏对这种电机的原理和结构进行了研究，分析了其运行方式并运用m a t l a b 工 具进行了控制系统的仿真。沈阳工业大学的唐任远教授则将这种c p p m 结构的电 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 机应用于发电机，并对其结构做了改进，提出了计算该电机电感参数的方法，并 对其设计方法做了探讨【3 6 1 。 另外，上海大学黄苏融教授与美国学者合作，在与美国t i m k e n 公司合作研 发盘式车轮电机的基础上，借鉴了c p p m 无刷电机的结构，提出了盘式内转子磁 极分割型c p p m 无刷电机【3 7 】。 总体而言，由于我国在c p p m 无刷电机方面的研究起步较晚，同时，受到国 内材料、加工制造技术比较落后等不利因素的影响，我国在c p p m 无刷电机方面 的研究力度不够，水平不高，还只是处于理论研究阶段，尚无成熟产品。 1 4 课题背景、研究内容和论文安排 本课题来自与企业合作的横向项目，目标是开发出一种适合小型纯电动汽车 的驱动电机及其控制器。 目前，c p p m 电机的研制水平不高，主要原因是在电机设计和优化方面缺乏完 善。本文以开发高性能的c p p m 电机系统、提高c p p m 电机设计和仿真优化水平 为核心，在电机本体设计以及控制器方面展开深入、细致的工作。 论文研究的主要内容为： ( 1 ) 通过对各种结构的混合励磁无刷电机的分析和比较，选定c p p m 无刷电 机作为小型纯电动汽车的驱动电机。 ( 2 ) c p p m 电机主要尺寸、参数的优化和设计方法的研究。c p p m 电机是一种 新型结构的电机，目前还没有成熟的设计方法。本文在结合c p p m 电机的特殊结 构和工作原理之上，对励磁槽宽、铁极厚度、磁钢厚度等重要参数进行了优化设 计工作，这部分工作使用权威的电磁场软件m a x w e l l3 d 来完成。 ( 3 ) 针对本课题转子位置检测的难题，通过广泛的调研后，研究采用小转子 加霍尔检测电路的方法较来解决此难题。在以上工作的基础上，设计并试制了一 台额定功率为l k w ，额定转速为2 3 0 0 r m i n 的试验试验样机。 ( 4 ) 对c p p m 无刷电机试验样机的控制器进行了研究，控制器设计部分包括 了系统构成的硬件、软件以及控制策略的设计。 ( 5 ) 对c p p m 无刷电机试验样机进行一系列比较全面的试验研究，通过试验 样机的试验结果，分析和对比三维有限元软件仿真的数据，优化电机参数，提高 电机性能。 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章c p p m 电机三维磁场有限元分析和优化设计 鉴于c p p m 无刷电