电机结课论文

1、北京理工大学珠海学院2013级电动汽车驱动技术结课论文 机械与车辆学院电动汽车驱动技术结课论文（2015-2016学年第一学期）论文题目：电动汽车驱动电机系统的研究 姓名： 学号： 班级：车辆工程。课程老师：成绩：基于宝马i3电动汽车电机驱动系统研究摘 要电机作为混合动力系统中一个重要的动力输出源，其自身的性能直接影响到了电动汽车的整体性能。车用电机及其控制系统的集成化主要体现在电机与发动机、电机与变速箱、电机与底盘系统的集成度不断提高。对于混合发动机与ISG集成，其发展从结构集成到控制集成和系统集成，电机与变速箱的一体化愈加明显，汽车动力的电气化成分越来越高，不同耦合深度的机电耦合动力总成系

2、统使得电机与变速箱两者之间的联系变得越来越紧密。在高性能电动汽车领域，全新设计开发的底盘系统、制动系统、轮系将电机和动力传动装置进行一体化集成，融合程度越来越深。虽然目前市场上分布了轻混、中混、强混等各种混合程度的混合动力车型，但从各种混合度车型的节能减排效果来看，混合程度越高，汽车的节能能力越强。电功率占整车功率的比例正在混合动力汽车领域逐渐提高，电机已不再单单作为发动机的附属设备。各车厂正在逐渐将小排量发动机和大功率电机运用在汽车驱动上。宝马公司的宝马i3配备了具有自主知识产权的eDrive混合式同步电动机，该电动机具有永磁电动机和磁阻电动机的优点。关键词：永磁同步电机；永磁体；驱动控制系

3、统。9目 录1.前言11.1本设计的目的、意义及应达到的技术要求：11.2系统或是技术在国内外的发展概况及存在的问题：11.3本论文的主要内容：22. WBM i3的电动机系统组成：32.1 WBM i3的电动机：32.2永磁同步电动机的结构：32.2.1永磁同步电动机的工作原理：42.2.2永磁同步电机驱动控制系统：63.结论：8参考文献91.前言：电动汽车已经成为当前汽车产业发展的一大趋势，包括了纯电动汽车、混合动力 电动汽车、燃料电动汽车等类型。电动汽车的技术核心是同时关注动力性、安全性和经济性等内容，其关键技术包括了电驱动技术、能源技术、能量管理技术及汽车制造等多个技术。电驱动技术的不

4、断发展和创新，为不同类型的电动汽车的推广应用奠定了坚实的技术基础。40多年来，BMW始终致力于可持续交通的发展并稳步取得了多项关键性成功，BMW不断将梦想更广泛地付诸实践，从各种类型的原型车和测试车辆中积累了宝贵的经验。采用eDrive技术的BMW i3专为城市交通设计的，是不折不扣的环保汽车。它纯粹由电力驱动，完全满足绿色低碳零排放的交通要求，是城市交通智能化的体现。凭借革新的eDrive技术，此款车不仅实现了零排放和无与伦比的驾驶体验，而且驾驶人可全程尽享宁静安逸，续航能力也达到了单次充电可连续行驶160公里。1.1本设计的目的、意义及应达到的技术要求：目前发展低碳经济已经延伸到了国民经济

5、的各个领域内，首当其冲要在汽车产 业实现突破。新能源汽车是目前整个世界汽车工业的竞争焦点，世界各大汽车厂商都将未来汽车发展重点放在新能源汽车上，而纯电动汽车因为其整体的优越性越来越受到各国汽车厂商的重视，纯电动汽车关键技术也成为了主要竞争点。电动汽车在技术方案上可以采用的方案有直流有刷电机、永磁无刷电机、交流感应电机和开关磁阻等四种电机作为动力源。目前直流有刷电机已经被淘汰，永磁电动机具有紧凑结构和高扭矩密度输出的特点，并且能以较低电流来启动。虽然如此，永磁体材料的成本是一个有待解决的问题，因为电动机旋转产生的热量有可能对永磁体产生损害。开关磁阻电动机结构简单，动力充沛，看起来是一个成本最低的

6、技术解决方案。但开关磁阻电动机有不少缺点，如转矩波动高，噪音大、功率因数低和效率低。宝马i3的永磁同步电动机能在多个磁体方向中（即不同的磁极方向中）产生一系列不同的电磁感应和与磁极方向相反的交叉电感；只要驱动电动机以合适的方式驱动，电动机就能产生磁阻转矩。这种磁阻转矩能对电动机永磁磁通产生的转矩相互补充。1.2系统或是技术在国内外的发展概况及存在的问题：从全球范围看，有刷直流电机、感应电机与有刷磁铁电机商品化历史最长，产品更新换代不断，迄今还在应用。20世纪80年代开始进入商品化的表面永磁同步电机与90年代以来研制开发的开关磁阻电机、内置式永磁同步电机以及最新的同步磁阻电机相继进入市场，并在电

7、动汽车与混合动力汽车上获得应用。日本相关企业和研究机构主要开发混合动力汽车，近几年来在批量生产的日本电动汽车车型上以采用永磁同步电机驱动系统为主流。近年来欧美等国家开发的电动汽车多采用交流感应电机作为驱动系统，其主要优点是价格较低，性能可靠；其缺点是启动转矩小，运行效率较低1目前我国电动汽车驱动电机生产企业有30多家，但多数企业规模小，实力还较弱。驱动电机是新型的电传动行业的一个分支，新型的高新技术企业是这一行业的主力军之一，它们一般依托于高校或者科研院所，具有较强的技术水平，但由于成立不久，这些企业大多实力较弱，融资渠道单一，生产能力不强。除了新成立的高新企业外，我国有相当一部分驱动电机企业

8、是由传统电机制造商转型而来。 自国家“863电动汽车重大专项”实施以来，经过十多年的发展，电动气车用电机系统研究进步较大，我国电机驱动系统基本功能和性能已经接近国际先进水平，但产品对汽车使用环境的适应性不足，产业化之路还存在较多瓶颈。国内电机驱动系统的可靠性及耐久性尚未得到充分验证，和汽车行业的严格要求还有一定差距。由于我国系能源汽车在示范运行阶段，产量不大，因此造成了在制造工艺方面也有很大差距。手工绕线圈、手工装配等传统落后工艺与国外自动生产线大批量生产相比，其生产的产品一致性差，从而导致可靠性差。国内动力总成装置的集成度不高，机电一体化不够。1.3本论文的主要内容：BWM i3汽车配置的驱

9、动电动机重50千克，最大输出功率为125千瓦，功率系数为 2.5千瓦/千克；该电动机能输出线性功率，转速范围较高，其最高转速为114000转/分。2了解WBM i3汽车配置的驱动电机的各项性能以及它的一些优缺点。2.WBM i3的电动机系统组成：宝马使用的电动机可归类为永磁同步电动机。永磁同步电机驱动控制系统由电动机，转子位置传感器和逆变器组成。它输出的交流电流经整流后供给发电机转子励磁，定子绕组接通交流电源产生电枢磁场，依靠电磁相互作用气隙中产生一个转子带动而余转子同转速的合成旋转磁场，使定子绕组感生电动势产生电磁转矩，以实现能量转换。 但宝马对该电动机进行了精心的设计，并选择合适尺寸的零部

10、件来制造，让其能产生自磁化效应；该自磁化效应原本只有磁阻电动机才能产生。自磁化效应带来的额外励磁效果能为电动机电流励磁提供有益的补充；在高速旋转时，两种励磁方式让其工作更加可靠。宝马i3使用的电动机的最高转速能达到11400转/分。2.1WBM i3的电动机：永磁同步电动机具有：效率高，更加省电，功率因数高，电机结构简单，可靠性高，体积小，功率密度大，起动力矩大，噪音小，温升低等优点。宝马的i3主要是基于永磁同步电动机的基础上加以进一步的改改善，因此它的基本性能与永磁同步电动机相同的。2.2永磁同步电动机的结构：图2.1正弦波永磁同步电动机驱动系统的基本组成框图三相永磁同步电机具有定子三相分布

11、的绕组和永磁转子。定子绕组一般制成三相绕组。三相绕组沿定子铁心对称分布，在空间互差120图2.2永磁同步电机实物结构图度电角度，通入三相交流电时，产生旋转磁场。转子采用永磁体，目前主要以钕铁硼作为永磁材料。采用永磁体简化了电机的结构，提高了可靠性，又没有转子铜耗，提高电机的效率。图2.2永磁同步电机实物结构图2.2.1永磁同步电动机的工作原理：由于电机定子三相绕组中接入三相对称交流电产生旋转磁场，用旋转磁极N、S来模拟。根据磁极异性相吸、同性相斥的原理，不论定子旋转磁极与永磁磁极起始相对位置如何定子的旋转磁极总会由于磁拉力拖着转子同步旋转，同步电机转速可表示为: （式2.1）电动机的运行状态如

12、图2.3：图2.3电动机的运行状态永磁同步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和机械运动方程组成，在两相旋转坐标系下的数学模型如下：（1）电机在两相旋转坐标系中的电压方程如下式所示: (式2.2)其中，sR为定子电阻；du、qu分别为d、q轴上的两相电压；di、qi分别为d、q轴上对应的两相电流；dL、qL分感；cw为电角速度；dy、qy分别为直轴磁链和交轴磁链。若要获得三相静止坐标系下的电压方程，则需做两相同旋转坐标系到三相静止坐标系的 变换，如下式所示。 （式2.3）（2）qd轴磁链方程： （式2.4）其中，fy为永磁体产生的磁链，为常数是机械角速度，p为同步电机的极对数，cw为电

13、角速度，o为空载饭电动势，其值为每项绕组反电动势的3倍。（3）转矩方程： （式2.5）把它代入上式可得： （式2.6）（式2.7）对于上式，前一项是定子电流和永磁体产生的转矩，称为永磁转矩；后一项是转子突极 效应引起的转矩，称为磁阻转矩，若Ld=Lq，则不存在磁阻转矩，此时，转矩方程为： （式2.8）这里，tk为转矩常数，。（4）机械运动方程： （式2.9）其中，mw是电机转速，L是负载转矩，J是总转动惯量（包括电机惯量和负载惯量），B是摩擦系数。2.2.2永磁同步电机驱动控制系统：永磁同步电动机矢量控制策略与异步电动机矢量控制策略有些不同。由于永磁同步电动机转速和电源频率严格同步，其转子转速

14、等于旋转磁场转速，转差恒等于零，没有转差功率，控制效果受转子参数影响小。因此，在永磁同步电动机上更容易实现矢量控制。（1）Id=0控制（磁场定向控制）Id=0控制是矢量控制中的一个特殊的控制方法，从电动机端口看，相当于一台他励直流电动机，定子电流中只有交轴分量，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交，即=90°，电机转矩中只有永磁转矩分量。（2）最大转矩/电流控制最大转矩/电流控制也称单位电流输出最大转矩的控制，是凸极式永磁同步电动机用的较多的一种电流控制策略。对于隐极式永磁同步电机（大多数表贴式永磁电机）来说，最大转矩/电流控制就是Id=0控制。电流矢量应满足的两条件： （式

15、2.10） (式2.1)（式2.12）其中为电机的凸极率，=Lq/ Ld。实际系统中，开关信号是由转矩和定子磁链的给定值与反馈值的偏差经滞环比较得到。而转矩和定子磁链的给定值是由电磁转矩和定子磁链估算模型计算得到的。图2.4 PMSM直接转矩控制系统结构3）弱磁控制 弱磁控制的思想来自于他励直流电动机的调磁控制（通过降低他励直流电动机的励磁电流大小，可拓宽其转速范围）。而对于永磁同步电机来说，励磁磁场是永磁体产生，无法进行调节，只有通过调节定子电流，即增加定子直轴去磁电流分量来维持高速运行时电压的平衡，达到弱磁扩速的目的。 （式2.13）在同一电流极限圆上的A点和C点，转矩也一致，但转速却是C

16、点更高。还有，如果按照最大转矩/电流控制，在转速为时只能做到Tem2大小的功率（B点），但是通过做弱磁控制，增大电机的直轴去磁电流，削弱了永磁体产生的气隙磁场，可以增大电机的输入电流使转矩提高到Tem1(C点)达到了弱磁扩速的目的。3.结论：永磁同步电动机的优点：具有高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性以及低噪声的特点,通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能,提高电动机的调速范围,因此在电动车驱动方面具有较高的应用价值,受到国内外电动汽车界的高度重视。 缺点：价格较高，磁钢价格较高；弱磁能力低，由于永磁同步电动机转子为永磁体，无法调节，必须通过加定子直轴去磁电流分量来削弱磁场，这会增大定子的电流，增加电动机的铜耗；起动困难，高速制动时电势高，给逆变器带来一定的风险。 日前，永磁同步电机的发展趋势主要有以下几面: (1)无位置传感器永磁同步电机驱动系统(2)具有磁场控制的永磁同步电机驱动系统 (3)轮式永磁同步电机驱动系统 (4)动力传动一体化电机驱动系统(电机、减速齿轮、传动轴)(5)双馈电永磁同步电机驱动系统 永磁同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且