电动汽车用永磁同步电动机及传动控制系统研究_图文

1、沈阳工业大学硕士学位论文电动汽车用永磁同步电动机及传动控制系统研究姓名：邢伟申请学位级别：硕士专业：电机电器指导教师：唐任远20040306沈阳工业大学硕士学位论文摘要我国有着丰富的稀土资源，发展以稀土永磁电机为牵引电机的电动汽车具有得天独厚的优势。本文对电动汽车用永磁同步电动机和驱动控制系统的若干问题做了研究。归纳起来，本文的主要内容包括：第一部分以提高材料利用率和电机的功率密度为目的，通过优化设计转子结构，开发出一台定子外壳水冷式电动汽车用永磁同步电动机。以电动汽车运行过程中受力分析为基础，确定了样机的定额和性能要求。在分析表面式转子结构的转子磁场基础上，提出了转子结构优化方案，提高了材料

2、利用率和电机的功率密度。通过对转子极间结构的特殊设计减小了极间漏磁，降低了空载漏磁系数，提高了转子永磁体的利用程度。第二部分开发了一个基于数字信号处理器的电动汽车用永磁同步电动机直接转矩控制系统。给出了基于的驱动系统的结构，给出了系统与电动汽车中各模块之间的通讯协议设计方案。第三部分研究了直接转矩控制策略应用于电动汽车用永磁同步电动机需要解决的关键问题。主要包括零电压矢量在中的作用、电压空间矢量的选择原则、定子磁链的控制方式、系统动态性能的保证、系统的实现等问题，给出了系统的软件设计方法。从软、硬件设计上采取了措施，提高了定予磁链估算精度，从而提高了系统的低速性能，并进行了低速下的初步实验。关

3、键词：电动汽车，永磁同步电动机，电驱动系统，直接转矩控制婆塑三些盔堂堡主兰垡！笙至一，正（）：，）。，伍，（）耶订￥，哟，：（啪（）（）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：堑垒日期：兰丝墨乞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

4、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：生巨生导师签名：乞堑！垂些日期：垫熊主篁鲨堕三些查堂堡主兰堡堕苎一绪论课题背景及选题意义自年起，我国就已成为纯石油进口国”，而且石油进口量逐年递增。可见我国对于能源进口有严重的依赖性。电动汽车是关乎未来国家安全与民族命运的重要产业。汽车工业的发展不仅仅在汽车本身，它涉及许多产业部门的发展，以及与汽车相关的第三产肛的发展。据日本专家年统计日本的汽车制造业及其相关的销售、加油站、出租、维修、保险等产业的就业人口达到多万人，占本万就业人口的。现在，一个国家的汽车产量和

5、保有量已经成为国家经济发展水平与国家实力的标志之一。当今世界汽车的保有量达到了亿辆，并且还在以每年几千万辆的速度增长着】，汽车工业己经成为世界经济和各国经济发展的支柱产业。然而汽车业的发展除带来了财富和便利之外，还带来了许多社会问题。其中，环境污染和能源危机便是困扰世界各国的两大难题。以我国为例，城市噪声的来源于汽车的交通嗓声。燃油汽车排放的尾气中含有、姨、及碳氢化合物等有害气体，这些有害气体是光化学烟雾、酸雨以及地球温室效应等环境问题的主要原因。按每辆汽车年耗油量桶石油制品计算，则全球汽车的年耗油总量将是亿桶鲫。根据有关专家的估计，地球上已探明的石油储藏量在年内可能耗尽，。众所周知，中国在传

6、统汽车制造技术方面与国际先进水平差距比较大，很难在短时间内赶超国际先进水平。然而我国在电动汽车和混合动力汽车方面的研制水平与幽际先进水平差距相对比较小，甚至在某些方面已经达到国际先进水平，正如计划电动汽车重大专项首席科学家万钢所说，在电动汽车这一新的领域，中国国外处于相近的起跑线，技术水平与产业化的差距相对较小。所以，发展电动汽车有望迅速缩短我国与发达国家在汽车工业上的差距。中国拥有占世界储量的稀土资源，永磁同步电机系统是综合指标最优的电动汽车牵引电机中国发展以永磁电机为牵引电机的电动汽车具有得天独厚的优势，可以将我国的稀土资源优势转化为经济优势。鎏堕三些查堂堡主堂笪堡苎一一本课题是在沈阳市“

7、五”科技计划重点项目资助下，以电动汽车的工程化研制为背景，开发出高性能的电动汽车用永磁同步电机及其传动控制系统，并针对电动汽车用永磁同步电机及其控制系统中的几个重要问题，如电机功率密度的提高，高可靠陛、高性能控制系统的实现等作了研究。电动汽车的发展及现状自年第一届国际电动车大会以来，由于环境压力日益增大，以及国家行为的干预，特别是近十几年来，现代电力电子、微电子、新材料、计算机技术的飞速发展为电动汽车的研究开发提供基础，众多国家的相关部门不断推出电动汽车概念车。一些符合特定市场要求的车型甚至已经实现了批量生产，并形成了一定的销售规模。电动汽车主要由三大模块组成：动力蓄电池组及其管理模块、电机及

8、其控制系统、动力总成控制系统。电机及其控制系统是电动汽车的心脏，是提高电动汽车的驱动性能、续驶里程以及可靠性的根本保证。尤其是在目前蓄电池技术未取得突破的背景下，电驱动系统是保证电动汽车续驶里程，使之实用化的关键。电动汽车中电动机的应用现状目前，电动汽车的驱动电机主要有直流电动机、开关磁阻电动机、感应电动机、无刷直流电动机及永磁同步电动机，其中后三种应用更为广泛。在感应电机系统与永磁电机系统应用于电动汽车的选择上，国外一些公司进行了有益的探索。美国公司与公司、德国西门予公司、臼本丰田公司等对相同功率的感应电机系统和永磁同步电机系统进行了实验比较，得到的结论是：永磁同步电机系统具有更高的效率（尤

9、其是低速下）和功率密度：最大功率为的两种电机，分别采用滑差控制和相位超前控制时，永磁同步电机系统在重量减少的情况下，最大功率时的效率比感应电机系统仍然高。但是，永磁同步电机成本相对要高。不过，日本富士公司提出适于大规模生产的装配后充磁技术，永磁电机的价格有望不久可以降至与感应电机竞争的水平上来。由于具有价格优势，感应电动机（以）目前仍大量应用于电动汽车中，尤其是在美国和欧洲国家。该种电动机结构简单、可靠性高、控制技术比较成熟。但与永磁同步电动机相比，感应电动机效率低，控制复杂。沈阳工业大学硕士学位论文无刷直流电动机（）具有转矩、功率密度大、位置检测和控制方法简单，、效率高的优点。其不足之处在于

10、存在一定程度的转矩脉动、振动噪声，控制精度稍低，但对应用于有减速系统和车速要求不高的电动汽车驱动不成问题。因此，系统在电动汽车驱动领域得到了广泛重视和普遍应用。永磁同步电动机（）具有高效、高控制精度、高转矩密度、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，在电动汽车特别是高档电动汽车驱动方面具有很高的应用价值，已经受到国内外电动汽车界的高度重视，并已在日本得至普遍应用巧，是最具竞争力的电动汽车驱动电机。国内对电动汽车用的研究较晚，尚无的系列生产厂家。目前，中科院电工所、哈尔滨工业大学、沈阳工业大学等单位正在进行相关研究。电动汽车用永磁同步电动机的发展现状在目前蓄电池技术没有得到

11、突破的情况下，电动汽车用永磁同步电动机的效率及功率密度是一个很重要的指标。为了满足电动汽车高速运行，弱磁性能是电动汽车用永磁同步电动机研究的另一个重要方面。电动汽车用永磁同步电动机属于调速电机，供电电源是变频器。变频器非正弦供电下，一个突出的问题是电机的杂散损耗升高，电机效率下降。文献】对非正弦供电下，电源的谐波分量以及谐波对电机性能的影响做了系统的研究。但该文献针对感应电机，许多结论尚需结合永磁同步电动机实际作进一步讨论。文献】对异步起动永磁同步电动机内的谐波磁场，特别是由定、转子开槽引起的气隙磁导不均匀引起的气隙谐波磁场问题做了研究，并给出了减少负载杂散损耗的方法。但异步起动永磁同步电动机

12、是电网供电，电流谐波极少，与电动汽车用永磁同步电动机不尽相同。为充分利用电机的磁阻转矩、提高功率密度，电动汽车用多采用交、直轴磁路不对称转子结构。日本（丰田）公司的“”混合动力车中的两台永磁同步电机转子采用内置径向式结构旧。日本（本田）公司电动汽车中的永磁同步电动机“”转子采用了表面插入式结构口。并且，他们认为这种结构要优于内置式结构，原因在于由于转子中不存在磁路短路，可以充分利用永磁体。根据他们的实验，在产生同样转矩的条件下，表面插入式结构的磁钢用量可以减少鲨堕三些查堂堡主塑丝墨左右。在减少电机损耗方面，增加了永磁体与转子轭间的绝缘，杜绝转子冲片内的涡流通过永磁体表面金属镀层构成回路，减少了

13、转子涡流损耗。为了兼顾电动汽车的经济运行和高速运行，电动汽车用永磁同步电动机的设计一般理念是：基速（额定转速）时的反电动势与电源额定电压平衡；在转折速度以下作恒转矩运行，转折速度以上作弱磁恒功率运彳亍。但文献【提出了不同的设计理念：永磁同步电机采用表面式转子结构；电机的尺寸由所需的基本转矩来确定，定子绕组按最大转速下产生的感应电势与电源额定电压平衡设计；基速以下，电机效率与按一般理念设计的电机基本相同，基速以上，定子电流与速度成反比减小，因此定子铜耗与一般理念设计的电机相比显著降低。文献【】所提出的这种电机尽管可以提高高速区的电机效率，但是由于电流定额的增大，逆变器成本会增加，逆变器中的损耗也

14、会增加。对于经常处于高速区运行的电动汽车而言，这种设计方案尽管增加了逆变器成本，却可以节约能耗，提高续驶里程，是值得的。永磁同步电机设计方面的成果还有：不同应用场合电机的极数选择【；外转子直接驱动减少转矩脉动的磁极形状优化【：考虑饱和影响的电动汽车用内置式（）模型的建立和分析口；基于电磁场有限元分析的电机设计雎”；的功率特性、弱磁能力分析口五研、定子绕组换接眦等。为进一步提高电动汽车性能，众多学者还致力于许多特殊结构电机系统的开发，如等提出的永磁磁阻混合同步电动机等提出的永磁磁滞混合同步电动机”目；等研究的永磁和电励磁混合励磁的同步电动机。这些新型电机系统结构新颖，各具特色，结构及控制复杂程度

15、各异，但应用于电动汽车牵引传动的驱动效果及适用性还有待于进一步的研究。电动汽车用永磁同步电动机控制系统的发展现状车辆传动系统的特性曲线如图所示：图车辆传动系统的特性曲线沈阳工业大学硕士学位论文一一这条特性曲线分为两个区域。区为恒转矩区，功率随转速的提高线性增加。区为恒功率区，转矩随着转速的提高呈双曲线衰减。对于城市况下和山区旅游用电动汽车，绝大多数时阃运行于区中，转速小，汽车经常处于起、停和加、减速状态，转矩要求比较高，需要克服惯性阻力。而对于货车和长途客车而言，大多数时间处于区运行，车速高，汽车行驶比较平稳，没有特别大的加、减速情况，转矩消耗比较小，主要用来克服行驶阻力。电动汽车用电机传动控

16、制系统要满足电动汽车的这种机械特性【引。电力电子技术是电动汽车用电动机控制技术发展的重要物质基础，发展非常迅速。目前，电动汽车中电力电子器件主要采用智能功率模块（）。它在慕础上，集成了控制、检测、保护和自诊断等功能，由于采用了隔离技术，散热更均匀，体积更加紧凑。在电动汽车驱动系统的控制器选择上，电机专用数字信号处理器（）占了主导地位。如美国公司推出的是适于工业控制，尤其适用于电动机控制的专用芯片。应用可以大大简化控制系统的硬件结构，以它为核心设计电机数字系统是目前系统最小、实时性最强的一种方案卫。其高速性可以使复杂控制策略得以实现并降低成本。矢量控制是一般应用系统中采用的优良的控制方式。为扩展

17、电机速度范围，许多系统采用弱磁控制策略，或采用与之本质相同的相位超前控制策略。高性能电动汽车用系统目前也采用矢量控制方式，采用弱磁控制策略扩展电动汽车的速度范围。但上述一般应用的系统控制技术应用于电动汽车需要进一步解决些特殊的技术难题，如：保证汽车快速起动的动力学性能；提高车载蓄电池的有效利用以延长汽车一次充电续行里程；系统可靠性和鲁棒性的保证等。起动、加速等动力学性能的提高是加速电动汽车实用化的关键之，直接转矩控制与矢量控制相比较具有更好的动态性能。目前，感应电机驱动的电动汽车用控制器已研制成功。把直接转矩控制应用于电动汽车用永磁同步电动机的控制中，一定可以进一步提高电动汽车的动力性能。沈阳

18、工业大学硕士学位论文永磁同步电机系统直接转矩控制技术发展现状直接转矩控制（）是继矢量控制之后出现的一种新型交流调速技术，由德国的教授在年提出，控制对象是感应电机”。问世以来得到了国内外学者们的强烈关注，发表了大量文章研究感应电机方法，。目前，感应电机的技术已日趋完善，在德国已进入实用阶段，主要应用于大功率高速列车的主传动系统中。基于技术的通用变频器一公司研制的也已经出现。感应电机驱动的电动汽车用控制器也已研制成功。当前，与感应电机技术相比，的研究远远滞后。主要原闪是：由于转子结构的差异，系统不能照搬感应电机的理论，诸如零电压矢量的作用等理论问题还没有解决：系统从矢量控制到的简化程度远没有感应电

19、机相应的简化程度大，因此的没有受到足够的重视。近年来，国外学者开始将技术引入到中，英国、意大利、芬兰、美国、日本、澳大利亚、加拿大等国学者在的方式下的系统实现、弱磁、磁链选择、无传感器控制、降低转矩脉动、定子电阻辨识等方面进行了初步研究”州】。总的来讲，该方向的研究不多，更不够深入，没有出现实用化的成果。国内在该方向匕的研究极少，目前仅有南京航空航天大学、浙江大学、天津大学等几家单位刚刚开始相关的研究。方式的诸多优点决定了其在电动汽车用系统传动中有着非常实用的价值，将技术应用于电动汽车用系统，是全面提高电动汽车性能的又一条途径。本课题拟进行的工作本课题围绕电动汽车电驱动系统的设计开发展开工作，

20、本文的工作主要包括以下两大部分：）根据电动汽车的运行特点，设计一台电动汽车用永磁月步电动机围绕提高电机效率和功率密度，研究了变频器供电下永磁同步电动机内的时间谐波磁场及损耗。沈阳工业大学硕士学位论文根据电动汽车的结构参数、性能指标及动力学方程确定其驱动用定额及性能参数。以提高功率密度为目的，研究确定转子结构。研究电机参数对性能的影响，并完成样机的电磁设计。）设计电动汽车用永磁同步电动机驱动系统开发基于的全数字化驱动控制系统。控制策略采用直接转矩控制对电动汽车用系统进行研究。主要包括电压空间矢量的选择原则、定子磁链的控制方式、系统动态性能的保证、系统的实现等问题。编写、调试系统的软件，并进行系统

21、低速下的实验研究。一沈阳工业大学硕士学位论文电动汽车用的设计电动汽车用的设计应首先根据车体的几何结构参数及电动汽车的性能要求和驱动方式确定其性能参数指标，这是以电动汽车运行过程中受力分析为基础的。依据所得的性能参数指标，选择的转子结构形式，优化设计电机参数。电动汽车用电机的运行在有限能源供电下，而且运行工况复杂，所以电动汽车用的性能考核实验必须结合实际运行工况，而不能沿用常规的实验规程。电动汽车的性能指标及其对的特殊要求电动汽车运行于较宽的负载和转速范围及复杂的路况下，必须确保其在恶劣路面及气候、在大幅度变化的交通状况下的整体性能的优异、高效和可靠性，因此电动车的电机及其控制与传统的电机及其控

22、制相比，其特殊要求如下：（）高的短时功率、转矩密度和宽调速范围。低速（恒转矩区）运行应能够提供大转矩，以满足起动、爬坡等要求；能够提供高转速，以满足汽车高速行驶及超车的要求。（）在整个运行范围内具有高效率。目的是增加电动汽车一次充电的行驶距离。（）有较强的过载能力、快速的动态响应及良好的加速性能。目的是适应路面变化及频繁起动和刹车等复杂运行工况。（）可靠性高，重量轻，体积小，成本合理。电动汽车的性能指标主要包括【：静加速度、经济车速、最高车速、爬坡度、续驶里程。设计电动汽车用，必须首先对电动汽车不同运行工况迸行正确的受力分析及能量转换分析，依此确定驱动电机的性能指标。沈阳工业大学硕士学位论文电

23、动汽车电机的定额及性能参数的确定电动汽车受力分析及能量转换分析图电动汽车受力分析）电动汽车受力平衡方程式直线行驶的电动汽车所受的阻力为：空气阻力、滚动阻力取爬坡阻力、加速阻力，如图所示。图中，脚：电动汽车质量；重力加速度：地面对电动汽车的支撑力；只：电动汽车作用到车轮上的驱动力。在不打滑的条件下，彳亍驶中的电动汽车满足以下受力平衡方程式：巧（）式中各个力的定义如下：，：坐上（）式中巧一电动机轴侧输出转矩（）；轲一电动机输出轴至车轮之间的传动效率；车轮半径（）；分传动比。，（）式中一电动汽车所受重力，电动汽车的爬坡角厂地面滚动阻力系数，与路面种类、行驶车速以及轮胎的构造、材料、气压等有关，对中小

24、型车辆来说可表示为：，。【×（一）】沈阳工业大学硕士学位论文式中，一电动汽车速度（）。等（）式中矗空气阻力系数，对中小型客车来说可取；彳电动汽车迎风面积（）。（）式中卜耙坡度，口，根据电动汽车的运行路况，在设计时给定最大爬坡度。乃丙硎五（）式中电动汽车旋转质量转换系数，一般取；时间（）。综合式（）（），电动汽车的受力平衡方程式为：，而”三出（）电动汽车功率平衡方程式式（）两边分别乘以速度，并做适当的单位变换可得电动汽车功率平衡方程式：。七七，式中伤、毋、只、巴分别为电动机轴输出功率及转换到电动机轴侧的地面滚动阻力功率、空气摩擦阻力功率、爬坡阻力功率和加速阻力功率（单位为）。因此功率平

25、衡方程式可以表示为下式：忑”矿业竺罴韭（）电动汽车用驱动电动机性能参数确定根据电动汽车的性能要求及电动汽车的受力分析、制造成本等方面的因素，可确定驱动电机的性能参数。参照节所述电动汽车性能指标，电动汽车驱动电机应该满足以下几个方面：）最高转速，如。婆塑王些奎兰堡主塑塑一一在电动汽车的最高车速。确定后，根据变速箱的传动比，即可确定电动机的最高转速。电动汽车电机必须能够驱动汽车在最高车速，。下行驶，即要求电机的弱磁运行区至少扩展到”。，同时这一转速下的电机输出转矩必须大于该车速下的阻力矩。该约束用公式可表示为嘲疋仞【妒（上）靠（）式中璐一电机的极对数：。矗一定子电压空间矢量幅值的最大值；叼嘈子永磁

26、体磁链：白，轴电感；协，轴电流；刁纠正，疋为电机的电磁功率；致一此时归算到电机轴上的电动汽车的阻力矩）最大转矩死、最大功率如一及转折转速电机输出转矩的能力直接决定了电动汽车爬坡度、静加速度和加速时间等性能指标。理想情况下，电动汽车驱动电机应具有如图所示的功率及转矩特性曲线，在转折转速以下作恒转矩运行，其上作弱磁恒功率运行。电动机的最大转矩乃。是指电机在过载运行时所能输出的最大转矩，受电机驱动器容量和电机散热条件的限制，对于而言，还要保证在电机输出最大转矩时，永磁体不会退磁。电动汽车的最大阻力矩可能出现于以下几种情况：、爬坡同时加速起动；、以最高爬坡速度匀速爬坡；、以最高速度沿水平面匀速运行。所

27、以，需要分别对以上几种情况下的电动汽车进行受力分析，比较计算结果来确定最大转矩。转折转速等于给定最大爬坡转速，最大功率产死，；另外，需要根据静止加速时间校算。及。静止加速时间廿可由下式计算：，：石磊瓦赢瓦赢（）。昂己一一一当一时：，：藏百赢忑历赢（）穆己。一一一、沈阳工业大学硕士学位论文当时：。瓦万忑丽丽丽丽而乏劢而¨（”型！呈塑：，。昝。一一一值得注意的是，在相同电机最大功率下，降低转折转速，可提高电机的低速转矩，从而提高电动汽车的低速爬坡能力，减少静止加速时间；或者说，给定静止加速时间及低速爬坡能力，降低转折转速，可减小电机最大功率，从而降低逆变器容量，降低系统体积、重量及制造成

28、本。但是，电机的体积将增大。图为一电动面包车给定最大功率、静止加速至时加速时间与转折车速之间的关系”。司矿“簇吒图最大功率（即转折功率）一定时静止加速时间与转折车速之间的关系电动汽车驱动电机设计应在保证电机满足上述性能参数的基础上具有良好的性能指标，即具有尽可能高的转矩密度、尽可能高的效率。电动汽车用驱动电动机定额的确定）额定转速聊电机的额定转速由电动汽车的经济速度根据传动比反推得到。）额定电压【，电动汽车用驱动电机定子绕组一般采用接，此时电机驱动器的逆变器向电动机可提供的线电压最大值只能达到直流供电电压珥，也就是线电压正弦波幅值最大只能达到职。所以，电机的额定电压为（）特加埔¨达里

29、王些盔堂堡主塑！苎）额定功率上，、节推得的最大转矩，结合的过载倍数如，额定转速，可以计算出电机的额定功率（）意带专，过载倍数妇受电机驱动器的容量和电机的散热条件限制，与转子结构（凸极率）有关，一般在电动汽车用中可以取为。）额定效率，额定功率因数：参照同规格的或根据经验，额定效率可以初步定为，额定功率因数为。）额定电流知在前面的基础上，可以计算出额定电流知面羔面妒本课题所设计的电机的定额本课题研制的拟应用于旅游景点用微型面包车。由于旅游景点，特别是山区，路况复杂，对电机要求更高。这种应用场合要求电动汽车爬坡度大，电机过载能力大，机械特性硬，电机控制系统动态响应快。电动汽车性能指标如下：爬坡度：；

30、经济车速：最高车速：静加速时间：从静止起动，内加速行驶完成；最大爬坡速度：。车体数据：车的质量：；载员：人（）：车体宽：车体高：，；有效面积系数：；车轮半径；：传动效率：传动比：。电池数据：节；电压：容量：；质量：。电机质量：。由以上数据可以计算得到电机的额定数据和性能指标如表所示：沈阳工业大学硕士学位论文表电机的额定数据和性能指标巧。（）知（）而州）（）姬娜（）（）（）曲电动汽车用的设计转子结构的选择根据永磁体在转子上的安装方式不同，调速的转子结构主要包括：表面式（表面凸出式、表面插入式）、内置式（内置径向式、内置切向式、内置混合式）及爪极式。在电动汽车中，要求电动机在经济车速附近效率最高，

31、所以电动机设计时往往使其额定转速（基速）对应于经济车速。为了满足高速运行，在经济车速以上，处于弱磁运行。其中，表面凸出式转子结构的通过增大定子电流超前角可以获得有限的弱磁能力。因此一般情况下，不用于电动汽车中（国外有通过特殊设计把表面凸出式转子用于电动汽车的论述唧）。电动汽车用中常用的转子结构形式是表面插入式和内置式，由于这些种电机、轴不对称，可以利用磁阻转矩，所以又称作永磁磁阻电机。表面式结构的转子，是把磁钢直接安装在转子表面。钕铁硼永磁体的相对回复磁导率约为，接近空气的磁导率。对于定子励磁磁场来说，磁路的磁阻非常大，磁通很小，气浆磁场基本上转子永磁体磁场决定。所以采用表面式的结构，可以有效

32、的降低由定子谐波电流引起的转子铁耗。转子结构的确定同时需要考虑能够利用磁阻转矩。磁阻转矩的利用可以提高电机单位定子电流产生的转矩，从而提高电机功率密度。表面插入式的转子结构便是一种适合以上要求的电机转子结构。这种转子结构由于没有磁路短路情况的发生，可以充分利用永磁体。根据本田公司的实验，表面插入式结构与内置式结构相比，在产生同样转矩的条件下，磁钢用量可以减少左右刚。另外，与内置式结构相比，表面插入式结构沈阳工业大学硕士学位论文方便改变极弧系数，更容易实现反电动势的正弦性。但是，内置式结构特别是内置切向式结构易于做到更大的凸极率，提高磁阻转矩。电机转子结构的优化及提高功率密度的一个措施提高电机的

33、功率密度的途径有两条：一是提高电机的线负荷和气隙磁密，从而提高有效材料的利用程度；二是减少有效材料的质量。研究发现表面插入式结构的转子有效材料并没有充分利用。表面式转子结构的空载磁场分布如图所示： 图表面式转子结构电机的空载磁场分布如图中箭头所示，转子磁极下以磁极几何中心线为对称轴的区域内，磁密非常低。对于转子磁路来说，这一区域的铁基本不起作用。从提高有效材料的利用角度出发，可以去掉这部分铁心，而且对转子磁路影响不大。形成的孔可以作为通风孔，以加强转子的散热能力。 （）转子改进后的电机截面图（）电机的空载磁场分布婆堕三些盔堂堡主堂壁丝塞 （）额定负载时轴磁场分布（）额定负载对轴磁场分布图转子改

34、进后的截面图及磁场分布转子改进后的电机截面图及电机的空、负载磁场分布如图所示：电机外形尺寸的确定目前，尚未实现系列化。为了降低生产成本，电机定子冲片尽量从现有系列感应电动机的定子冲片中选取。所以，一旦定子冲片选定，电机的定子内、外径，以及齿、槽尺寸便确定了。只有不得已的情况下才修改定子齿槽尺寸。本设计中，我们通过大量计算发现，定子冲片采用型感应电机的定子冲片可以满足设计要求。只要再确定电机的长径比，电机的外形尺寸便确定了。电机的长径比对电机的有效材料峰值功率密度的关系嘲如图所示。由此可以看出，适当地增大长径比可以提高电机的有效材料的峰值功率密度。但是，电机的轴向长度太大，将会使得铁耗增大。罐一

35、图长径比与有效材料峰值功率密度之间的关系鲨堕三些查兰堡主兰焦丝壅一一一一确定电机的气隙长度气隙长度直接影响了电机的性能和原材料（特别是水磁体）的使用量。为了既能满足电机性能的要求，又能节约原材料，所以应该对电机气隙长度的选择进行分析，如图所示。卜。，一埘¨岛失步韩姥估教一一精效甜科鸱畦崖功率密度帆图电机中气隙长度与。和有教材料的峰值功率密度之间的关系从图可以得出，气隙长度增大时，电机的失步转矩倍数和有效材料的峰值功率密度也在增大。同时气隙长度的增加会导致永磁体用量的增加。为了节约永磁体的用量，气隙长度选取能同时满足失步转矩倍数和有效材料峰值功率密度的要求的较小值。对于本文的电机而言，

36、为了防止磁钢在离心力的作用下从转子表面脱落，转子表面需要缠绕一层无纬玻璃丝带。从工艺上考虑，本文的电机气隙不宜太小。而且适当加大气隙长度可以减小谐波磁通，减小转子杂散损耗和铁耗。综合考虑，本文的电机气隙长度定为。，采用隔磁措施减少极间漏磁空载漏磁系数是的个非常重要的设计参数。空载漏磁系数。的大小反映了电机中永磁材料的利用程度。另一方面，在一定程度上它又反映了电机的弱磁扩速能力和电机中永磁体的抗不可逆去磁能力。电机中永磁体的漏磁近似可以分为极间漏磁和端部漏磁。：睾：型尝（）曲、口，。沈阳工业大学硕士学位论文式中口、中厂一永磁体发出的总磁通和电机气隙主磁通；函坊，厂极间漏磁通和端部漏磁通；，、厂丰

37、及间漏磁系数和端部漏磁系数。由于电机端部磁路复杂，即便是用三维电磁场分析也很难得到端部漏磁系数。一般是通过二维场有限元法获得电机的极间漏磁系数，然后通过试验获得考虑端部漏磁时的修正系数。的极间漏磁系数是在电机横截面上永磁体发出的总磁通与气隙主磁通之比。影响电机中永磁体漏磁通的主要因素是电机中永磁体的漏磁路径及其饱和程度，而影响电机主磁通的主要因素则包括电机主磁路的饱和程度及总磁导。可见在电机的主要尺寸确定之后，减小极间漏磁通的主要办法是改变永磁体的漏磁路径，采取隔磁措施。本文所设计的电机极间漏磁场如图所示。把图圈内部分放大为图，可见，只要调节隔磁材料宽度和极间转子铁心高度，就可以改变永磁体极间

38、漏磁路。本文在设计转子结构时，综合考虑了极间漏磁的减少和磁阻转矩的利用。永磁体和转子铁心之间的隔磁材料宽度与气隙长度相当，同时使转子铁心表面比永磁体表面低。以上两项措施使得极间漏磁大大减少，样机试验表明，空载漏磁系数只有。为防止永磁体在切向力的作用下沿转子表面滑移，空隙隔磁材料可以采用电木或不锈钢条。 图永磁体极间漏磁场图减少转子磁极间漏磁的措施一永磁体一隔磁材料一转子铁心一沈阳工业大学硕士学位论文提高电机效率和降低电机的温升由上一章的分析知道，提高电机的效率，主要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

39、也不同，图所示为定、转子采用不同材料的冲片时铁耗与电机转速的关系曲线。可见，选用型硅钢片可以在其他条件不变的情况下有效地减小铁耗，尤其对电机高速运行时的铁耗的减小，效果更为显著。另外，改善转子磁极磁场波形，减小供电电流时间谐波，也是减小电机铁耗的有力措施。图抻片采用不同材料时铁耗与速度的关系电机在负载变化不大的情况下运行时，电机的铜耗。变化不大。所以要减小电机的铜耗，可以通过减小绕组电阻来实现。措施包括增大并联导线的横截面积、选用电阻率较小的铜导线等。当电机运行在弱磁扩速的高速区，电机中的机械损耗非常严重。机械损耗中主要以轴承摩擦损耗为主。所以要减小电机的机械损耗，主要考虑如何减小电机的轴承摩

40、擦损耗，即选用摩擦系数较小的轴承。本电机选用级球轴承。为了提高电机的功率密度，电动汽车用一般采用比较高的电磁负荷，因而这种电机的计算热负荷一般比较高。如果不采取有效的散热措旆，将导致电机的温升过高，使电机的性能下降，甚至导致永磁体的不可逆退磁。由于水的比热容大，流动性好，是一种高效率的冷却介质。水冷是中一种高效、简便的散热方式。如果气隙谐波磁场特别是电流时间谐波磁场不强，的发热主要集中在定子上，而且主要是定子电阻损耗。所以，散热可以采用给电机的沈阳工业大学硕士学位论文外壳加一个水套的方法【】。水套采用不可拆式，即把水套两端直接焊在电机定子外壳上。为了保证焊接质量，选用的水套材料应该和机壳材料相

41、同。电机的外壳由厚度为的钢板卷成，因而水套的材料也采用钢板。水套的厚度要视电机的固定方式而定：当电机采用外壳固定时，水套的厚度可以选择薄一些，满足水的压力即可，可以选择厚：当选择水套外侧固定时，水套的厚度应适当加厚，选择。为了使水套内的水能够均匀覆盖电机表面，水套的进水口放在壳体下端，出水口放在壳体上端，采用加压水泵强迫水循环。电机采用外壳水冷时，热负荷可以比采用自扇风冷式电机高。水冷式的热负荷上限值为奴。本文样机的热负荷设计值为。在一台加压水泵强迫水循环水冷条件下，额定转矩温升试验表明样机温升符合要求。永磁材料的选择目前，永磁电机中使用的永磁材料有：钕铁硼永磁、铝镍钴永磁，许多对性能要求不严

42、格的场合，还可以采用铁氧体永磁。从价格性能比角度考虑，钕铁硼永磁材料是目前的晟佳选择。目前国内生产的钕铁硼永磁材料室温下剩余磁感应强度西可以做到；矫顽力：低工作温度永磁材料可达，高工作温度材料可达；最大磁能积：低工作温度永磁材料可达，高工作温度材料可达。本文电机所选用的钕铁硼永磁材料的性能经过验证是可靠的，室温下剩余磁感应强度肼可以达到，矫顽力胁为，最大磁能积，工作温度。表面式转子结构中的时间谐波磁场及损耗电动汽车用属于调速电机，供电电源是变频器。变频器供电带来的一个突出问题是电机内的时问谐波磁场增加，谐波损耗升高，电机效率下降。过去，永磁同步电动机的设计理论一直把转子永磁体看作气隙，认为永磁

43、体内没有损耗。但是，在本文研究过程中，转予出现了异常发热现象，原因就在于时间谐波磁场在永磁体内产生了附加损耗。沈阳工业大学硕士学位论文变频器供电时中的时间谐波磁场及生质电动汽车用定子电流中除了基频电流外，还有大量的高次时间谐波。另外，转子磁极空间谐波磁场和齿谐波磁场引起的谐波电动势通过供电电源构成回路，也会在定子中形成高次时间谐波电流。电源谐波分量与逆变器的类型、电机绕组的接线方式以及电机的运行状态等因素有关【。电动汽车驱动用属于小型电机，定子绕组一般采用接法，没有中线，采用脉宽调制型电压源逆变器供电时，理相电流中没有偶数次和的倍数次谐波，只存在、次（，）谐波。但在实际上，由于三相功率器件参数

44、的不对称、功率器件不可靠通断以及一些分布电感的存在，电机的三相电流并不是严格对称的，电机线电流中仍然可能存在一定的偶数次和的倍数次谐波，甚至其次数可能比较低，如图为一台在矢量控制下实测线电流波形及其频谱分析。孤口嘞氛帮了，蟪，±，佩转融霎臻，。啦。喝图实测线电流波形及频谱分析定子电流中第次谐波电流可表示为（甜，（）则次谐波电流产生的次空间谐波合成磁动势为厶，以）（±以）（）上式表明，次谐波电流产生的次空间谐波合成磁动势，在某一时刻从空间上看，是一个按次谐波分布；在空间上的某一点从时问上看按口耐的余弦规律脉振的脉振磁动势。与基频电流次空间谐波磁场相比，次谐波电流次空间谐波有着

45、相同的极对数和极距。沈阳工业大学硕士学位论文与基频电流空间谐波磁场相似，三相次谐波电流产生的次空间谐波合成磁动势中，次谐波以速度正向旋转，相对转子速度为（）。该谐波磁动势将产生在定子铁心中以频率颐交变，而在转子铁心中以频率（）五交变的磁场。而一次谐波以速度咖反向旋转，相对转子速度为（，汁）悔。该谐波磁动势将产生在定子铷心中以频率蛳交变，在转子铷心中以频率（）正交变的磁场。在变频器供电下的转子异常发热作者曾采用通用变频器作驱动电源，对一台表面式转子结构进行试验，控制策略采用开环玎为恒值控制。结果发现即便是在空载下，转子温度升高括烈，电流自发升高，不足分钟电机转子表面温度从（升高到。图，是电机的线电流及线电压波形。 （）电流（）电压图某表面式转子结构在开环控制下的电流、电压波形由图（）可以看见，电机的电流中包含丰富的谐波，这便是电机转子发热异常的原因。过去，永磁同步电动机的设计理论一直把转子永磁体看作气隙，认