混合动力电动汽车用永磁无刷直流电机设计与实现

1、2022-3-11混合动力电动汽车用永磁无刷直流电机的设计与实现混合动力电动汽车用永磁无刷直流电机的设计与实现2022-3-12引言 按照混合动力电动汽车的使用要求，研制出集电动/发电功能于一体的稀土永磁无刷直流电机驱动系统。 本文介绍了该混合动力电动汽车用稀土永磁无刷直流电机的结构特点和设计方法，通过样机试验验证了设计的合理性。2022-3-131 混合动力电动汽车概述 混合动力电动汽车同时拥有电动机驱动和发动机驱动的系统，如图1所示。2022-3-141 混合动力电动汽车概述 车辆在起步或轻载工况时，由电动机作驱动。当车辆在正常行驶工况时，根据行驶所需的功率，由发动机、电动机单独工作或共同

2、工作，若发动机功率大于行驶所需功率，则电动机转为发电机工作状态，输出电能给蓄电池充电。当车辆爬坡或超速时，发动机和电动机一起工作，共同驱动车轮。当车辆减速或刹车时，电动机转为发电工作，将动能转化为电能，储存于蓄电池中。2022-3-151 混合动力电动汽车概述 因为双驱动系统的存在，使得混合动力电动汽车的总体结构复杂，尤其在轿车中应用，受安装空间的限制，对电机驱动系统的体积尺寸要求特别苛刻，不仅要求电机具有较高的重量比功率，而且既能作电动机运行，还能作发电机运行，在减速制动时，即使转速较低，也希望电机能发出高于蓄电池的电压给蓄电池充电。2022-3-162 系统组成2.1 组成及特点 混合动力

3、电动汽车用稀土永磁无刷直流电机系统在基本构成的外部形式上与普通无刷直流电机一样，主要由永磁电机本体、功率电子换向控制器及转子位置传感器等组成。 但在工作方式的表现上两者不同，前者是为了适应混合动力电动汽车的各种运行状态，除了能作电动机运行输出动力外，还能作发电机运行输出电能，频繁地进行电动和发电可逆工作。2022-3-172.2 永磁电机本体结构 已研制的混合动力电动汽车用稀土永磁无刷直流电机本体的主要特点是轴向厚度尺寸小、重量轻、输出功率大、效率高。为了提高输出功率和增大输出转矩，在结构方案上尽可能地考虑缩小电机绕组端部长度，让出有效空间。为了减轻电机重量，在保证机械结构强度和电磁性能的前提

4、下，尽可能地去掉无用部分材料，并采用径向结构的转子形式，如图2所示。2022-3-182.3 控制系统组成 已研制的混合动力电动汽车用稀土永磁无刷直流电机的控制系统为水冷结构形式，采用模块化设计的数字控制技术，具有体积小、输出功率大，集电动控制、发电控制、制动控制于一体的特点，该控制系统的基本组成原理如图3所示。2022-3-192.3 控制系统组成 永磁电机本体的定子为三相绕组星形连接，控制系统由功率主电路和主控板构成，功率主电路是由IGBT大功率模块构成三相逆变桥，主控板是由电机控制专用的DSP芯片TMS320F240及辅助电路和驱动电路等组成，接收上位机的信号，由该控制系统完成电动控制,

5、发电控制及制动控制等功能。2022-3-1103 电机本体设计分析3.1 结构优化设计 本文以有限元法为基础，采用场-路结合的优化设计方法，进行多方案的计算比较和优化选择。其优化设计基本框图如图4所示。2022-3-1113.1 结构优化设计 具体是以电机有关几何尺寸为设计变量，以电机有关电磁参量和性能指标为函数约束，以电机的输出功率、效率、体积等为目标函数，进行准多目标优化设计，使得电机在可行域内，输出功率尽可能的大，效率尽可能的高，而体积却尽可能的小。利用已有的优化设计程序，对该电机进行可行方案的寻优计算。2022-3-1123.2 电路分析数学模型假设电机三相绕组完全对称，且认为感应电势

6、的气隙磁场波形为大于120平顶宽度的梯形波，则电机绕组的自感和互感可认为常数，该电机等效电路可描述为如图5所示，R为一相电阻,L-M 为一相绕组等效电感，eA、eB、eC分别为A、B、C相绕组反电势，uA、uB、uC分别为A、B、C 相绕组端电压。2022-3-1133.2 电路分析数学模型 该电机等效电路的电压平衡方程式可表示为 且 电磁转矩为式中为转子机械角速度。2022-3-1144 控制系统设计分析4.1电动运行控制 在电动运行状态时，采用两相导通六状态的控制方式，任一时刻只有两只功率开关管导通，分别属于上半桥和下半桥，但不处于同一桥臂，在调速控制时，只有下半桥功率开关管工作于PWM状

7、态。电动运行控制信号波形如图6所示。2022-3-1154.1电动运行控制 以V1和V6导通的磁状态为例，工作回路为蓄电池正极V1A相绕组B相绕组 V6 蓄电池负极。当忽略导通管的压降，结合图3和图5可将该磁状态的电动运行等效电路描述为如图7所示。2022-3-1164.1电动运行控制结合式(1)可得该回路的电压方程为令i=iA=-iB；Ud=uA-uB，Ud为电池电压；eA-eB=2E，E为梯形波气隙磁场波形平顶大于120时的相电势。则回路电流为：2022-3-1174.1电动运行控制 对V6进行PWM控制，就可控制电流的平均值，从而控制平均电磁转矩。这里分析了60电角度的一个磁状态，对于其

8、他五个磁状态可同理分析。2022-3-1184.2 发电运行控制 在发电运行状态时，利用主控板的控制信号将功率主电路上半桥的功率管V1、V3、V5全关闭，而下半桥的功率管V2、V4、V6分别按一定规律进行PWM控制，这样，因上半桥续流二极管的存在，其等效电路似同一个半控整流电路。另外，因混合电动汽车的电源是蓄电池，电机在进入发电工作时，其发电电压必须高于蓄电池电压2022-3-1194.2 发电运行控制 才能输出电功率，所以发电运行的控制方法是采用半控整流的PWM升压工作原理，但是，在设计电机时应考虑到最高转速的发电输出电压不大于蓄电池的额定电压UN，则低转速时的发电运行是让下半桥的功率管V2

9、、V4、V6按规律作PWM工作产生泵升电压，当泵升电压高于蓄电池的端电压时就输出电能，这一过程全部由主控板控制。发电运行控制信号波形如图8所示。2022-3-1204.2 发电运行控制 为了分析问题方便，选择与电动运行V1、V6导通对应的磁状态位置，在发电运行时并不是V1、V6导通，而是V4导通，且脉宽调制工作，取PWM的一个脉冲周期T进行分析。设导通时间为t1,则截止时间为T-t1，结合图3和图5，当忽略V4、D1、D6的管压降时，V4在PWM脉冲周期T内导通和截止的等效电路如图9所示。2022-3-1214.2 发电运行控制 在0,t1时间段V4导通,如图9(a)所示，此时属电机电感储存磁

10、场能量的过程。由式(1)，令uA-uB=0，i=-iA=iB，得回路电压方程为存储于电机电感2(L-M)的磁场能量为2022-3-1224.2 发电运行控制 在t1,T时间段V4截止，如图9(b)所示，为续流作用向蓄电池充电，此时属电机电感释放磁场能量的过程。由式(1)，令uA-uB=Ud，Ud为蓄电池端电压，i=-iA=iB，得回路电压方程为2022-3-1234.2 发电运行控制蓄电池吸收的能量为We、WR、WL分别为t1,T时间段的汽车动能经电机电磁功率转化的电能和电机绕组发热消耗的电能以及电机电感2(L-M)释放的磁场能量。2022-3-1244.2 发电运行控制 设电机电感2(L-M

11、)在0,t1时间段吸收的能量等于在t1,T时间段释放的能量，即WL=WL，结合式(8)和式(10)得当不考虑电流i和uAB的脉动，且忽略相电阻R时，由式(11)整理得2022-3-1254.2 发电运行控制 由上式可知，控制PWM占空比的大小，即可使蓄电池两端的电压uABUd，当然在主控板中以闭环控制的方式自动调整PWM的占空比 ，满足uAB电压不超过蓄电池允许的最高充电电压，并满足发电电流不超过蓄电池允许的最大充电电流。2022-3-1264.3 制动控制 在制动状态时，其控制方法与发电运行时一样，不过这时候的发动机不工作，而是将车辆的惯性动能转化为电能，通过电机电感的升压作用，向蓄电池回馈能量，此时由于电机电流方向与电动运行时相反，故获得制动性质的电磁转矩，实现汽车的能量回馈电气制动。这种制动方式的平均制动强度与电机电流的平均值成正比，它可能达到的最大制动强度与主功率电路的限流值及车速成正比。2022-3-1275 实验结果 对已研制的混合动力电动轿车用稀土永磁无刷直流电机样机进行了调试试验，其实测结果如下：额定电压： 336V电动/发电功率： 23kW/5kW电机重量比功率： 1.38kW/kg电机最高转速： 5000r/min系统最高效率： 89%（电机和控制器）电