混合动力电动汽车用永磁无刷直流电机设计与实现.pptxVIP

2022-9-2 1 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。 第1页/共29页 2022-9-2 2 1 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。 第2页/共29页 2022-9-2 3 1 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。 第3页/共29页 2022-9-2 4 1 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。 第4页/共29页 2022-9-2 5 2 系统组成 2.1 组成及特点 混合动力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。 第5页/共29页 2022-9-2 6 2.2 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 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。 第6页/共29页 2022-9-2 7 2.3 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。 第7页/共29页 2022-9-2 8 2.3 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,发电控制 及制动控制等功能。 第8页/共29页 2022-9-2 9 3 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。 第9页/共29页 2022-9-2 10 3.1 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。 第10页/共29页 2022-9-2 11 3.2 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。 第11页/共29页 2022-9-2 12 3.2 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ω为转子机械角速度。 第12页/共29页 2022-9-2 13 4 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