電機(jī)結(jié)課論文

1、北京理工大學(xué)珠海學(xué)院2013級(jí)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)技術(shù)結(jié)課論文 機(jī)械與車輛學(xué)院電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)技術(shù)結(jié)課論文（2015-2016學(xué)年第一學(xué)期）論文題目：電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的研究 姓名： 學(xué)號(hào)： 班級(jí)：車輛工程。課程老師：成績：基于寶馬i3電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究摘 要電機(jī)作為混合動(dòng)力系統(tǒng)中一個(gè)重要的動(dòng)力輸出源，其自身的性能直接影響到了電動(dòng)汽車的整體性能。車用電機(jī)及其控制系統(tǒng)的集成化主要體現(xiàn)在電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)與變速箱、電機(jī)與底盤系統(tǒng)的集成度不斷提高。對(duì)于混合發(fā)動(dòng)機(jī)與ISG集成，其發(fā)展從結(jié)構(gòu)集成到控制集成和系統(tǒng)集成，電機(jī)與變速箱的一體化愈加明顯，汽車動(dòng)力的電氣化成分越來越高，不同耦合深度的機(jī)電耦合動(dòng)力總成系

2、統(tǒng)使得電機(jī)與變速箱兩者之間的聯(lián)系變得越來越緊密。在高性能電動(dòng)汽車領(lǐng)域，全新設(shè)計(jì)開發(fā)的底盤系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、輪系將電機(jī)和動(dòng)力傳動(dòng)裝置進(jìn)行一體化集成，融合程度越來越深。雖然目前市場(chǎng)上分布了輕混、中混、強(qiáng)混等各種混合程度的混合動(dòng)力車型，但從各種混合度車型的節(jié)能減排效果來看，混合程度越高，汽車的節(jié)能能力越強(qiáng)。電功率占整車功率的比例正在混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域逐漸提高，電機(jī)已不再單單作為發(fā)動(dòng)機(jī)的附屬設(shè)備。各車廠正在逐漸將小排量發(fā)動(dòng)機(jī)和大功率電機(jī)運(yùn)用在汽車驅(qū)動(dòng)上。寶馬公司的寶馬i3配備了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的eDrive混合式同步電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)具有永磁電動(dòng)機(jī)和磁阻電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；永磁體；驅(qū)動(dòng)控制系

3、統(tǒng)。9目 錄1.前言11.1本設(shè)計(jì)的目的、意義及應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求：11.2系統(tǒng)或是技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問題：11.3本論文的主要內(nèi)容：22. WBM i3的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)組成：32.1 WBM i3的電動(dòng)機(jī)：32.2永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)：32.2.1永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理：42.2.2永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)：63.結(jié)論：8參考文獻(xiàn)91.前言：電動(dòng)汽車已經(jīng)成為當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大趨勢(shì)，包括了純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力 電動(dòng)汽車、燃料電動(dòng)汽車等類型。電動(dòng)汽車的技術(shù)核心是同時(shí)關(guān)注動(dòng)力性、安全性和經(jīng)濟(jì)性等內(nèi)容，其關(guān)鍵技術(shù)包括了電驅(qū)動(dòng)技術(shù)、能源技術(shù)、能量管理技術(shù)及汽車制造等多個(gè)技術(shù)。電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的不

4、斷發(fā)展和創(chuàng)新，為不同類型的電動(dòng)汽車的推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。40多年來，BMW始終致力于可持續(xù)交通的發(fā)展并穩(wěn)步取得了多項(xiàng)關(guān)鍵性成功，BMW不斷將夢(mèng)想更廣泛地付諸實(shí)踐，從各種類型的原型車和測(cè)試車輛中積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。采用eDrive技術(shù)的BMW i3專為城市交通設(shè)計(jì)的，是不折不扣的環(huán)保汽車。它純粹由電力驅(qū)動(dòng)，完全滿足綠色低碳零排放的交通要求，是城市交通智能化的體現(xiàn)。憑借革新的eDrive技術(shù)，此款車不僅實(shí)現(xiàn)了零排放和無與倫比的駕駛體驗(yàn)，而且駕駛?cè)丝扇瘫M享寧靜安逸，續(xù)航能力也達(dá)到了單次充電可連續(xù)行駛160公里。1.1本設(shè)計(jì)的目的、意義及應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求：目前發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)已經(jīng)延伸到了國民經(jīng)濟(jì)

5、的各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，首當(dāng)其沖要在汽車產(chǎn) 業(yè)實(shí)現(xiàn)突破。新能源汽車是目前整個(gè)世界汽車工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)，世界各大汽車廠商都將未來汽車發(fā)展重點(diǎn)放在新能源汽車上，而純電動(dòng)汽車因?yàn)槠湔w的優(yōu)越性越來越受到各國汽車廠商的重視，純電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)也成為了主要競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)。電動(dòng)汽車在技術(shù)方案上可以采用的方案有直流有刷電機(jī)、永磁無刷電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)和開關(guān)磁阻等四種電機(jī)作為動(dòng)力源。目前直流有刷電機(jī)已經(jīng)被淘汰，永磁電動(dòng)機(jī)具有緊湊結(jié)構(gòu)和高扭矩密度輸出的特點(diǎn)，并且能以較低電流來啟動(dòng)。雖然如此，永磁體材料的成本是一個(gè)有待解決的問題，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量有可能對(duì)永磁體產(chǎn)生損害。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)力充沛，看起來是一個(gè)成本最低的

6、技術(shù)解決方案。但開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)有不少缺點(diǎn)，如轉(zhuǎn)矩波動(dòng)高，噪音大、功率因數(shù)低和效率低。寶馬i3的永磁同步電動(dòng)機(jī)能在多個(gè)磁體方向中（即不同的磁極方向中）產(chǎn)生一系列不同的電磁感應(yīng)和與磁極方向相反的交叉電感；只要驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)以合適的方式驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)就能產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。這種磁阻轉(zhuǎn)矩能對(duì)電動(dòng)機(jī)永磁磁通產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩相互補(bǔ)充。1.2系統(tǒng)或是技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問題：從全球范圍看，有刷直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)與有刷磁鐵電機(jī)商品化歷史最長，產(chǎn)品更新?lián)Q代不斷，迄今還在應(yīng)用。20世紀(jì)80年代開始進(jìn)入商品化的表面永磁同步電機(jī)與90年代以來研制開發(fā)的開關(guān)磁阻電機(jī)、內(nèi)置式永磁同步電機(jī)以及最新的同步磁阻電機(jī)相繼進(jìn)入市場(chǎng)，并在電

7、動(dòng)汽車與混合動(dòng)力汽車上獲得應(yīng)用。日本相關(guān)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)主要開發(fā)混合動(dòng)力汽車，近幾年來在批量生產(chǎn)的日本電動(dòng)汽車車型上以采用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為主流。近年來歐美等國家開發(fā)的電動(dòng)汽車多采用交流感應(yīng)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其主要優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格較低，性能可靠；其缺點(diǎn)是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，運(yùn)行效率較低1目前我國電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)有30多家，但多數(shù)企業(yè)規(guī)模小，實(shí)力還較弱。驅(qū)動(dòng)電機(jī)是新型的電傳動(dòng)行業(yè)的一個(gè)分支，新型的高新技術(shù)企業(yè)是這一行業(yè)的主力軍之一，它們一般依托于高?；蛘呖蒲性核哂休^強(qiáng)的技術(shù)水平，但由于成立不久，這些企業(yè)大多實(shí)力較弱，融資渠道單一，生產(chǎn)能力不強(qiáng)。除了新成立的高新企業(yè)外，我國有相當(dāng)一部分驅(qū)動(dòng)電機(jī)企業(yè)

8、是由傳統(tǒng)電機(jī)制造商轉(zhuǎn)型而來。 自國家“863電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)”實(shí)施以來，經(jīng)過十多年的發(fā)展，電動(dòng)氣車用電機(jī)系統(tǒng)研究進(jìn)步較大，我國電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本功能和性能已經(jīng)接近國際先進(jìn)水平，但產(chǎn)品對(duì)汽車使用環(huán)境的適應(yīng)性不足，產(chǎn)業(yè)化之路還存在較多瓶頸。國內(nèi)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性及耐久性尚未得到充分驗(yàn)證，和汽車行業(yè)的嚴(yán)格要求還有一定差距。由于我國系能源汽車在示范運(yùn)行階段，產(chǎn)量不大，因此造成了在制造工藝方面也有很大差距。手工繞線圈、手工裝配等傳統(tǒng)落后工藝與國外自動(dòng)生產(chǎn)線大批量生產(chǎn)相比，其生產(chǎn)的產(chǎn)品一致性差，從而導(dǎo)致可靠性差。國內(nèi)動(dòng)力總成裝置的集成度不高，機(jī)電一體化不夠。1.3本論文的主要內(nèi)容：BWM i3汽車配置的驅(qū)

9、動(dòng)電動(dòng)機(jī)重50千克，最大輸出功率為125千瓦，功率系數(shù)為 2.5千瓦/千克；該電動(dòng)機(jī)能輸出線性功率，轉(zhuǎn)速范圍較高，其最高轉(zhuǎn)速為114000轉(zhuǎn)/分。2了解WBM i3汽車配置的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的各項(xiàng)性能以及它的一些優(yōu)缺點(diǎn)。2.WBM i3的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)組成：寶馬使用的電動(dòng)機(jī)可歸類為永磁同步電動(dòng)機(jī)。永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子位置傳感器和逆變器組成。它輸出的交流電流經(jīng)整流后供給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，定子繞組接通交流電源產(chǎn)生電樞磁場(chǎng)，依靠電磁相互作用氣隙中產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)而余轉(zhuǎn)子同轉(zhuǎn)速的合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使定子繞組感生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。 但寶馬對(duì)該電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了精心的設(shè)計(jì)，并選擇合適尺寸的零部

10、件來制造，讓其能產(chǎn)生自磁化效應(yīng)；該自磁化效應(yīng)原本只有磁阻電動(dòng)機(jī)才能產(chǎn)生。自磁化效應(yīng)帶來的額外勵(lì)磁效果能為電動(dòng)機(jī)電流勵(lì)磁提供有益的補(bǔ)充；在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩種勵(lì)磁方式讓其工作更加可靠。寶馬i3使用的電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速能達(dá)到11400轉(zhuǎn)/分。2.1WBM i3的電動(dòng)機(jī)：永磁同步電動(dòng)機(jī)具有：效率高，更加省電，功率因數(shù)高，電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，體積小，功率密度大，起動(dòng)力矩大，噪音小，溫升低等優(yōu)點(diǎn)。寶馬的i3主要是基于永磁同步電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上加以進(jìn)一步的改改善，因此它的基本性能與永磁同步電動(dòng)機(jī)相同的。2.2永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)：圖2.1正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本組成框圖三相永磁同步電機(jī)具有定子三相分布

11、的繞組和永磁轉(zhuǎn)子。定子繞組一般制成三相繞組。三相繞組沿定子鐵心對(duì)稱分布，在空間互差120圖2.2永磁同步電機(jī)實(shí)物結(jié)構(gòu)圖度電角度，通入三相交流電時(shí)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子采用永磁體，目前主要以釹鐵硼作為永磁材料。采用永磁體簡(jiǎn)化了電機(jī)的結(jié)構(gòu)，提高了可靠性，又沒有轉(zhuǎn)子銅耗，提高電機(jī)的效率。圖2.2永磁同步電機(jī)實(shí)物結(jié)構(gòu)圖2.2.1永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理：由于電機(jī)定子三相繞組中接入三相對(duì)稱交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，用旋轉(zhuǎn)磁極N、S來模擬。根據(jù)磁極異性相吸、同性相斥的原理，不論定子旋轉(zhuǎn)磁極與永磁磁極起始相對(duì)位置如何定子的旋轉(zhuǎn)磁極總會(huì)由于磁拉力拖著轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，同步電機(jī)轉(zhuǎn)速可表示為: （式2.1）電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)如

12、圖2.3：圖2.3電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程組成，在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下：（1）電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的電壓方程如下式所示: (式2.2)其中，sR為定子電阻；du、qu分別為d、q軸上的兩相電壓；di、qi分別為d、q軸上對(duì)應(yīng)的兩相電流；dL、qL分感；cw為電角速度；dy、qy分別為直軸磁鏈和交軸磁鏈。若要獲得三相靜止坐標(biāo)系下的電壓方程，則需做兩相同旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到三相靜止坐標(biāo)系的 變換，如下式所示。 （式2.3）（2）qd軸磁鏈方程： （式2.4）其中，fy為永磁體產(chǎn)生的磁鏈，為常數(shù)是機(jī)械角速度，p為同步電機(jī)的極對(duì)數(shù)，cw為電

13、角速度，o為空載飯電動(dòng)勢(shì)，其值為每項(xiàng)繞組反電動(dòng)勢(shì)的3倍。（3）轉(zhuǎn)矩方程： （式2.5）把它代入上式可得： （式2.6）（式2.7）對(duì)于上式，前一項(xiàng)是定子電流和永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，稱為永磁轉(zhuǎn)矩；后一項(xiàng)是轉(zhuǎn)子突極 效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩，稱為磁阻轉(zhuǎn)矩，若Ld=Lq，則不存在磁阻轉(zhuǎn)矩，此時(shí)，轉(zhuǎn)矩方程為： （式2.8）這里，tk為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，。（4）機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程： （式2.9）其中，mw是電機(jī)轉(zhuǎn)速，L是負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J是總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（包括電機(jī)慣量和負(fù)載慣量），B是摩擦系數(shù)。2.2.2永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)：永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制策略與異步電動(dòng)機(jī)矢量控制策略有些不同。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電源頻率嚴(yán)格同步，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速

14、等于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差恒等于零，沒有轉(zhuǎn)差功率，控制效果受轉(zhuǎn)子參數(shù)影響小。因此，在永磁同步電動(dòng)機(jī)上更容易實(shí)現(xiàn)矢量控制。（1）Id=0控制（磁場(chǎng)定向控制）Id=0控制是矢量控制中的一個(gè)特殊的控制方法，從電動(dòng)機(jī)端口看，相當(dāng)于一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，定子電流中只有交軸分量，且定子磁動(dòng)勢(shì)空間矢量與永磁體磁場(chǎng)空間矢量正交，即=90°，電機(jī)轉(zhuǎn)矩中只有永磁轉(zhuǎn)矩分量。（2）最大轉(zhuǎn)矩/電流控制最大轉(zhuǎn)矩/電流控制也稱單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制，是凸極式永磁同步電動(dòng)機(jī)用的較多的一種電流控制策略。對(duì)于隱極式永磁同步電機(jī)（大多數(shù)表貼式永磁電機(jī)）來說，最大轉(zhuǎn)矩/電流控制就是Id=0控制。電流矢量應(yīng)滿足的兩條件： （式

15、2.10） (式2.1)（式2.12）其中為電機(jī)的凸極率，=Lq/ Ld。實(shí)際系統(tǒng)中，開關(guān)信號(hào)是由轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的給定值與反饋值的偏差經(jīng)滯環(huán)比較得到。而轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的給定值是由電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈估算模型計(jì)算得到的。圖2.4 PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3）弱磁控制 弱磁控制的思想來自于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)磁控制（通過降低他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流大小，可拓寬其轉(zhuǎn)速范圍）。而對(duì)于永磁同步電機(jī)來說，勵(lì)磁磁場(chǎng)是永磁體產(chǎn)生，無法進(jìn)行調(diào)節(jié)，只有通過調(diào)節(jié)定子電流，即增加定子直軸去磁電流分量來維持高速運(yùn)行時(shí)電壓的平衡，達(dá)到弱磁擴(kuò)速的目的。 （式2.13）在同一電流極限圓上的A點(diǎn)和C點(diǎn)，轉(zhuǎn)矩也一致，但轉(zhuǎn)速卻是C

16、點(diǎn)更高。還有，如果按照最大轉(zhuǎn)矩/電流控制，在轉(zhuǎn)速為時(shí)只能做到Tem2大小的功率（B點(diǎn)），但是通過做弱磁控制，增大電機(jī)的直軸去磁電流，削弱了永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)，可以增大電機(jī)的輸入電流使轉(zhuǎn)矩提高到Tem1(C點(diǎn))達(dá)到了弱磁擴(kuò)速的目的。3.結(jié)論：永磁同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：具有高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性以及低噪聲的特點(diǎn),通過合理設(shè)計(jì)永磁磁路結(jié)構(gòu)能獲得較高的弱磁性能,提高電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍,因此在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)方面具有較高的應(yīng)用價(jià)值,受到國內(nèi)外電動(dòng)汽車界的高度重視。 缺點(diǎn)：價(jià)格較高，磁鋼價(jià)格較高；弱磁能力低，由于永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁體，無法調(diào)節(jié)，必須通過加定子直軸去磁電流分量來削弱磁場(chǎng)，這會(huì)增大定子的電流，增加電動(dòng)機(jī)的銅耗；起動(dòng)困難，高速制動(dòng)時(shí)電勢(shì)高，給逆變器帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。 日前，永磁同步電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾面: (1)無位置傳感器永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(2)具有磁場(chǎng)控制的永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) (3)輪式永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) (4)動(dòng)力傳動(dòng)一體化電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(電機(jī)、減速齒輪、傳動(dòng)軸)(5)雙饋電永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、損耗小、效率高，和直流電機(jī)相比，它沒有直流電機(jī)的換向器和電刷等缺點(diǎn)。和異步電動(dòng)機(jī)相比，它由于不需要無功勵(lì)磁電流，因而效率高，功率因數(shù)高，力矩慣量比大，定子電流和定子電阻損耗減小，且