混合動(dòng)力電動(dòng)汽車用永磁無刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、2022-6-211混合動(dòng)力電動(dòng)汽車用永磁無刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車用永磁無刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2022-6-212引言 按照混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的使用要求，研制出集電動(dòng)/發(fā)電功能于一體的稀土永磁無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 本文介紹了該混合動(dòng)力電動(dòng)汽車用稀土永磁無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法，通過樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。2022-6-2131 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車概述 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車同時(shí)擁有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)，如圖1所示。2022-6-2141 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車概述 車輛在起步或輕載工況時(shí)，由電動(dòng)機(jī)作驅(qū)動(dòng)。當(dāng)車輛在正常行駛工況時(shí)，根據(jù)行駛所需的功率，由發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)單獨(dú)工

2、作或共同工作，若發(fā)動(dòng)機(jī)功率大于行駛所需功率，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)，輸出電能給蓄電池充電。當(dāng)車輛爬坡或超速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)一起工作，共同驅(qū)動(dòng)車輪。當(dāng)車輛減速或剎車時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為發(fā)電工作，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存于蓄電池中。2022-6-2151 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車概述 因?yàn)殡p驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的存在，使得混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的總體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其在轎車中應(yīng)用，受安裝空間的限制，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體積尺寸要求特別苛刻，不僅要求電機(jī)具有較高的重量比功率，而且既能作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，還能作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，在減速制動(dòng)時(shí)，即使轉(zhuǎn)速較低，也希望電機(jī)能發(fā)出高于蓄電池的電壓給蓄電池充電。2022-6-2162 系統(tǒng)組成2.1 組成及特

3、點(diǎn) 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車用稀土永磁無刷直流電機(jī)系統(tǒng)在基本構(gòu)成的外部形式上與普通無刷直流電機(jī)一樣，主要由永磁電機(jī)本體、功率電子換向控制器及轉(zhuǎn)子位置傳感器等組成。 但在工作方式的表現(xiàn)上兩者不同，前者是為了適應(yīng)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的各種運(yùn)行狀態(tài)，除了能作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行輸出動(dòng)力外，還能作發(fā)電機(jī)運(yùn)行輸出電能，頻繁地進(jìn)行電動(dòng)和發(fā)電可逆工作。2022-6-2172.2 永磁電機(jī)本體結(jié)構(gòu) 已研制的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車用稀土永磁無刷直流電機(jī)本體的主要特點(diǎn)是軸向厚度尺寸小、重量輕、輸出功率大、效率高。為了提高輸出功率和增大輸出轉(zhuǎn)矩，在結(jié)構(gòu)方案上盡可能地考慮縮小電機(jī)繞組端部長度，讓出有效空間。為了減輕電機(jī)重量，在保證機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和

4、電磁性能的前提下，盡可能地去掉無用部分材料，并采用徑向結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子形式，如圖2所示。2022-6-2182.3 控制系統(tǒng)組成 已研制的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車用稀土永磁無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)為水冷結(jié)構(gòu)形式，采用模塊化設(shè)計(jì)的數(shù)字控制技術(shù)，具有體積小、輸出功率大，集電動(dòng)控制、發(fā)電控制、制動(dòng)控制于一體的特點(diǎn)，該控制系統(tǒng)的基本組成原理如圖3所示。2022-6-2192.3 控制系統(tǒng)組成 永磁電機(jī)本體的定子為三相繞組星形連接，控制系統(tǒng)由功率主電路和主控板構(gòu)成，功率主電路是由IGBT大功率模塊構(gòu)成三相逆變橋，主控板是由電機(jī)控制專用的DSP芯片TMS320F240及輔助電路和驅(qū)動(dòng)電路等組成，接收上位機(jī)的信號(hào)，由該控制

5、系統(tǒng)完成電動(dòng)控制,發(fā)電控制及制動(dòng)控制等功能。2022-6-21103 電機(jī)本體設(shè)計(jì)分析3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 本文以有限元法為基礎(chǔ)，采用場-路結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行多方案的計(jì)算比較和優(yōu)化選擇。其優(yōu)化設(shè)計(jì)基本框圖如圖4所示。2022-6-21113.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 具體是以電機(jī)有關(guān)幾何尺寸為設(shè)計(jì)變量，以電機(jī)有關(guān)電磁參量和性能指標(biāo)為函數(shù)約束，以電機(jī)的輸出功率、效率、體積等為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行準(zhǔn)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得電機(jī)在可行域內(nèi)，輸出功率盡可能的大，效率盡可能的高，而體積卻盡可能的小。利用已有的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，對(duì)該電機(jī)進(jìn)行可行方案的尋優(yōu)計(jì)算。2022-6-21123.2 電路分析數(shù)學(xué)模型假設(shè)電機(jī)三相繞組

6、完全對(duì)稱，且認(rèn)為感應(yīng)電勢的氣隙磁場波形為大于120平頂寬度的梯形波，則電機(jī)繞組的自感和互感可認(rèn)為常數(shù)，該電機(jī)等效電路可描述為如圖5所示，R為一相電阻,L-M 為一相繞組等效電感，eA、eB、eC分別為A、B、C相繞組反電勢，uA、uB、uC分別為A、B、C 相繞組端電壓。2022-6-21133.2 電路分析數(shù)學(xué)模型 該電機(jī)等效電路的電壓平衡方程式可表示為 且 電磁轉(zhuǎn)矩為式中為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度。2022-6-21144 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析4.1電動(dòng)運(yùn)行控制 在電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，采用兩相導(dǎo)通六狀態(tài)的控制方式，任一時(shí)刻只有兩只功率開關(guān)管導(dǎo)通，分別屬于上半橋和下半橋，但不處于同一橋臂，在調(diào)速控制時(shí)，只有下

7、半橋功率開關(guān)管工作于PWM狀態(tài)。電動(dòng)運(yùn)行控制信號(hào)波形如圖6所示。2022-6-21154.1電動(dòng)運(yùn)行控制 以V1和V6導(dǎo)通的磁狀態(tài)為例，工作回路為蓄電池正極V1A相繞組B相繞組 V6 蓄電池負(fù)極。當(dāng)忽略導(dǎo)通管的壓降，結(jié)合圖3和圖5可將該磁狀態(tài)的電動(dòng)運(yùn)行等效電路描述為如圖7所示。2022-6-21164.1電動(dòng)運(yùn)行控制結(jié)合式(1)可得該回路的電壓方程為令i=iA=-iB；Ud=uA-uB，Ud為電池電壓；eA-eB=2E，E為梯形波氣隙磁場波形平頂大于120時(shí)的相電勢。則回路電流為：2022-6-21174.1電動(dòng)運(yùn)行控制 對(duì)V6進(jìn)行PWM控制，就可控制電流的平均值，從而控制平均電磁轉(zhuǎn)矩。這里分

8、析了60電角度的一個(gè)磁狀態(tài)，對(duì)于其他五個(gè)磁狀態(tài)可同理分析。2022-6-21184.2 發(fā)電運(yùn)行控制 在發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，利用主控板的控制信號(hào)將功率主電路上半橋的功率管V1、V3、V5全關(guān)閉，而下半橋的功率管V2、V4、V6分別按一定規(guī)律進(jìn)行PWM控制，這樣，因上半橋續(xù)流二極管的存在，其等效電路似同一個(gè)半控整流電路。另外，因混合電動(dòng)汽車的電源是蓄電池，電機(jī)在進(jìn)入發(fā)電工作時(shí)，其發(fā)電電壓必須高于蓄電池電壓2022-6-21194.2 發(fā)電運(yùn)行控制 才能輸出電功率，所以發(fā)電運(yùn)行的控制方法是采用半控整流的PWM升壓工作原理，但是，在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)應(yīng)考慮到最高轉(zhuǎn)速的發(fā)電輸出電壓不大于蓄電池的額定電壓UN，則低

9、轉(zhuǎn)速時(shí)的發(fā)電運(yùn)行是讓下半橋的功率管V2、V4、V6按規(guī)律作PWM工作產(chǎn)生泵升電壓，當(dāng)泵升電壓高于蓄電池的端電壓時(shí)就輸出電能，這一過程全部由主控板控制。發(fā)電運(yùn)行控制信號(hào)波形如圖8所示。2022-6-21204.2 發(fā)電運(yùn)行控制 為了分析問題方便，選擇與電動(dòng)運(yùn)行V1、V6導(dǎo)通對(duì)應(yīng)的磁狀態(tài)位置，在發(fā)電運(yùn)行時(shí)并不是V1、V6導(dǎo)通，而是V4導(dǎo)通，且脈寬調(diào)制工作，取PWM的一個(gè)脈沖周期T進(jìn)行分析。設(shè)導(dǎo)通時(shí)間為t1,則截止時(shí)間為T-t1，結(jié)合圖3和圖5，當(dāng)忽略V4、D1、D6的管壓降時(shí)，V4在PWM脈沖周期T內(nèi)導(dǎo)通和截止的等效電路如圖9所示。2022-6-21214.2 發(fā)電運(yùn)行控制 在0,t1時(shí)間段V4導(dǎo)

10、通,如圖9(a)所示，此時(shí)屬電機(jī)電感儲(chǔ)存磁場能量的過程。由式(1)，令uA-uB=0，i=-iA=iB，得回路電壓方程為存儲(chǔ)于電機(jī)電感2(L-M)的磁場能量為2022-6-21224.2 發(fā)電運(yùn)行控制 在t1,T時(shí)間段V4截止，如圖9(b)所示，為續(xù)流作用向蓄電池充電，此時(shí)屬電機(jī)電感釋放磁場能量的過程。由式(1)，令uA-uB=Ud，Ud為蓄電池端電壓，i=-iA=iB，得回路電壓方程為2022-6-21234.2 發(fā)電運(yùn)行控制蓄電池吸收的能量為We、WR、WL分別為t1,T時(shí)間段的汽車動(dòng)能經(jīng)電機(jī)電磁功率轉(zhuǎn)化的電能和電機(jī)繞組發(fā)熱消耗的電能以及電機(jī)電感2(L-M)釋放的磁場能量。2022-6-2

11、1244.2 發(fā)電運(yùn)行控制 設(shè)電機(jī)電感2(L-M)在0,t1時(shí)間段吸收的能量等于在t1,T時(shí)間段釋放的能量，即WL=WL，結(jié)合式(8)和式(10)得當(dāng)不考慮電流i和uAB的脈動(dòng)，且忽略相電阻R時(shí)，由式(11)整理得2022-6-21254.2 發(fā)電運(yùn)行控制 由上式可知，控制PWM占空比的大小，即可使蓄電池兩端的電壓uABUd，當(dāng)然在主控板中以閉環(huán)控制的方式自動(dòng)調(diào)整PWM的占空比 ，滿足uAB電壓不超過蓄電池允許的最高充電電壓，并滿足發(fā)電電流不超過蓄電池允許的最大充電電流。2022-6-21264.3 制動(dòng)控制 在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其控制方法與發(fā)電運(yùn)行時(shí)一樣，不過這時(shí)候的發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，而是將車輛的慣性動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，通過電機(jī)電感的升壓作用，向蓄電池回饋能量，此時(shí)由于電機(jī)電流方向與電動(dòng)運(yùn)行時(shí)相反，故獲得制動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)汽車的能量回饋電氣制動(dòng)。這種制動(dòng)方式的平均制動(dòng)強(qiáng)度與電機(jī)電流的平均值成正比，它可能達(dá)到的最大制動(dòng)強(qiáng)度與主功率電路的限流值及車速成正比。2022-6-21275 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 對(duì)已研制的混合動(dòng)力電動(dòng)轎車用稀土永磁無刷直流電機(jī)樣機(jī)進(jìn)行了調(diào)試試驗(yàn)，其實(shí)測結(jié)果如下：額定電壓： 336V電動(dòng)/發(fā)電功率： 23kW/5kW電機(jī)重量比功率： 1.38kW/kg電機(jī)最高轉(zhuǎn)速： 5000r/min系統(tǒng)最高效率： 89%（電機(jī)和控制器）電