混合动力电动汽车用永磁无刷直流电机设计与实现详解.ppt

混合动力电动汽车用永磁无刷直流电机的设计与实现 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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，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状态。电动 运行控制信号波形如图6所示。 4.1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→V1→A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。 4.1电动运行控制 结合式(1)可得