混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)力電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究.pdf

1、傳統(tǒng)挖掘機(jī)采用發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。在工作過程中，由于挖掘機(jī)工況復(fù)雜、負(fù)載多變，造成了動(dòng)力系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)變化范圍大、燃油經(jīng)濟(jì)性低等問題。為了克服傳統(tǒng)挖掘機(jī)直驅(qū)式動(dòng)力系統(tǒng)的缺點(diǎn)，在傳統(tǒng)直驅(qū)式動(dòng)力系統(tǒng)中引入了動(dòng)力電機(jī)作為輔助動(dòng)力源協(xié)同發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成混合動(dòng)力系統(tǒng)用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載。在混合動(dòng)力系統(tǒng)中，動(dòng)力電機(jī)為系統(tǒng)的節(jié)能減排特性發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。但是，由于混合動(dòng)力挖掘機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)和工況特點(diǎn)，混合動(dòng)力挖掘機(jī)中的動(dòng)力電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需根據(jù)挖掘機(jī)實(shí)

2、際需求予以考慮。
　　論文以混合動(dòng)力挖掘機(jī)實(shí)際工況特點(diǎn)及系統(tǒng)性能要求為出發(fā)點(diǎn)，對混合動(dòng)力挖掘機(jī)中使用的動(dòng)力電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究，主要包括:為充分發(fā)揮混合動(dòng)力系統(tǒng)中各元器件的性能，提高系統(tǒng)整體燃油經(jīng)濟(jì)性，對動(dòng)力系統(tǒng)中各元器件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，尤其是針對動(dòng)力電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì);為實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電機(jī)高效率、高響應(yīng)以及低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的性能要求，綜合考慮了安裝尺寸、不可逆去磁、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、控制性能和成本等因素的影響，采用了參數(shù)化

3、電磁設(shè)計(jì)模型和有限元分析對其定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。研制動(dòng)力電機(jī)樣機(jī)并對其性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證;為提高動(dòng)力電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和抗供電電源電壓波動(dòng)的性能，分別對矢量控制器和直接轉(zhuǎn)矩控制器進(jìn)行了深入研究;最后，論文結(jié)合所設(shè)計(jì)動(dòng)力電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開展針對混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和節(jié)能特性研究。提出了一套混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略，并對其進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)動(dòng)力系統(tǒng)可有效穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)、提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，

4、驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)動(dòng)力電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對于改善混合動(dòng)力挖掘機(jī)操縱性和燃油經(jīng)濟(jì)性的有效性和可行性，有力地推動(dòng)了混合動(dòng)力系統(tǒng)在挖掘機(jī)中的實(shí)際應(yīng)用。
　　論文各章內(nèi)容分述如下：
　　第一章闡述了在當(dāng)前能源緊缺、環(huán)境惡化的背景下，基于混合動(dòng)力挖掘機(jī)開展其動(dòng)力電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究的重要意義;簡單說明了現(xiàn)有混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu);論述了當(dāng)前國內(nèi)外針對混合動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)和控制策略的研究現(xiàn)狀;分析了混合動(dòng)力汽車工況特點(diǎn)和汽車所使用的動(dòng)力電機(jī)的性能要求

5、，介紹了國內(nèi)外混合動(dòng)力汽車動(dòng)力電機(jī)的研究現(xiàn)狀;針對工程機(jī)械的特殊工況，介紹了混合動(dòng)力工程機(jī)械尤其是混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)力電機(jī)的研究現(xiàn)狀;綜述了永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)和控制方法;最后提出了課題的主要研究內(nèi)容。
　　第二章從總體上對混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了研究。以某20噸級液壓挖掘機(jī)為例，根據(jù)該挖掘機(jī)工作過程中的實(shí)測載荷譜，分析動(dòng)力系統(tǒng)作業(yè)工況特點(diǎn)，歸納系統(tǒng)主要性能評價(jià)指標(biāo)，包括節(jié)能性和操作性。分析挖掘機(jī)系統(tǒng)主要能耗形式，采用分析法和模型

6、法相結(jié)合的方式探討動(dòng)力系統(tǒng)中各元器件參數(shù)設(shè)計(jì)問題。根據(jù)所設(shè)計(jì)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)獲取動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)，為進(jìn)一步開展動(dòng)力電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究打下了基礎(chǔ)。
　　第三章對混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)力電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法展開了研究。分析并闡述了動(dòng)力電機(jī)的性能要求，提出采用內(nèi)置切向式和變氣隙相結(jié)合的方案作為動(dòng)力電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。動(dòng)力電機(jī)的設(shè)計(jì)以安裝尺寸為約束條件，以電機(jī)保持高動(dòng)態(tài)特性、高效率及低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的性能為設(shè)計(jì)目標(biāo)，對電機(jī)定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化

7、設(shè)計(jì):首先，建立電機(jī)定子參數(shù)化模型，確定電機(jī)定子尺寸和磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布關(guān)系，以電機(jī)安裝尺寸極限作為邊界約束條件，以電機(jī)額定工況下?lián)p耗最低為目標(biāo)函數(shù)，對模型采用粒子群算法進(jìn)行優(yōu)化獲取定子參數(shù)及磁感應(yīng)強(qiáng)度分布。再以氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度的波形畸變最小為目標(biāo)，利用有限元法對電機(jī)變氣隙轉(zhuǎn)子的離心率及永磁體尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)保證所獲得的電機(jī)磁感應(yīng)強(qiáng)度與定子的理論設(shè)計(jì)目標(biāo)值一致。分別對電樞反應(yīng)、永磁體最大去磁進(jìn)行了計(jì)算和校核。研制了動(dòng)力電機(jī)樣機(jī)并進(jìn)行了

8、性能和參數(shù)測試，測試結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)及優(yōu)化結(jié)構(gòu)的有效性。
　　第四章從電氣層面研究了基于矢量控制的動(dòng)力電機(jī)電流控制。為了降低直流母線電壓波動(dòng)對動(dòng)力電機(jī)的影響，設(shè)計(jì)了基于矢量控制的電機(jī)高性能運(yùn)行控制算法，使動(dòng)力電機(jī)運(yùn)行性能不受直流母線電壓變化的干擾;建立了基于矢量控制的高性能運(yùn)行動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，對所設(shè)計(jì)的控制方法進(jìn)行了仿真研究;搭建了混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)模擬加載試驗(yàn)臺(tái)架，通過試驗(yàn)分析了矢量控制的動(dòng)力電機(jī)對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響

9、，為動(dòng)力電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了依據(jù)。
　　第五章為提高動(dòng)力電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，進(jìn)一步對動(dòng)力電機(jī)的控制算法進(jìn)行研究。采用直接轉(zhuǎn)矩控制對動(dòng)力電機(jī)進(jìn)行控制。為了降低直流母線電壓波動(dòng)對動(dòng)力電機(jī)的影響，設(shè)計(jì)了基于直接轉(zhuǎn)矩控制的電機(jī)高性能運(yùn)行控制算法，使動(dòng)力電機(jī)運(yùn)行性能不受直流母線電壓變化的干擾;建立了基于直接轉(zhuǎn)矩控制的高性能運(yùn)行動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，對所設(shè)計(jì)控制方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證;開展了動(dòng)力電機(jī)采用直接轉(zhuǎn)

10、矩控制補(bǔ)償發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的試驗(yàn)研究，通過試驗(yàn)分析了采用直接轉(zhuǎn)矩控制的動(dòng)力電機(jī)對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。
　　第六章開展混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制研究。針對所設(shè)計(jì)動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)以及混合動(dòng)力挖掘機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)工況特點(diǎn)，在保證各元器件穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)最大程度的節(jié)能，論文提出采用以穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)為主，維持超級電容SOC為輔的基于規(guī)則的動(dòng)力系統(tǒng)控制策略對其進(jìn)行控制。結(jié)合前面章節(jié)所設(shè)計(jì)的動(dòng)力電機(jī)和控制器，搭建了混合動(dòng)