電動客車永磁同步電機設計與參數(shù)研究.pdf

1、為緩解能源短缺與環(huán)境污染問題，純電動汽車已成為當今汽車產(chǎn)業(yè)的一個重要發(fā)展方向。作為純電動汽車核心動力來源的特殊牽引電機，內(nèi)置式永磁同步電機（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor，IPMSM），以體積小、重量輕、高效率、高功率密度、高轉(zhuǎn)矩電流比以及弱磁范圍寬等優(yōu)點，成為牽引電機研究領域的熱點。但實際牽引用大功率內(nèi)置式永磁同步電機的控制，是一個小分母電機參數(shù)的控制問題，微小的參數(shù)差異將直接影

2、響到牽引用大功率內(nèi)置式永磁同步電機的控制精度。
　　驅(qū)動電機本體研究難點在于實際牽引用大功率內(nèi)置式永磁同步電機輸出性能、設計、參數(shù)的精確定量化研究，而精確定量化研究的核心是電動客車永磁同步電機設計與參數(shù)準確計算。本文從車輛動力特性需求與不同運行區(qū)域下的控制性能要求出發(fā)，以純電動城市客車為研究背景，對牽引用大功率內(nèi)置式永磁同步電機性能參數(shù)匹配設計、電機參數(shù)對控制性能的影響機理、結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理設計方法、滿足驅(qū)動要求的牽引電機設計、核心

3、控制參數(shù)的計算方法與實驗方法、系統(tǒng)實驗等關鍵問題進行了深入研究。論文的主要研究工作與成果如下：
　　1.純電動汽車驅(qū)動用 IPMSM的輸出特性與傳統(tǒng)燃油汽車內(nèi)燃機的輸出特性有很大區(qū)別，而純電動汽車整車性能的優(yōu)劣不僅取決于組成汽車各個核心部件的性能，更大程度上則是取決于各部件之間的協(xié)調(diào)與配合。本文從汽車動力學特性角度出發(fā)，建立純電動汽車動力特性評價指標以及驅(qū)動電機關鍵性能參數(shù)約束模型，提出了一種電動汽車驅(qū)動用內(nèi)置式永磁同步電機性能參

4、數(shù)匹配設計方法，為后續(xù)滿足特定純電動汽車牽引要求的驅(qū)動用IPMSM設計奠定了基礎，也為純電動汽車整車動力參數(shù)匹配及整車性能優(yōu)化設計提供了重要前提。
　　2.針對牽引用大功率內(nèi)置式永磁同步電機參數(shù)變化對控制輸出特性影響較大的問題，本文采用標幺值定義下的基波矢量法，對不同控制策略下牽引用內(nèi)置式永磁同步電機設計參數(shù)對電機控制特性的影響機理進行了深入分析，提出了一種增大交軸電感參數(shù)的牽引用內(nèi)置式永磁同步電機設計方法。該方法既能滿足純電動客

5、車對低速區(qū)大轉(zhuǎn)矩輸出要求，又能滿足對高速區(qū)寬弱磁范圍的要求，為滿足特定牽引要求的純電動客車驅(qū)動用大功率內(nèi)置式永磁同步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計奠定了理論基礎。
　　3.針對車輛牽引用永磁同步電機的設計方法與普通定頻正弦波非調(diào)速用永磁同步電機的設計方法之間存在顯著差異的問題，本文系統(tǒng)分析了純電動汽車牽引用永磁同步電機各種特殊要求與設計原則，在性能參數(shù)匹配設計與車輛布置空間約束等基礎上，提出了以滿足牽引電機最大轉(zhuǎn)矩密度的定子裂比解析法，來確

6、定純電動客車用內(nèi)置式永磁同步電機定子結(jié)構(gòu)尺寸范圍；在此基礎上對驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)進行了設計，根據(jù)所提出的增大交軸電感參數(shù)驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設計方法，采用有限元方法對驅(qū)動電機進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計及性能分析，最終確定了樣機結(jié)構(gòu)設計結(jié)果與主要參數(shù)。通過樣機實驗驗證了所提出驅(qū)動電機本體結(jié)構(gòu)設計方法及性能分析方法的準確性。
　　4.本文研究的純電動客車牽引用大功率內(nèi)置式永磁同步電機，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不帶籠型阻尼導條，電機本身無自起動能力，導致該結(jié)構(gòu)

7、電機的有限元帶載起動計算非常困難，增加了對該結(jié)構(gòu)電機性能預判與不同負載工況下控制參數(shù)準確計算的難度。針對以上問題，本文提出了一種確定帶負載運行時轉(zhuǎn)子初始位置的方法，該方法通過確定電機功角特性曲線，計算出電機起動時的轉(zhuǎn)子初始位置，實現(xiàn)了樣機帶載起動的有限元計算，為樣機性能預判與直交軸電感參數(shù)的準確計算提供了必要前提。
　　5.針對大功率內(nèi)置式永磁同步電機不同工作點直交軸電感參數(shù)的準確計算與實驗測試非常困難的問題，本文在系統(tǒng)分析與推導

8、內(nèi)置式永磁同步電機自感與互感系數(shù)的數(shù)學模型基礎上，對忽略交叉飽和影響的靜態(tài)有限元法與考慮交叉飽和影響的凍結(jié)磁導率法的內(nèi)在機理進行深入研究，提出采用一種凍結(jié)磁導率法來修正樣機不同負載運行工況下直交軸電感參數(shù)的變化，以滿足實際純電動客車驅(qū)動用大功率內(nèi)置式永磁同步電機控制參數(shù)變化的需要。在精確計算樣機負載飽和磁場基礎上，分別采用兩種不同有限元法計算了樣機不同負載工作點的直交軸電感參數(shù)，并采用靜態(tài)交流實驗法對樣機直交軸電感參數(shù)進行了實驗測量，通

9、過實驗測試值與兩種有限元計算值的對比分析發(fā)現(xiàn)，樣機靜態(tài)實測值與忽略交叉飽和影響的靜態(tài)有限元計算值吻合較好，而凍結(jié)磁導率法的計算結(jié)果更接近于樣機不同負載點直交軸電感參數(shù)值，從而為純電動汽車IPMSM控制系統(tǒng)實驗測試與仿真提供了一種較為準確的直交軸電感參數(shù)計算方法。
　　6.本文在基于DSP的樣機驅(qū)動控制系統(tǒng)方案設計基礎上，搭建了樣機及其控制系統(tǒng)實驗平臺，對樣機的基本參數(shù)、直交軸電感參數(shù)、空載及負載工作特性、弱磁性能等核心內(nèi)容進行實驗