新型可调磁永磁无刷直流电动机在电动汽车中的应用

收稿日期:2004203215
基金项目:广东省电动汽车驱动装置实验室项目;广东省自然科学基金资助项目(970237)
作者简介:梁秀玲(19652),女,实验师,主要研究方向为电机及控制、电力电子技术1
新型可调磁永磁无刷直流电动机
在电动汽车中的应用
梁秀玲,李优新,王鸿贵,何鸿肃,刘方铭,姚　震
(广东工业大学信息工程学院,广东广州510643)
摘要:介绍了一种新的电动汽车驱动控制技术———可调磁永磁电机控制技术.并以一套自行研制的可调磁永磁无刷直流电动机介绍其电机结构和控制原理,最后给出实验结果.
关键词:可调磁;无刷直流电机;电动汽车;驱动系统
中图分类号:T M301.2;T M351 文献标识码:A 文章编号:100727162(2004)0420001204电动汽车作为绿色环保运输工具是解决环境污染和节省能源的重要途径,也是今后汽车发展的方向.电动汽车的研究与开发的重点在于高效率、高功率密度的驱动装置(电机及控制器)及高能电池.从各国的各大汽车公司推出的成品车来看,电动汽车驱动装置的采用呈多样化的格局.近年来由于性能优良的永磁材料的出现,功率电子器件和变频器的发展,具有高效率、高功率密度、宽调速范围的永磁无刷直流电动机获得电动汽车界的青睐.特别是可调磁无刷直流电动机控制系统,因可通过调磁,在适应不同负载方面具有无可比拟的优越性,成为电动汽车驱动电机中的强有力的竞争者.
1　电动汽车对驱动系统的要求
驱动系统作为电动汽车的心脏为其提供所需动力.不同用途的电动汽车对驱动系统的要求各不相同,选用最佳的驱动系统至关重要.它除了具有普通电气传动的共性外,还需满足如下要求1
1)驱动电机的功率质量比大、结构简单、坚固耐用、运行可靠.
2)驱动电机要适应汽车运行在不同的路面状况.必须具有较大的起动转矩以保证其具有很好的加速性能,较宽的恒功率范围以使电动汽车具有在高速公路行驶的能力.因而要求驱动控制系统的负载适应能力特别强.
3)要综合考虑既要有速度响应的快速性又要使汽车运行具有可靠性和舒适性.
4)驱动系统安装在车上,硬件设计时要充分考虑干扰、振动、甚至碰撞等因素.采取抗干扰、防振动等措施,使控制系统在常规振动中能正常工作,发生事故性冲击时损坏最小.
从以上要求可知,电动汽车驱动系统性能的好坏将直接影响整车的性能.本文以我校电动汽车驱动装置实验室研制的一套可调磁永磁无刷直流电动机驱动系统,介绍其电机结构和控制原理并给出实验结果.
第21卷第4期
2004年12月广东工业大学学报Journal of G u angdong U niversity of T echnology V ol.21N o.4December 2004
2　电动汽车可调磁永磁无刷直流电动机驱动系统
驱动系统由电机和控制器两部分组成,以下分别介绍.
2.1　电机结构及调磁原理
电机结构如图1.电机定子铁心分左右两部分并通过电机外壳相连,外壳同时作为磁路的一部分.两部分铁心之间留一环形槽以安放励磁线圈,定子绕组安放方式不变.与定子相对应,转子磁极也分成左右两部分,每部分装同极性的永磁极并与调磁极间隔安装.这样转子每极都由永磁极和调磁极组成.调磁极为励磁磁通提供低磁阻磁路,增磁或去磁由流过励磁线圈的电
流方向决定.转子铁心(包括调磁极)由一整块钢铁材料做成,永磁体采用表面安装[1].转子展开
图如图
2.
图1　电机结构图 图2　转子结构展开图
这种电机的特点是可以通过励磁电流调节磁场,克服了其它类型永磁电机不可调磁的缺点.其每对磁极磁路如图3、图
4.
图3　增磁磁路 图4　弱磁磁路
从上图3、4可知每一对合成磁极由一对永磁极和一对调磁极组成.磁极的总磁通<由永磁磁通<y 和励磁磁通<f 合成
<f 是励磁线圈产生的磁通量,其方向取决于励磁线圈的励磁电流I f 的方向.也就是说加入不同方向的I f 可以调节总磁通的强弱.其表达式
[2,3]为<=2<y +<f .
(1)根据磁路定律,励磁磁动势为
F f =W f I f .(2)
根据磁路欧姆定律,励磁磁通为
2广东工业大学学报第21卷
<f =F f ΠR mf .
(3)将式(2)代入式(3),得
<f =K f I f ,
(4)式(4)中的K f =W f ΠR mf 为常数W f 为励磁线圈匝数R mf 为励磁线圈磁阻.
将式(4)代入式(1),得
<=2<y +K f I f ,
(5)
式(5)即为总磁通与励磁电流的关系式.
2.2　可调磁永磁无刷直流电动机在电动车驱动控制方法控制速度和力矩是电动汽车驱动控制的主要任务.根据电机电压平衡方程
[4,5]和式(5)得:Ua =(C ey <y +C ef <f )n +R a I a =(C ey <y +C ey K f I f )n +R a I a .
(6)而电机工作在任一时刻的电磁转矩由电枢绕组、励磁线圈合成的磁场和转子永磁磁场相互作用而产生的,其式可表达为
T em =(C my <y +C my K f I f )I a 1(7)
将式(7)变换后代入式(6)的变换式得:
n =U a C ey <y +C ef K f I f -R a (C ey <y +C ef K f I f )(C my <y +C mf K f I f )T em ,(8)
式(8)即为可调磁永磁无刷直流电动机控制特征方程.式中T em 为电动机电磁转矩;U a 为电动机电枢电压;R a 电枢电阻;n 电机转速.
C ey 、C ef 分别为永磁部分、励磁部分电势常数,它们与线圈的匝数和极对数有关.
C my 、C mf 分别为永磁部分、励磁部分转矩常数,它们与线圈的匝数和极对数有关.
根据电机的磁路分析和式(7)、
(8),当电机不调磁时(I f =0),控制电枢电流就可以控制电磁转矩T em ,与普通的永磁无刷直流电动机控制方法相同.
当汽车运行在爬坡、爬坡超车工况(此时驱动系统运行在低速大力矩状态)时,控制系统可通过施加励磁电流I f 使电机运行在增磁的状态,电机力矩增大.
当电机运行在弱磁状态时电机运行在恒功率弱磁升速过程.此种状态适用于汽车运行在路面状况良好、轻载高速及瞬时高加速度状况.
可调磁无刷直流电动机驱动控制系统为适应汽车的不同工况,通过调整励磁电流来实现,这是采用其它永磁电机控制系统所不具有的优点.
2.3　电动汽车驱动控制系统的构成
电机控制系统的构成框图如图5.由永磁电机本体、控制电路(包括励磁控制)、大功率模块组成的主回路(功率器件采用IG BT ,600V ,800A )、速度及转子磁极位置检测4大部分组成.
其工作原理:系统借助转子位置检测器发出的转子位置信号,协调控制与电枢绕组相连的功率开关元件,使其导通或截止依次馈电,从而产生步进式旋转电枢磁场驱动永磁转子旋转.随着转子的旋转,位置检测器不断发出转子位置信号经逻辑解析电路处理控制电枢的磁状态和电机的换流,使电机保持产生大力矩.同时为满足电机运行在低速大力矩、或运行高于额定转速状态时,可根据汽车运行状态反馈信号来调节I f 的施加与否和方向,使电机满足汽车运行的要求.
电动汽车控制系统由上述电机控制系统、加速器踏板、制动踏板及制动器、传感器等控制装置以及减速器、差速器等传统传动装置共同组成.当驾驶员操纵加速器或制动器踏板时,即发出
3
第4期梁秀玲,等:新型可调磁永磁无刷直流电动机在电动汽车中的应用
图5　电机控制系统的构成框图
行驶工况或制动工况的指令.加速控制器与电机控制器速度给定相连,驾驶员根据汽车运行状态调节给定速度电位器和励磁控制开关,控制器跟随驾驶员的意图及控制指令执行,使大功率开关元件按命令实现对电机的速度和电流控制,以符合驾驶员操纵电动汽车行驶时的功率、扭矩和速度要求,以保证电动汽车起动、行驶的动力性和制动性处于最佳的状态.
3　实验结果
为适应电动汽车的需要,实验室试制了一套可调磁无刷直流电动机样机,安装在中巴车上试验.实验条件:
图6　实验电机的转速n、转矩T
em
、励磁
电流I
f 和汽车速度v的数据曲线
1)中巴参数:车质量5t;轮胎直径0.64
m;主变速比6.17;波箱最大变比:5.36(5挡
变速).
2)电机及控制器:额定功率30kW,电源
电压288V,电机基速3500rΠmin.控制器800
A,励磁电流0～10A.电机运行在U=240V,
电流、速度双闭环控制.
3)实验装置:直流电源、汽车测功器(汽
车路面运行摩擦力,风阻(平路768N),上坡
阻力(车重与上坡角度确定)等参数由该装
置给出).
图6为实验测量得到的电机转速n、转
矩T
em、励磁电流I f和汽车速度v的数据曲线.
从实验结果可得该电机通过调磁很好地实现了汽车低速大扭矩,高速恒功率的要求.该系统作为电动汽车驱动电机将具有广泛的应用前景.
(下转第36页)
[4]C Mads on,R G lenn.The Use of H M AC2M D5296within ESP and AH[DBΠO L].http:ΠΠw w ΠrfcΠrfc2403.
txt,2003204210.
[5]C Mads on,R G lenn.The Use of H M AC2SH A21296within ESP and AH[DBΠO L].http:ΠΠw w ΠrfcΠ
rfc2404.txt,2003204210.
The VPN Technology of Building Private N etw ork
over the Public N etw ork
C UI H ong2gang1,XIE G uo2bo1,X U Y ing2
(1.Faculty of C omputer,G uangdong University of T echnology,G uangzhou510090,China;
2.Wujing Senior High School,Changzhou213021,China)
Abstract:Virtual Private Netw orks promise to help organize support sales over the Internet m ore economi2 cally and safely.It can alm ost provide the same security,reliability,priority level and manageability as the private netw ork.It can be built over the IP netw ork,frame relay netw ork and AT M netw ork.The approach to build a VPN over the IP netw ork and correlation protocols are described.This paper gives an exam ple of VPN of G uangdong University of T echnology.
K ey w ords:Virtual Private Netw orks;tunnel;encryption;authentication
(上接第4页)
参考文献:
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TI ONA L　E LECTRIC　VEHIC LE　SY MPOSI UM(E VS218)[C],G ermany:Berlin,2001A2d:02820331
Application of a N e w Type of Brushless DC Motor With
Adjustable2magnetic Field in E lectric V ehicle
LI ANG X iu2ling,LI Y ou2xin,W ANG H ong2gui,HE H ong2su,LI U Fang2ming,Y AO Zhen
(Faculty of In formation Engineering,G uangdong University of T echnotogy,G uangzhou510643,China)
Abstract:The article presents a new kind of E V drive technology2adjustable2magnetic field m otor control technology1Such a home2made brushless DC m otor is used as a sam ple to analyse its structure and theory1 In the end,the experimental data of a prototype is given in the paper1
K ey w ords:adjustable2magnetic field;brushless DC m otor;electric vehicle;drive system。