混合动力电动汽车用永磁无刷直流电机设计与实现

混合动力电动汽车用永磁无刷直流电机的设计与实现
讲演人：方浩 学号：2110903073
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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。
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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。
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4.1电动运行控制
结合式(1)可得该回路的电压方程为
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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。
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4.2 发电运行控制
蓄电池吸收的能量为
We、WR、W’L分别为[t1,T]时间段的汽车动能经电机电磁功率转化的电能 和电机绕组发热消耗的电能以及电机电感2(L-M)释放的磁场能量。
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4.2 发电运行控制
设电机电感2(L-M)在[0,t1]时间段吸收的能量等于在[t1,T]时间段释 放的能量，即WL=W’L，结合式(8)和式(10) 得
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6 总结
通过试验验证，由本文论述的方法研制的混合动力电动汽车用稀土 永磁无刷直流电机不仅具有较高的重量比功率，而且集电动、发电及 制动功能于一体，在不改变电机结构和控制电路硬件的情况下，实现 了电动运行、发电运行及制动运行，适应了混合动力电动汽车驱动系 统的使用要求。
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4.2 发电运行控制
才能输出电功率，所以发电运行的控制方法是采用半控整流的PWM升 压工作原理，但是，在设计电机时应考虑到最高转速的发电输出电压 不大于蓄电池的额定电压UN，则低转速时的发电运行是让下半桥的功 率管V2、V4、V6按规律作PWM 工作产生泵升电压，当泵升电压 高于蓄电池的端电压时就输出电 能，这一过程全部由主控板控制。 发电运行控制信号波形如图8所示。
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The End！
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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。
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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。
令i=iA=-iB；Ud=uA-uB，Ud为电池电压；eA-eB=2E，E为梯形波气隙磁场 波形平顶大于120°时的相电势。则回路电流为：
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4.1电动运行控制
对V6进行PWM控制，就可控制电流的平均值，从而控制平均电 V6 PWM 磁转矩。这里分析了60°电角度的一个磁状态，对于其他五个磁状态 可同理分析。
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5 实验结果
对已研制的混合动力电动轿车用稀土永磁无刷直流电机样机进行 了调试试验，其实测结果如下： 额定电压： 336V 电动/发电功率： 23kW/5kW 电机重量比功率： 1.38kW/kg 电机最高转速： 5000r/min 系统最高效率： 89%（电机和控制器） 电机重量： 16.7kg 控制器重量： 6.8kg（水冷）
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4.2 发电运行控制
在[0,t1]时间段V4导通,如图9(a)所示，此时属电机电感储存磁场能 量的过程。由式(1)，令uA-uB=0，i=-iA=iB，得回路电压方程为
存储于电机电感2(L-M)的磁场能量为源自2010-10-721
4.2 发电运行控制
在[t1,T]时间段V4截止，如图9(b)所示，为续流作用向蓄电池充 电，此时属电机电感释放磁场能量的过程。由式(1)，令uA-uB=Ud， Ud为蓄电池端电压，i=-iA=iB，得回路电压方程为
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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。
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4.2 发电运行控制
在发电运行状态时，利 用主控板的控制信号将功率 主电路上半桥的功率管V1、 V3、V5全关闭，而下半桥的 功率管V2、V4、V6分别按一 定规律进行PWM控制，这样， 因上半桥续流二极管的存在， 其等效电路似同一个半控整 流电路。另外，因混合电动 汽车的电源是蓄电池，电机 在进入发电工作时，其发电 电压必须高于蓄电池电压
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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。
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2.3 控制系统组成
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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。
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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。
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4.3 制动控制
在制动状态时，其控制方法与发电运行时一样，不过这时候的发 动机不工作，而是将车辆的惯性动能转化为电能，通过电机电感的升 压作用，向蓄电池回馈能量，此时由于电机电流方向与电动运行时相 反，故获得制动性质的电磁转矩，实现汽车的能量回馈电气制动。这 种制动方式的平均制动强度与电机电流的平均值成正比，它可能达到 的最大制动强度与主功率电路的限流值及车速成正比。
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。
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4.2 发电运行控制
为了分析问题方便，选择与电动运行V1、V6导通对应的磁状态位 置，在发电运行时并不是V1、V6导通，而是V4导通，且脉宽调制工 作，取PWM的一个脉冲周期T进行分析。设导通时间为t1,则截止时间 为T-t1，结合图3和图5，当忽略V4、D1、D6的管压降时，V4在PWM 脉冲周期T内导通和截止的等效电路如图9所示。
当不考虑电流i和uAB的脉动，且忽略相电阻R时，由式(11)整理得
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4.2 发电运行控制
由上式可知，控制PWM占空比α的大小，即可使蓄电池两端的电 压uAB≥Ud，当然在主控板中以闭环控制的方式自动调整PWM的占空 比α ，满足uAB电压不超过蓄电池允许的最高充电电压，并满足发电电 流不超过蓄电池允许的最大充电电流。
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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。
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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。
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。 4
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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。