现代电机设计与控制技术交流

目前全球十大畅销电动汽车简介 NO4
NO4 德国 宝马 ActiveE
宝马 ActiveE电动汽车是以BMW 1系双门轿跑车为基础研发出的纯电力驱动车， 拥有和宝马 1系双门轿跑车一样的舒适性。它以32千瓦时高压锂离子电池储存能量， 使用220伏/32安电源充满电量只需4~5个小时，而160公里的平均续航里程，能满 足包括上下班在内的城市出行需求。BMW ActiveE的售价在87.8万元左右。 58
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2、电动汽车的现状
口述
2011北京国际车展感受
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目前全球十大畅销电动汽车简介 NO1
NO1 美国 特斯拉 Model S 特斯拉一出生便拥有了Elon Musk的天才和执着的基因，特斯拉 Model S(报价、 图片)目测将在市场上掀起一股不小的动静，而特斯拉豪华电动车也被媒体称为电动 汽车中的又一个“苹果”，果然真如此，Tesla Model S 车型的续航里程达300英里 （约480公里），价格也在5~6万美元左右，特斯拉Model S为目前为止全球最火爆的 电动汽车。 55
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剖分及有限元模型实例
图5 有限元分析应用例图 10
问题三：什么是现代产品开发？
现代产品开发过程 产品开发过程大体分为设计、分析和制造 三个重要环节。
图6 现代产品开发流程图 11
现代电机设计过程
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现代电机设计过程2(现代设计流程)
图7 现代电机设计流程图 13
二、异步电机设计及其控制技术
目前全球十大畅销电动汽车简介 NO5
NO5 中国 上海荣威E50 荣威E50的电池组总计容量为18千瓦时，60公里/时均速工况下，续航里程为180公 里，还采用了轻量化设计，总重量还不到230公斤，占整车重量的1/5，寿命长达2000 次以上完全充放电，厂家为其提供5年或10万公里免费质保，凡在电池质保期内损耗率 超过20%均可免费更换新电池。荣威E50价格在12~23.49元之间，北京、上海等城市享 有国家和地方财政补贴8-12万元。 59
CA 的物理意义： 反映产生单位计算转矩所耗用的有效材料（铜、铝或电 工钢）的体积，并在一定程度上反映了结构材料的耗用量。
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三种异步电机设计的几个问题
问题一： 工频异步电机、变频异步电机、FOC控制异步电 机设计有何异同？ 问题二： 工频异步电机、变频异步电机、FOC控制异步电 机设计的难易程度是否相同？ 问题三： 工频异步电机、变频异步电机、FOC控制异步电 机的试验过程有何异同？
2.1 三相异步电机介绍 转子磁场与定子磁 场不同步，落后于定 子磁场，形成转差。
(式1)
图1三相异步电机模型图
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2.2 三相异步电动机的T型等效电路图
空载试验？ 堵转试验？
Rm、 Xm、pm、pFe R1、R2’、X1、X2’
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2.3 异步电动机的向量图
异步动电机向量图的作用？
简单小结
基于机电一体化电机与传统电机的差别， 在设计过程中，必须基于系统角度对电机 性能进行设计，同时，必须考虑控制器对 电机性能的耦合因素； 控制策略； 调制方式； 控制器参数。
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四、电动汽车的历史、现状与未来
1、电动汽车的历史
图1 电动汽车发展历程图
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1834年世界上第一辆电动汽车
三、永磁电机及其控制技术
1、永磁同步电机的种类 永磁同步电机的种类繁多，按照定子绕组感应 电动势的波形的不同，可以分为： 梯形波永磁同步电机(BLDCM) 正弦波永磁同步电机(PMSM) 按照转子结构形式，可以分为： 表贴式永磁同步电机 内嵌式永磁同步电机等…
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2、永磁同步电机的结构形式1
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如何确定PMSM的设计指标1
指标分配的主要内容
• • • • • • •
空载反电势 波形畸变率 齿槽转矩 电枢反应 额定电压 弱磁性能 高效区域
图2 反电势初始取值参考图
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如何确定PMSM的设计指标2
指标的设计原则
• • • • • • 额定电压：根据工况首要确定的参数； 空载反电势：根据基本性能计算得到的参数； 空载静磁场；对冲片要进行优化设计； 波形畸变率：越小越好； 齿槽转矩：越小越好； 电枢反应：判断负载工况，选择合理的控制策略， 不能过饱和； • 弱磁性能：根据要求选择合适的磁钢结构。
图2 西博兰斯.斯特町 1834发明
第一辆电动车是由安德森在1832到1839年之间发明的。这辆电动车所用的 蓄电池比较简单，是不可再充的。随后，斯特町应用法拉第电磁感应原理组装 了一台电动三轮车，电磁感应原理在这辆电动车上的应用开启了新技术在电动 车的用之门。 51
1873年世界上第一辆可供实用的电动汽车
构、控制器参数可以改变相同工况下的电机性能。
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为什么在PMSM中要考虑控制器 因素一
供电电源变频变压
图2 控制影响对比图1
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为什么在PMSM中要考虑控制器 因素二
控制器参数、控制策略、调制技术影响电机的稳 态运行性能；
图3 控制影响对比图2
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为什么在PMSM中要考虑控制器 因素三
图0.2 减成本分析图 4
一、仿真技术与现代电机设计
图1 异步电动机磁场云图
图2 输出转矩曲线
图3 绕组电流曲线
图4 转速曲线
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问题一： 什么是仿真？ 问题二： 什么是有限元分析？ 问题三： 什么是现代电机设计？
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问题一：什么是仿真？
仿真（simulation），即使用项目模型 对项目的具体功能进行实际模拟，根据目标 （技术指标）要求对模拟结果进行判断。 模拟过程 模拟结果 要求目标 项目仿真的硬件是计算机，软件是基于 某种项目某种特性的专业分析软件。
图1 表贴式结构
图2 内嵌式结构
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2、永磁同步电机的结构形式2*
图3 其他结构形式1
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2、永磁同步电机的结构形式3 *
图3 其他结构形式2
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2、永磁同步电机的结构形式4 *
图3 其他结构形式3
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2、永磁同步电机的结构形式5 *
图3 其他结构形式4
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3、交流永磁电机驱动系统的特点
优点：采用稀土永磁励磁，效率高，功率密度大，重量轻，
(式1)
上式的前半部分称为基本电磁功率，由永磁磁场与电枢
磁场相互作用产生；后半部分因凸极效应产生，称为附加电 磁功率或磁阻功率。
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6、表征永磁同步电机性能的几条曲线1
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6、表征永磁同步电机性能的几条曲线2
图4
图5
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3、永磁同步电动机的典型向量图
图6 容性去磁
图7 中性去磁 图8 感性去磁
图3 英国人 罗伯特•戴维森 1873年发明
早在19世纪后半叶的1873年，英国人罗伯特•戴维森制作了世界上 最初的可供实用的电动汽车。这比德国人戴姆和本茨发明汽油发动机汽 车早了10年以上。
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1895年世纪之战“第一届国际汽车大奖赛”
ICV
BEV
图4 世纪PK ICV胜出
1895年6月11日，第一届国际汽车大奖赛在法国巴黎举 行，全程 1135 公里。蒸汽车夺得冠军，历时 48 小时 47 分钟， 平均时速为 23 公里。尽管电动车因续驶里程问题未能完成 比赛，但是，这辆电动车的参赛向世人证明了电动车的可 靠性，是电动汽车史上一个重要的里程碑。
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公司目前的仿真软件情况
电机本体设计 电机电磁场专业仿真分析软件Easimotor； 电机机械设计 机械结构力学专业仿真分析软件Ansys； 电机控制系统设计 电机及控制系统仿真设计软件Matlab Simulink；
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问题二：什么是有限元分析？
有限元分析(FEA)的基本概念： 用较简单的问题代替复杂问题后再求解。 它将求解域看成是由许多称为有限元的小的 互连子域组成，对每一单元假定一个合适的 近似解，然后推导求解这个域总的满足条件 ，从而得到问题的解。
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在PMSM设计重要考虑控制器的哪些因素1？
控制策略(控制算法) 控制策略对电机稳态性能的影响
图1 PMSM 控制策略对电机性能的影响图
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在PMSM设计重要考虑控制器的哪些因素2？
调制技术 PMSM的常用调制技术 • SPWM(540/2) • SVPWM(540/1.732)
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电机齿槽转矩、反电动势纹波、谐波电流综合作 用产生转矩脉动；
图3 电机本体影响图
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为什么在PMSM中要考虑控制器 因素四
边频带谐波电流产生电磁噪音，控制器与电机综 合作用产生的电磁噪音；
图4 调制指数不同噪音对比图
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如何确定PMSM的设计指标
确定设计指标的基本流程
图1 PMSM设计基本流程图
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7、电压极限圆与电流极限圆和电机控制的关系
图9 弱磁控制与最大转矩电流比控制 a) 表贴式 b) 内嵌式
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电动汽车专用电机对比分析
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一体化设计的缘由
图1 电动机矢量控制系统框图
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设计思路的转变 为什么在PMSM中要考虑控制器？
PMSM电机的运行状态由控制器唯一决定，控 制器根据电机的运行转速、负载指令、根据内部控 制策略、控制算法与调制技术唯一决定电机的运行 状态。不同的控制策略、控制算法以及功率拓扑结
目前全球十大畅销电动汽车简介 NO3
NO3 中国 比亚迪 e6 比亚迪e6用良好的性能和出众的品质，获得了很多人的认可。电力驱动是e6车最 大的特点。在全功率下，e6的0～100km/h的时间少于10s，最高时速被限定在140km， 在驾驶感受方面完全可以和传统汽车媲美。e6单次充电综合行驶里程可达300公里， 是目前世界上续驶里程最长的纯电动车，百公里耗电量为21.5度，相比传统能源汽车 可以节省近60%的使用费用。该车的官方指导价为：36.98万-39.98万。 57
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简单小节
我公司所涉及异步电机的类型 高压、油机、煤机、电动汽车用三相异步电机； 我公司所涉及异步电机的控制方式； 开环不变频、开环变频、闭环FOC 我公司所涉及异步电机的试验； 常规高压三相异步电机试验； 变频考核+常规三相异步电机试验； 全工况考核三相异步电机试验(控制器)。
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图7 基于转子磁场定向的异步电机矢量控制原理图
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2.5 异步电机的三种主要运行方式3（FOC参设）
图8 基于转子磁场定向的异步电机矢量控制参数设置框图 20
2.5 异步电机的三种主要运行方式4（性能对比）
表1 异步电机三种主要运行方式性能对比表
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2.6 交流电机设计经典公式
(式2)
(式3)
体积小； 缺点：电机运行时温升不能太高，容易导致退磁；散热要求
高，成本高；
特点： 无刷直流：控制器简单，输出转矩大，转矩脉动大，弱磁调
速技术还不成熟；
永磁同步：转矩脉动小；调速性能好，弱磁调速范围宽，控 制器复杂。
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4、永磁同步电机的电磁功率
如果忽略电枢电阻的影响，则
m E0U m U2 1 1 sin 2 Pe sin Xd 2 X X q d
目前全球十大畅销电动汽车简介 NO2
NO2 美国 特斯拉 Roadster 特斯拉 Roadster是第一辆使用锂电池技术每次充电能够行驶320公里以上的电动车。 该项世界纪录（501公里）也是由Roadster在2009年10月27日澳洲举办的Global Green Challenge上创立的。100公里加速时间仅为3.7秒。根据08年9月的报道，Roadster每公里 耗电量为0.135度（千瓦时），效率高达92%。Roadster的美国最低售价为109000美元。 在欧洲大陆的最低售价为84000欧元。身为电动车，Roadster在欧洲也有资格享有政府补 贴。 56
现代电机设计与控制技术
主要内容
一、仿真技术与现代电机设计2-13
二、异步电机设计及其控制技术14-24
三、永磁电机设计及其控制技术25-49
四、电动汽车的历史、现状与未来50-65
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引子1：传统电机设计方法的缺陷（磁路法）
图0.1 局限原因分析图
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引子2：磁路法困难重重
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引子3：研发新型电机、降成本的必然选择？FEM
图2 异步动电机向量图
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2.4 异步电机的三种主要运行方式
交流电网直接驱动运转
V/F转速开环运转
FOC矢量控制运转
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2.5 异步电机的三种主要运行方式1（性能对比）
图3 交流电网直接供电
图4 V/F转速开环运转
图5 FOC矢量运转1
图6 FOC矢量运转2
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2.5 异步电机的三种主要运行方式2（FOC框图）