電動(dòng)客車永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)與參數(shù)研究.pdf

1、為緩解能源短缺與環(huán)境污染問(wèn)題，純電動(dòng)汽車已成為當(dāng)今汽車產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展方向。作為純電動(dòng)汽車核心動(dòng)力來(lái)源的特殊牽引電機(jī)，內(nèi)置式永磁同步電機(jī)（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(diǎn)，成為牽引電機(jī)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。但實(shí)際牽引用大功率內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的控制，是一個(gè)小分母電機(jī)參數(shù)的控制問(wèn)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(jī)的控制精度。
　　驅(qū)動(dòng)電機(jī)本體研究難點(diǎn)在于實(shí)際牽引用大功率內(nèi)置式永磁同步電機(jī)輸出性能、設(shè)計(jì)、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(dòng)客車永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)與參數(shù)準(zhǔn)確計(jì)算。本文從車輛動(dòng)力特性需求與不同運(yùn)行區(qū)域下的控制性能要求出發(fā)，以純電動(dòng)城市客車為研究背景，對(duì)牽引用大功率內(nèi)置式永磁同步電機(jī)性能參數(shù)匹配設(shè)計(jì)、電機(jī)參數(shù)對(duì)控制性能的影響機(jī)理、結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理設(shè)計(jì)方法、滿足驅(qū)動(dòng)要求的牽引電機(jī)設(shè)計(jì)、核心

3、控制參數(shù)的計(jì)算方法與實(shí)驗(yàn)方法、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。論文的主要研究工作與成果如下：
　　1.純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)用 IPMSM的輸出特性與傳統(tǒng)燃油汽車內(nèi)燃機(jī)的輸出特性有很大區(qū)別，而純電動(dòng)汽車整車性能的優(yōu)劣不僅取決于組成汽車各個(gè)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(dòng)力學(xué)特性角度出發(fā)，建立純電動(dòng)汽車動(dòng)力特性評(píng)價(jià)指標(biāo)以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)關(guān)鍵性能參數(shù)約束模型，提出了一種電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)性能參

4、數(shù)匹配設(shè)計(jì)方法，為后續(xù)滿足特定純電動(dòng)汽車牽引要求的驅(qū)動(dòng)用IPMSM設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，也為純電動(dòng)汽車整車動(dòng)力參數(shù)匹配及整車性能優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要前提。
　　2.針對(duì)牽引用大功率內(nèi)置式永磁同步電機(jī)參數(shù)變化對(duì)控制輸出特性影響較大的問(wèn)題，本文采用標(biāo)幺值定義下的基波矢量法，對(duì)不同控制策略下?tīng)恳脙?nèi)置式永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)電機(jī)控制特性的影響機(jī)理進(jìn)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(jī)設(shè)計(jì)方法。該方法既能滿足純電動(dòng)客

5、車對(duì)低速區(qū)大轉(zhuǎn)矩輸出要求，又能滿足對(duì)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(dòng)客車驅(qū)動(dòng)用大功率內(nèi)置式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。
　　3.針對(duì)車輛牽引用永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)方法與普通定頻正弦波非調(diào)速用永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)方法之間存在顯著差異的問(wèn)題，本文系統(tǒng)分析了純電動(dòng)汽車牽引用永磁同步電機(jī)各種特殊要求與設(shè)計(jì)原則，在性能參數(shù)匹配設(shè)計(jì)與車輛布置空間約束等基礎(chǔ)上，提出了以滿足牽引電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩密度的定子裂比解析法，來(lái)確

6、定純電動(dòng)客車用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)定子結(jié)構(gòu)尺寸范圍；在此基礎(chǔ)上對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，根據(jù)所提出的增大交軸電感參數(shù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，采用有限元方法對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能分析，最終確定了樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果與主要參數(shù)。通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出驅(qū)動(dòng)電機(jī)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及性能分析方法的準(zhǔn)確性。
　　4.本文研究的純電動(dòng)客車牽引用大功率內(nèi)置式永磁同步電機(jī)，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不帶籠型阻尼導(dǎo)條，電機(jī)本身無(wú)自起動(dòng)能力，導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)

7、電機(jī)的有限元帶載起動(dòng)計(jì)算非常困難，增加了對(duì)該結(jié)構(gòu)電機(jī)性能預(yù)判與不同負(fù)載工況下控制參數(shù)準(zhǔn)確計(jì)算的難度。針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了一種確定帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子初始位置的方法，該方法通過(guò)確定電機(jī)功角特性曲線，計(jì)算出電機(jī)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)子初始位置，實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)帶載起動(dòng)的有限元計(jì)算，為樣機(jī)性能預(yù)判與直交軸電感參數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算提供了必要前提。
　　5.針對(duì)大功率內(nèi)置式永磁同步電機(jī)不同工作點(diǎn)直交軸電感參數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試非常困難的問(wèn)題，本文在系統(tǒng)分析與推導(dǎo)

8、內(nèi)置式永磁同步電機(jī)自感與互感系數(shù)的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，對(duì)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(dǎo)率法的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行深入研究，提出采用一種凍結(jié)磁導(dǎo)率法來(lái)修正樣機(jī)不同負(fù)載運(yùn)行工況下直交軸電感參數(shù)的變化，以滿足實(shí)際純電動(dòng)客車驅(qū)動(dòng)用大功率內(nèi)置式永磁同步電機(jī)控制參數(shù)變化的需要。在精確計(jì)算樣機(jī)負(fù)載飽和磁場(chǎng)基礎(chǔ)上，分別采用兩種不同有限元法計(jì)算了樣機(jī)不同負(fù)載工作點(diǎn)的直交軸電感參數(shù)，并采用靜態(tài)交流實(shí)驗(yàn)法對(duì)樣機(jī)直交軸電感參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，通

9、過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試值與兩種有限元計(jì)算值的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，樣機(jī)靜態(tài)實(shí)測(cè)值與忽略交叉飽和影響的靜態(tài)有限元計(jì)算值吻合較好，而凍結(jié)磁導(dǎo)率法的計(jì)算結(jié)果更接近于樣機(jī)不同負(fù)載點(diǎn)直交軸電感參數(shù)值，從而為純電動(dòng)汽車IPMSM控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試與仿真提供了一種較為準(zhǔn)確的直交軸電感參數(shù)計(jì)算方法。
　　6.本文在基于DSP的樣機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，搭建了樣機(jī)及其控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)樣機(jī)的基本參數(shù)、直交軸電感參數(shù)、空載及負(fù)載工作特性、弱磁性能等核心內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)