電動(dòng)汽車用雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)研究.pdf

1、隨著環(huán)境污染及石油危機(jī)的加劇，電動(dòng)汽車的研發(fā)得到廣泛重視，在目前車載蓄電池技術(shù)未得突破的前提下，電動(dòng)汽車的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是研究重點(diǎn)，顯然電動(dòng)汽車的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)依賴于不同類型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。盡管永磁無(wú)刷電機(jī)在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)中具有綜合優(yōu)勢(shì)，但其固有的難以實(shí)現(xiàn)弱磁擴(kuò)速，從而難以實(shí)現(xiàn)較低逆變器容量下的低速大轉(zhuǎn)矩和高速小轉(zhuǎn)矩輸出的缺陷，影響到電動(dòng)汽車性能的進(jìn)一步提高。因此，隨著電動(dòng)汽車對(duì)電機(jī)性能要求的不斷提高，需要開(kāi)發(fā)研究具有新結(jié)構(gòu)、新概念的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。雙定子

2、永磁無(wú)刷電機(jī)是近幾年提出的一種新型永磁無(wú)刷電機(jī)，因其具有雙定子結(jié)構(gòu)，大大改善了傳統(tǒng)永磁無(wú)刷電機(jī)的性能，在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)中具有重要應(yīng)用價(jià)值，目前對(duì)該種電機(jī)的研究相對(duì)較少，因此本文基于電動(dòng)汽車應(yīng)用對(duì)雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行深入分析研究，主要包括以下幾部分內(nèi)容:
　　(1)分析了雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)適合用于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)原理及其性能的優(yōu)越性。
　　雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)由內(nèi)定子、中間轉(zhuǎn)子、外定子嵌套而成，可以看作是一個(gè)外轉(zhuǎn)子永磁無(wú)刷電機(jī)

3、和一個(gè)內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁無(wú)刷電機(jī)的合成。與傳統(tǒng)的單定子永磁無(wú)刷電機(jī)相比，雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)不但具有一般永磁無(wú)刷電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，且在相同的體積下，當(dāng)內(nèi)、外定子繞組共同作用時(shí)將具有更高的功率密度。當(dāng)用作發(fā)電機(jī)時(shí)，可以提高電機(jī)的發(fā)電能力;當(dāng)用作電動(dòng)機(jī)時(shí)，可以提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力。通過(guò)分析各種雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，得出串聯(lián)磁路表貼式結(jié)構(gòu)具有更適合電動(dòng)汽車應(yīng)用的性能優(yōu)勢(shì):其轉(zhuǎn)子鐵心軛部圓周方向沒(méi)有主磁通，在機(jī)械強(qiáng)度允許范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心軛部可以很薄，從

4、而減少電機(jī)的體積和重量。
　　雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)的內(nèi)、外定子上繞有獨(dú)立的定子繞組，通常外定子繞組匝數(shù)多于內(nèi)定子繞組匝數(shù)，因此，兩套繞組既可串聯(lián)運(yùn)行，又可單獨(dú)運(yùn)行。當(dāng)內(nèi)、外定子繞組串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，每相繞組有效串聯(lián)匝數(shù)多，反電動(dòng)勢(shì)高，同時(shí)轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速低，且產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩，從而能夠很好的滿足電動(dòng)汽車低速爬坡及起動(dòng)加速的要求。當(dāng)外或內(nèi)定子繞組單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，每相繞組有效串聯(lián)匝數(shù)少，反電動(dòng)勢(shì)低，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩較小，但轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速高，使電機(jī)能夠高速運(yùn)行，

5、因此即使不經(jīng)過(guò)弱磁擴(kuò)速，電機(jī)也能達(dá)到較高的轉(zhuǎn)速。而且當(dāng)電機(jī)一套繞組出現(xiàn)故障時(shí)，另一套繞組可以單獨(dú)運(yùn)行，使電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)具有容錯(cuò)性。同時(shí)，通過(guò)靈活控制繞組的連接方式，可使電機(jī)運(yùn)行在不同工況下以滿足電動(dòng)汽車不同運(yùn)行狀態(tài)的需求。
　　(2)根據(jù)雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一種雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)的設(shè)計(jì)方法。
　　串聯(lián)磁路表貼式結(jié)構(gòu)的雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)因其雙定子結(jié)構(gòu)而具有優(yōu)越的性能，但電機(jī)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜了，不僅內(nèi)、外定子設(shè)計(jì)參數(shù)

6、相互制約，其內(nèi)、外定子間還存在電磁耦合關(guān)系，這大大增加了電機(jī)的設(shè)計(jì)難度，難以采用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)手段對(duì)其進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)，從而限制了該種電機(jī)的深入研究和推廣應(yīng)用。因此，本文基于雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一種雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，即將雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)看作內(nèi)、外兩個(gè)單定子永磁無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，然后合成為雙定子永磁無(wú)刷電機(jī)設(shè)計(jì)方案。由于設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及到內(nèi)、外單定子電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的匹配，為了加快設(shè)計(jì)過(guò)程，并得到更為合理的設(shè)計(jì)方案，在

7、設(shè)計(jì)過(guò)程中加入了響應(yīng)面法和遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化。該方法對(duì)設(shè)計(jì)雙定子永磁無(wú)刷發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)同樣適用。本文以雙定子永磁同步發(fā)電機(jī)為例，詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)最終的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了有限元分析并制作了樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的正確性。
　　(3)通過(guò)對(duì)雙定子永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的性能分析，提出了該種電機(jī)應(yīng)用于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)時(shí)繞組連接方式的選擇原則。
　　本文首先設(shè)計(jì)了一臺(tái)用于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)的雙定子永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，并對(duì)不同繞組連接方

8、式下電機(jī)的性能進(jìn)行了電磁場(chǎng)有限元分析，得到了相同逆變器供電時(shí)電機(jī)的三個(gè)額定工作點(diǎn)，即轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速點(diǎn)，從而得到了雙定子永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線。其次，進(jìn)一步對(duì)該電機(jī)的各運(yùn)行區(qū)域進(jìn)行細(xì)分，并對(duì)各運(yùn)行區(qū)域內(nèi)不同繞組連接方式下電機(jī)的性能進(jìn)行有限元分析，得到了各運(yùn)行區(qū)域內(nèi)不同繞組連接方式下電機(jī)性能的優(yōu)劣順序。進(jìn)而提出了雙定子永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)基于電動(dòng)汽車不同運(yùn)行工況的繞組連接方式選擇原則，使電機(jī)不僅具有較寬的運(yùn)行范圍，且在較寬的運(yùn)行范圍內(nèi)能夠

9、高效運(yùn)行，以滿足電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求。最后制作了樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　(4)提出了雙定子永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)繞組連接方式的切換方法及繞組換接電路，并分析了繞組換接的動(dòng)態(tài)過(guò)程。
　　為了滿足電動(dòng)汽車不同運(yùn)行工況的需求并使電機(jī)在各運(yùn)行工況下具有高效率，需要合理的進(jìn)行繞組連接方式的切換。經(jīng)分析，常用的繞組換接方法需將電機(jī)電流降至零或接近零時(shí)進(jìn)行繞組切換，換接過(guò)程會(huì)出現(xiàn)電流和轉(zhuǎn)矩的明顯中斷。為了避免電流和轉(zhuǎn)矩中斷現(xiàn)象、降低繞組換接過(guò)

10、程對(duì)電機(jī)正常運(yùn)行的影響，本文提出了在電機(jī)各相繞組電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)依次進(jìn)行繞組切換的繞組換接方法，并提出了基于雙向晶閘管的繞組換接電路。首先，為了降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，選用雙向晶閘管作為繞組換接電路的開(kāi)關(guān)元件，給出了雙定子永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的繞組換接電路。其次，以方波電流驅(qū)動(dòng)的雙定子永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和正弦波電流驅(qū)動(dòng)的雙定子永磁同步電動(dòng)機(jī)為例，分別對(duì)繞組換接的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了理論分析。最后，利用有限元仿真軟件分別建立了兩電機(jī)的場(chǎng)路耦合時(shí)步有限元仿真