電機結(jié)課論文電動汽車驅(qū)動電機系統(tǒng)的研究

1、 機械與車輛學(xué)院電動汽車驅(qū)動技術(shù)結(jié)課論文（2015-2016學(xué)年第一學(xué)期）論文題目：電動汽車驅(qū)動電機系統(tǒng)的研究 姓名： 學(xué)號： 班級：車輛工程。課程老師：成績：基于寶馬i3電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)研究摘 要電機作為混合動力系統(tǒng)中一個重要的動力輸出源，其自身的性能直接影響到了電動汽車的整體性能。車用電機及其控制系統(tǒng)的集成化主要體現(xiàn)在電機與發(fā)動機、電機與變速箱、電機與底盤系統(tǒng)的集成度不斷提高。對于混合發(fā)動機與ISG集成，其發(fā)展從結(jié)構(gòu)集成到控制集成和系統(tǒng)集成，電機與變速箱的一體化愈加明顯，汽車動力的電氣化成分越來越高，不同耦合深度的機電耦合動力總成系統(tǒng)使得電機與變速箱兩者之間的聯(lián)系變得越來越緊密。在高性

2、能電動汽車領(lǐng)域，全新設(shè)計開發(fā)的底盤系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、輪系將電機和動力傳動裝置進行一體化集成，融合程度越來越深。雖然目前市場上分布了輕混、中混、強混等各種混合程度的混合動力車型，但從各種混合度車型的節(jié)能減排效果來看，混合程度越高，汽車的節(jié)能能力越強。電功率占整車功率的比例正在混合動力汽車領(lǐng)域逐漸提高，電機已不再單單作為發(fā)動機的附屬設(shè)備。各車廠正在逐漸將小排量發(fā)動機和大功率電機運用在汽車驅(qū)動上。寶馬公司的寶馬i3配備了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的eDrive混合式同步電動機，該電動機具有永磁電動機和磁阻電動機的優(yōu)點。關(guān)鍵詞：永磁同步電機；永磁體；驅(qū)動控制系統(tǒng)。目 錄1.前言11.1本設(shè)計的目的、意義及應(yīng)達到的

3、技術(shù)要求：11.2系統(tǒng)或是技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問題：11.3本論文的主要內(nèi)容：22. WBM i3的電動機系統(tǒng)組成：32.1 WBM i3的電動機：32.2永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)：32.2.1永磁同步電動機的工作原理：42.2.2永磁同步電機驅(qū)動控制系統(tǒng)：63.結(jié)論：8參考文獻91.前言：電動汽車已經(jīng)成為當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一大趨勢，包括了純電動汽車、混合動力 電動汽車、燃料電動汽車等類型。電動汽車的技術(shù)核心是同時關(guān)注動力性、安全性和經(jīng)濟性等內(nèi)容，其關(guān)鍵技術(shù)包括了電驅(qū)動技術(shù)、能源技術(shù)、能量管理技術(shù)及汽車制造等多個技術(shù)。電驅(qū)動技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，為不同類型的電動汽車的推廣應(yīng)用奠定了堅實的

4、技術(shù)基礎(chǔ)。40多年來，BMW始終致力于可持續(xù)交通的發(fā)展并穩(wěn)步取得了多項關(guān)鍵性成功，BMW不斷將夢想更廣泛地付諸實踐，從各種類型的原型車和測試車輛中積累了寶貴的經(jīng)驗。采用eDrive技術(shù)的BMW i3專為城市交通設(shè)計的，是不折不扣的環(huán)保汽車。它純粹由電力驅(qū)動，完全滿足綠色低碳零排放的交通要求，是城市交通智能化的體現(xiàn)。憑借革新的eDrive技術(shù)，此款車不僅實現(xiàn)了零排放和無與倫比的駕駛體驗，而且駕駛?cè)丝扇瘫M享寧靜安逸，續(xù)航能力也達到了單次充電可連續(xù)行駛160公里。1.1本設(shè)計的目的、意義及應(yīng)達到的技術(shù)要求：目前發(fā)展低碳經(jīng)濟已經(jīng)延伸到了國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域內(nèi)，首當(dāng)其沖要在汽車產(chǎn) 業(yè)實現(xiàn)突破。新能源汽車

5、是目前整個世界汽車工業(yè)的競爭焦點，世界各大汽車廠商都將未來汽車發(fā)展重點放在新能源汽車上，而純電動汽車因為其整體的優(yōu)越性越來越受到各國汽車廠商的重視，純電動汽車關(guān)鍵技術(shù)也成為了主要競爭點。電動汽車在技術(shù)方案上可以采用的方案有直流有刷電機、永磁無刷電機、交流感應(yīng)電機和開關(guān)磁阻等四種電機作為動力源。目前直流有刷電機已經(jīng)被淘汰，永磁電動機具有緊湊結(jié)構(gòu)和高扭矩密度輸出的特點，并且能以較低電流來啟動。雖然如此，永磁體材料的成本是一個有待解決的問題，因為電動機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量有可能對永磁體產(chǎn)生損害。開關(guān)磁阻電動機結(jié)構(gòu)簡單，動力充沛，看起來是一個成本最低的技術(shù)解決方案。但開關(guān)磁阻電動機有不少缺點，如轉(zhuǎn)矩波動高，

6、噪音大、功率因數(shù)低和效率低。寶馬i3的永磁同步電動機能在多個磁體方向中（即不同的磁極方向中）產(chǎn)生一系列不同的電磁感應(yīng)和與磁極方向相反的交叉電感；只要驅(qū)動電動機以合適的方式驅(qū)動，電動機就能產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。這種磁阻轉(zhuǎn)矩能對電動機永磁磁通產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩相互補充。1.2系統(tǒng)或是技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展概況及存在的問題：從全球范圍看，有刷直流電機、感應(yīng)電機與有刷磁鐵電機商品化歷史最長，產(chǎn)品更新?lián)Q代不斷，迄今還在應(yīng)用。20世紀(jì)80年代開始進入商品化的表面永磁同步電機與90年代以來研制開發(fā)的開關(guān)磁阻電機、內(nèi)置式永磁同步電機以及最新的同步磁阻電機相繼進入市場，并在電動汽車與混合動力汽車上獲得應(yīng)用。日本相關(guān)企業(yè)和研究機構(gòu)主

7、要開發(fā)混合動力汽車，近幾年來在批量生產(chǎn)的日本電動汽車車型上以采用永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)為主流。近年來歐美等國家開發(fā)的電動汽車多采用交流感應(yīng)電機作為驅(qū)動系統(tǒng)，其主要優(yōu)點是價格較低，性能可靠；其缺點是啟動轉(zhuǎn)矩小，運行效率較低1目前我國電動汽車驅(qū)動電機生產(chǎn)企業(yè)有30多家，但多數(shù)企業(yè)規(guī)模小，實力還較弱。驅(qū)動電機是新型的電傳動行業(yè)的一個分支，新型的高新技術(shù)企業(yè)是這一行業(yè)的主力軍之一，它們一般依托于高?；蛘呖蒲性核哂休^強的技術(shù)水平，但由于成立不久，這些企業(yè)大多實力較弱，融資渠道單一，生產(chǎn)能力不強。除了新成立的高新企業(yè)外，我國有相當(dāng)一部分驅(qū)動電機企業(yè)是由傳統(tǒng)電機制造商轉(zhuǎn)型而來。 自國家“863電動汽車重大

8、專項”實施以來，經(jīng)過十多年的發(fā)展，電動氣車用電機系統(tǒng)研究進步較大，我國電機驅(qū)動系統(tǒng)基本功能和性能已經(jīng)接近國際先進水平，但產(chǎn)品對汽車使用環(huán)境的適應(yīng)性不足，產(chǎn)業(yè)化之路還存在較多瓶頸。國內(nèi)電機驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性及耐久性尚未得到充分驗證，和汽車行業(yè)的嚴(yán)格要求還有一定差距。由于我國系能源汽車在示范運行階段，產(chǎn)量不大，因此造成了在制造工藝方面也有很大差距。手工繞線圈、手工裝配等傳統(tǒng)落后工藝與國外自動生產(chǎn)線大批量生產(chǎn)相比，其生產(chǎn)的產(chǎn)品一致性差，從而導(dǎo)致可靠性差。國內(nèi)動力總成裝置的集成度不高，機電一體化不夠。1.3本論文的主要內(nèi)容：BWM i3汽車配置的驅(qū)動電動機重50千克，最大輸出功率為125千瓦，功率系數(shù)為

9、 2.5千瓦/千克；該電動機能輸出線性功率，轉(zhuǎn)速范圍較高，其最高轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)/分。2了解WBM i3汽車配置的驅(qū)動電機的各項性能以及它的一些優(yōu)缺點。2.WBM i3的電動機系統(tǒng)組成：寶馬使用的電動機可歸類為永磁同步電動機。永磁同步電機驅(qū)動控制系統(tǒng)由電動機，轉(zhuǎn)子位置傳感器和逆變器組成。它輸出的交流電流經(jīng)整流后供給發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁，定子繞組接通交流電源產(chǎn)生電樞磁場，依靠電磁相互作用氣隙中產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)子帶動而余轉(zhuǎn)子同轉(zhuǎn)速的合成旋轉(zhuǎn)磁場，使定子繞組感生電動勢產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，以實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。 但寶馬對該電動機進行了精心的設(shè)計，并選擇合適尺寸的零部件來制造，讓其能產(chǎn)生自磁化效應(yīng)；該自磁化效應(yīng)原本只有磁阻電動機才能產(chǎn)

10、生。自磁化效應(yīng)帶來的額外勵磁效果能為電動機電流勵磁提供有益的補充；在高速旋轉(zhuǎn)時，兩種勵磁方式讓其工作更加可靠。寶馬i3使用的電動機的最高轉(zhuǎn)速能達到11400轉(zhuǎn)/分。2.1WBM i3的電動機：永磁同步電動機具有：效率高，更加省電，功率因數(shù)高，電機結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，體積小，功率密度大，起動力矩大，噪音小，溫升低等優(yōu)點。寶馬的i3主要是基于永磁同步電動機的基礎(chǔ)上加以進一步的改改善，因此它的基本性能與永磁同步電動機相同的。2.2永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)：圖2.1正弦波永磁同步電動機驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成框圖三相永磁同步電機具有定子三相分布的繞組和永磁轉(zhuǎn)子。定子繞組一般制成三相繞組。三相繞組沿定子鐵心對稱分

11、布，在空間互差120圖2.2永磁同步電機實物結(jié)構(gòu)圖度電角度，通入三相交流電時，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子采用永磁體，目前主要以釹鐵硼作為永磁材料。采用永磁體簡化了電機的結(jié)構(gòu)，提高了可靠性，又沒有轉(zhuǎn)子銅耗，提高電機的效率。圖2.2永磁同步電機實物結(jié)構(gòu)圖2.2.1永磁同步電動機的工作原理：由于電機定子三相繞組中接入三相對稱交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，用旋轉(zhuǎn)磁極N、S來模擬。根據(jù)磁極異性相吸、同性相斥的原理，不論定子旋轉(zhuǎn)磁極與永磁磁極起始相對位置如何定子的旋轉(zhuǎn)磁極總會由于磁拉力拖著轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，同步電機轉(zhuǎn)速可表示為: （式2.1）電動機的運行狀態(tài)如圖2.3：圖2.3電動機的運行狀態(tài)永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型由電壓方程、

12、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和機械運動方程組成，在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下：（1）電機在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的電壓方程如下式所示: (式2.2)其中，sR為定子電阻；du、qu分別為d、q軸上的兩相電壓；di、qi分別為d、q軸上對應(yīng)的兩相電流；dL、qL分感；cw為電角速度；dy、qy分別為直軸磁鏈和交軸磁鏈。若要獲得三相靜止坐標(biāo)系下的電壓方程，則需做兩相同旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到三相靜止坐標(biāo)系的 變換，如下式所示。 （式2.3）（2）qd軸磁鏈方程： （式2.4）其中，fy為永磁體產(chǎn)生的磁鏈，為常數(shù)是機械角速度，p為同步電機的極對數(shù)，cw為電角速度，o為空載飯電動勢，其值為每項繞組反電動勢的3倍。（3）轉(zhuǎn)矩方

13、程： （式2.5）把它代入上式可得： （式2.6）（式2.7）對于上式，前一項是定子電流和永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，稱為永磁轉(zhuǎn)矩；后一項是轉(zhuǎn)子突極 效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩，稱為磁阻轉(zhuǎn)矩，若Ld=Lq，則不存在磁阻轉(zhuǎn)矩，此時，轉(zhuǎn)矩方程為： （式2.8）這里，tk為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，。（4）機械運動方程： （式2.9）其中，mw是電機轉(zhuǎn)速，L是負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J是總轉(zhuǎn)動慣量（包括電機慣量和負(fù)載慣量），B是摩擦系數(shù)。2.2.2永磁同步電機驅(qū)動控制系統(tǒng)：永磁同步電動機矢量控制策略與異步電動機矢量控制策略有些不同。由于永磁同步電動機轉(zhuǎn)速和電源頻率嚴(yán)格同步，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差恒等于零，沒有轉(zhuǎn)差功率，控制效果受轉(zhuǎn)子參數(shù)影響

14、小。因此，在永磁同步電動機上更容易實現(xiàn)矢量控制。（1）Id=0控制（磁場定向控制）Id=0控制是矢量控制中的一個特殊的控制方法，從電動機端口看，相當(dāng)于一臺他勵直流電動機，定子電流中只有交軸分量，且定子磁動勢空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交，即=90，電機轉(zhuǎn)矩中只有永磁轉(zhuǎn)矩分量。（2）最大轉(zhuǎn)矩/電流控制最大轉(zhuǎn)矩/電流控制也稱單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制，是凸極式永磁同步電動機用的較多的一種電流控制策略。對于隱極式永磁同步電機（大多數(shù)表貼式永磁電機）來說，最大轉(zhuǎn)矩/電流控制就是Id=0控制。電流矢量應(yīng)滿足的兩條件： （式2.10） (式2.1)（式2.12）其中為電機的凸極率，=Lq/ Ld。實際系

15、統(tǒng)中，開關(guān)信號是由轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的給定值與反饋值的偏差經(jīng)滯環(huán)比較得到。而轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的給定值是由電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈估算模型計算得到的。圖2.4 PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3）弱磁控制 弱磁控制的思想來自于他勵直流電動機的調(diào)磁控制（通過降低他勵直流電動機的勵磁電流大小，可拓寬其轉(zhuǎn)速范圍）。而對于永磁同步電機來說，勵磁磁場是永磁體產(chǎn)生，無法進行調(diào)節(jié)，只有通過調(diào)節(jié)定子電流，即增加定子直軸去磁電流分量來維持高速運行時電壓的平衡，達到弱磁擴速的目的。 （式2.13）在同一電流極限圓上的A點和C點，轉(zhuǎn)矩也一致，但轉(zhuǎn)速卻是C點更高。還有，如果按照最大轉(zhuǎn)矩/電流控制，在轉(zhuǎn)速為時只能做到Tem2大小的功率（

16、B點），但是通過做弱磁控制，增大電機的直軸去磁電流，削弱了永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場，可以增大電機的輸入電流使轉(zhuǎn)矩提高到Tem1(C點)達到了弱磁擴速的目的。3.結(jié)論：永磁同步電動機的優(yōu)點：具有高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性以及低噪聲的特點,通過合理設(shè)計永磁磁路結(jié)構(gòu)能獲得較高的弱磁性能,提高電動機的調(diào)速范圍,因此在電動車驅(qū)動方面具有較高的應(yīng)用價值,受到國內(nèi)外電動汽車界的高度重視。 缺點：價格較高，磁鋼價格較高；弱磁能力低，由于永磁同步電動機轉(zhuǎn)子為永磁體，無法調(diào)節(jié)，必須通過加定子直軸去磁電流分量來削弱磁場，這會增大定子的電流，增加電動機的銅耗；起動困難，高速制動時電勢高，給逆變器帶來一定的風(fēng)險。 日前，永磁同步電機的發(fā)展趨勢主要有以下幾面: (1)無位置傳感器永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)(2)具有磁場控制的永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng) (3)輪式永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng) (4)動力傳動一體化電機驅(qū)動系統(tǒng)(電機、減速齒輪、傳動軸)(5)雙饋電永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng) 永磁同步電動機結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高，和直流電機相比，它沒有直流電機的換向器和電刷等缺點。和異步電動機相比，它由于不需要無功勵磁電流，因而效率高，功率因數(shù)高，力矩慣量比大，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉(zhuǎn)子