详情

原文传递电动客车永磁同步电机设计与参数研究

论文题名：	电动客车永磁同步电机设计与参数研究
关键词：	电动客车;永磁同步电机;匹配设计;有限元分析;交叉耦合;控制参数
摘要：	为缓解能源短缺与环境污染问题，纯电动汽车已成为当今汽车产业的一个重要发展方向。作为纯电动汽车核心动力来源的特殊牵引电机，内置式永磁同步电机（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor，IPMSM），以体积小、重量轻、高效率、高功率密度、高转矩电流比以及弱磁范围宽等优点，成为牵引电机研究领域的热点。但实际牵引用大功率内置式永磁同步电机的控制，是一个小分母电机参数的控制问题，微小的参数差异将直接影响到牵引用大功率内置式永磁同步电机的控制精度。　　驱动电机本体研究难点在于实际牵引用大功率内置式永磁同步电机输出性能、设计、参数的精确定量化研究，而精确定量化研究的核心是电动客车永磁同步电机设计与参数准确计算。本文从车辆动力特性需求与不同运行区域下的控制性能要求出发，以纯电动城市客车为研究背景，对牵引用大功率内置式永磁同步电机性能参数匹配设计、电机参数对控制性能的影响机理、结构参数的合理设计方法、满足驱动要求的牵引电机设计、核心控制参数的计算方法与实验方法、系统实验等关键问题进行了深入研究。论文的主要研究工作与成果如下：　　1.纯电动汽车驱动用 IPMSM的输出特性与传统燃油汽车内燃机的输出特性有很大区别，而纯电动汽车整车性能的优劣不仅取决于组成汽车各个核心部件的性能，更大程度上则是取决于各部件之间的协调与配合。本文从汽车动力学特性角度出发，建立纯电动汽车动力特性评价指标以及驱动电机关键性能参数约束模型，提出了一种电动汽车驱动用内置式永磁同步电机性能参数匹配设计方法，为后续满足特定纯电动汽车牵引要求的驱动用IPMSM设计奠定了基础，也为纯电动汽车整车动力参数匹配及整车性能优化设计提供了重要前提。　　2.针对牵引用大功率内置式永磁同步电机参数变化对控制输出特性影响较大的问题，本文采用标幺值定义下的基波矢量法，对不同控制策略下牵引用内置式永磁同步电机设计参数对电机控制特性的影响机理进行了深入分析，提出了一种增大交轴电感参数的牵引用内置式永磁同步电机设计方法。该方法既能满足纯电动客车对低速区大转矩输出要求，又能满足对高速区宽弱磁范围的要求，为满足特定牵引要求的纯电动客车驱动用大功率内置式永磁同步电机转子结构优化设计奠定了理论基础。　　3.针对车辆牵引用永磁同步电机的设计方法与普通定频正弦波非调速用永磁同步电机的设计方法之间存在显著差异的问题，本文系统分析了纯电动汽车牵引用永磁同步电机各种特殊要求与设计原则，在性能参数匹配设计与车辆布置空间约束等基础上，提出了以满足牵引电机最大转矩密度的定子裂比解析法，来确定纯电动客车用内置式永磁同步电机定子结构尺寸范围；在此基础上对驱动电机转子磁路结构进行了设计，根据所提出的增大交轴电感参数驱动电机转子结构设计方法，采用有限元方法对驱动电机进行了结构优化设计及性能分析，最终确定了样机结构设计结果与主要参数。通过样机实验验证了所提出驱动电机本体结构设计方法及性能分析方法的准确性。　　4.本文研究的纯电动客车牵引用大功率内置式永磁同步电机，其转子结构不带笼型阻尼导条，电机本身无自起动能力，导致该结构电机的有限元带载起动计算非常困难，增加了对该结构电机性能预判与不同负载工况下控制参数准确计算的难度。针对以上问题，本文提出了一种确定带负载运行时转子初始位置的方法，该方法通过确定电机功角特性曲线，计算出电机起动时的转子初始位置，实现了样机带载起动的有限元计算，为样机性能预判与直交轴电感参数的准确计算提供了必要前提。　　5.针对大功率内置式永磁同步电机不同工作点直交轴电感参数的准确计算与实验测试非常困难的问题，本文在系统分析与推导内置式永磁同步电机自感与互感系数的数学模型基础上，对忽略交叉饱和影响的静态有限元法与考虑交叉饱和影响的冻结磁导率法的内在机理进行深入研究，提出采用一种冻结磁导率法来修正样机不同负载运行工况下直交轴电感参数的变化，以满足实际纯电动客车驱动用大功率内置式永磁同步电机控制参数变化的需要。在精确计算样机负载饱和磁场基础上，分别采用两种不同有限元法计算了样机不同负载工作点的直交轴电感参数，并采用静态交流实验法对样机直交轴电感参数进行了实验测量，通过实验测试值与两种有限元计算值的对比分析发现，样机静态实测值与忽略交叉饱和影响的静态有限元计算值吻合较好，而冻结磁导率法的计算结果更接近于样机不同负载点直交轴电感参数值，从而为纯电动汽车IPMSM控制系统实验测试与仿真提供了一种较为准确的直交轴电感参数计算方法。　　6.本文在基于DSP的样机驱动控制系统方案设计基础上，搭建了样机及其控制系统实验平台，对样机的基本参数、直交轴电感参数、空载及负载工作特性、弱磁性能等核心内容进行实验验证，样机实测值与相关研究方法计算值吻合较好，表明所研制样机性能满足设计指标要求，也验证了本文所提出驱动用IPMSM设计方法与参数计算方法的准确性。
作者：	符荣
专业：	电机与电器
导师：	窦满峰
授予学位：	博士
授予学位单位：	西北工业大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文