电动汽车用永磁同步电机电磁场分析_硕士学位论文.pdf

支臻交戤挚 硕士学位论文 电动汽车用永磁同步电机电磁场分析 e l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n a l y s i so f p e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u s m o t o ri ne l e c t r i cv e h i c l e s 作者：王美平 导师：张突黄 北京交通大学 2 0 1 2 年6 月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通= 学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 提供阅览服务并采厢影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 王羡； 签字i 期：如乜年6 月i 弓日 导师签名 签字几期： 年易月f h 中幽分类号 u d c ： 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 电动汽车t l j 永磁j 吲步电机电磁场分析 e l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n a l y s i so f p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o ri ne l e c t r i cv e h i c l e s 作者姓名：工美平 导师姓名：张奕黄 学位类别：工学 学科专业：电气 程 学号：1 0 1 2 1 7 5 0 职称：教授 学位级别：硕士 研究方向：电机与电器 北京交通大学 致谢 本论文是在我的导师张奕黄教授的精心指导和亲切关怀下进行的，在论文的 每一个阶段他都给予了我很多的帮助，所以这篇论文的每一个环节都有张老师的 悉心付出，在这里我要郑重感谢导师张奕黄老帅。张老师治学态度严谨、学识渊 博、对待工作充满热情、对待生活积极乐观，这些都深深地激励和鼓舞着我。在 这两年的研究生学习生活罪，张老师不仅在学业上给予我精心指导，更教会了我 如何做人，虽然只有短短的两年时间，但却使我终生受益，在此，谨向张奕黄老 师致以最崇高的敬意和衷心的感谢! 其次，我要特别感谢张晓晨博士在论文阶段对我的无私帮助，他的谆谆教导、 博学多识以及对待学术研究的热情教会了我很多，在论文中遇到困难时，他孜孜 不倦地给予我指导，并对我的研究提出了很多宝贵的意见，使我的研究j 二作能够 顺利完成。 再次，我要感谢实验室里的兄弟姐妹，杨超南、刘彦忠、韩广鹏、 二君、韩 舒琳，亲爱的舍友余淑琴、壬会锦都给予了我很多的帮助，感谢你们一路以米的 陪伴和支持，你们给我提出了很多宝贵的建议，我的成长同样离不开你们，我会 永远珍惜和怀念我们这美好的两年研究生生活。 最后要特别感谢我的父母，你们对我的包容、对我无微不至的关怀、对我的支 持与鼓励，我都深深铭记在心里，再次感谢你们给予我无私的爱。 中文摘要 中文摘要 摘要：随着能源问题的不断提出，节能、环保成为新世纪的代名词。电动汽车作 为解决能源问题的新思路得到了人们的很大重视，电动汽车用电机作为其中的关 键部件也吸引人们深入研究。 永磁同步电机以其高效率、高功率密度在电动汽车驱动电机中脱颖而出，与 电励磁电机相比，它省去了励磁绕组，故具有结构简单、损耗小、电机形状和尺 寸可以灵活多变等显著优点，所以对永磁同步电机在电动汽车领域的研究分析就 成为研究工作的重点。 电机的电磁场分析是研究电机工作性能的基础，本文意在讨论永磁同步电机 在电动汽车领域的运行特性，以往的磁路法计算虽然快捷、简便，但由于受到转 子形状和尺寸的制约，计算的精确性比较差，故本文利用有限元法对永磁旧步电 机进行分析计算。 本文从永磁同步电机的基本结构和基本理论出发，简要讨论了l 乜机的稳态运 行性能利用 程电磁场有限元分析软件a n s o f t 建直电机的计算模型，计算了 电机的空载磁场和柑应的电磁参数，利用“负载法”迭代计算了电机的额定负载 场，并计算出了电机的蓖要参数交直轴电枢反应f 乜抗，在此基础j 一，针对r 乜动汽 车的变频运行特性进行分析计算，依次在静磁场和瞬卷场中刊算电机的i 乜磁参数 和磁场分布，通过分析对比总结出电机的变频特性。 接下来介绍了电动汽车用永磁同步电机的重要性能参数，通过对电机主要尺寸 的改变，讨论了永磁体尺寸( 永磁体磁化方向长度、永磁体宽度) 、气隙长度、 电枢槽口宽度等结构的变化对电机性能参数的影响，归纳总结出了电机结构参数 与电机性能参数的关系。 关键词：l 乜动汽车：水磁| i 可步电机；变频特性；参数计算 分类号： a b s t r a c t a b s t r a c t ：a st h ep r o b l e mo f e n e r g yc o n t i n u o u s l yp u tf o r w a r d ，e n e r g ys a v i n ga n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nh a sb e c o m es y n o n y m o u sw i t ht h en e wc e n t u r ye l e c t r i c v e h i c l e sh a sg o a e np e o p l e sg r e a ta r e n t i o na san e wi d e at os o l v et h ee n e r g yp r o b l e m t h em o t o ra t t r a c t s p e o p l e si n d e p t hs t u d ya so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t so fe l e c t r i c v e h i c l e s p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rs t a n do u tw i t hi t sh i g he f f i c i e n c y ，h i g h p o w e rd e n s i t yi ne l e c t r i cv e h i c l e sd r i v em o t o r ，c o m p a r e dw i t ht h ee l e c t r i c a l l ye x a l f e d m o t o r ，i te l i m i n a t e se x c i t a t i o nw i n d i n gs oi th a ss i g n i f i c a n ta d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l e s t r u c t u r e ，l o wl o s s ，f l e x i b l es h a p ea n ds i z ee t cs ot h ea n a l y s i so fp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r si ne l e c t r i cv e h i c l e sb e c o m e st h ef o c u so f t h er e s e a r c hw o r k t h em o t o r se l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n a l y s i si st h es t u d yo f m o t o r sp e r f o r m a n c e ，t h e p a p e ra l m st od i s c u s st h es u p e r i o f i t yo fp m s mi ne l e c t r i cv e h i c l e st h em a g n e t i c c i r c u i tm e t h o di sf a s ta n ds i m p l e ，b u ti t sc a l c u l a t i o na c c u r a c yi sr e l a t i v e l yp o o rd u et o t h er o t o rs h a p ea n ds i z ec o n s t r a i n t s ，t h e r e f o r ew ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t eo fp m s mw i t h t h ef i a l t ee l e m e n tm e t h o d s t a r t i n gw i t hb a s i cs t r u c t u r ea n dt h e o r yo f p m s m ，w eb r i e f l yd i s c u s so f t h em o t o r p e r f o r m a n c eo fs t e a d y s t a t e ，e s t a b l i s ht h ec a l c u l a t i o nm o d e lw i t ha n s o f l ，s i m u l a t e n o - l o a dm a g n e t i cf i e l da n dc a l c u l a t et h em a i np a r a m e t e r st h e nw eu s et h el o a dm e t h o d t ot h ei t e r a t i v ec a l c u l a t i o no ft h em o t o rr a t e dl o a df i e l d ，a n dc a l c u l a t et h em o t o r p a r a m e t e r sq u a d r a t u r ea x i sa n dd i r e c ta x i sa r m a t u r er e a c t i o nr e a c t a n c ew es i m u l a t e d v a r i a b l e f r e q u e n c yo p e r a t i o no f e l e c t r i cv e h i c l e s ，a n dc a l c u l a t em o t o r se l e c t r o m a g n e t i c p a r a m e t e r sa n do p e r a t i n gr e s u l t si n s t a t i cm a g n e t i cf i e l da n dt r a n s i e n tf i e l dt h r o u g h a n a l y s i sa n dc o n t r a s t ，s u m “pt h em o t o rs u p e r i o rf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s n e x tc o i t i et h ei m p o r t a n tp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fp m s mi ne l e c t r i cv e h i c l e s w i t ht h ec h a n g eo f m o t o rm a i nd i m e n s i o n s ，w ed i s c u s si n f l u e n c eo f p e r m a n e n tm a g n e t s i z e ( t h el e n g t ho ft h em a g n e t i z a t i o nd i r e c t i o no ft h ep e r m a n e n tm a g n e t ，p e r m a n e n t m a g n e tw i d t h ) ，t h ea i rg a pl e n g t ha i l d a t u r es t o tw j d t ho np e r f o 皿扑c cp e t e m ， s u m m a r i z et h e r e l a t i o z t s h i p b e t w e e nt h es t r u c t u r e p a r a m e t e r s a n dp e r t h r m a n c e p a r a m e t e r so f t h em o t o r k e y w o r d s ：e v ：p m s m ：f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s ；p a r a m e t e rc a l c u l a t i o n ； c l a s s n 0 ： 目录 中文摘要 目录 a b s t r a c tv 1 1 课题背景和研究意义 l i2 永磁材料和永磁电机的发展与戍片j2 13 电动汽车用永磁同步电机的研究现状4 131电动汽车的研究现状4 i3 2 电动汽车用电机的研究现状4 l3 3 永磁同步电机f j 研究现状6 14 奉课题的t 要研究内容 7 2 永磁同步电机的基奉理论 9 21 永磁同步电机的基本结构9 2 1 1 表【n f 式转子磁路结构 9 2 12 内簧式转子磁路结构l o 2 2 永磁阿步屯机的稳态性能1 2 2 2 1 稳忐性能相量圈1 2 2 22 稳忐运行性能分析计算1 4 2 3 损耗分析计算 1 5 24 小结1 6 3 f 乜动汽车用永磁同步l b 机的有限元基础 1 7 3 l 电磁场分析的理| 仑基础 1 7 3 11 安克斯韦方程组1 7 3 12 磁场的边界条件 1 9 3 1 3 电机电磁场的计算方法 1 9 3 2 有限元法的介绍 2 0 3 2 1 有限元法的基本概念 2 0 3 22a n s o f t 简介 2 2 3 3 屯动汽车用永磁同步电机的有限元模型 2 2 33 1 建立模型2 3 3 32 单元选择及材料定义 2 5 3 33 网格剖分2 5 北京交通人学硕士学位论文 3 34 加载边界条件及载荷 2 6 3 35 求解及后处理 4电动汽车用永磁同步电机的电磁场分析 2 9 4 1 空载磁场的分析 2 9 4 ii 空载磁场的计算2 9 4 12 空载反电动势的计算 3 0 4 13 空载磁场的参数计算3 2 4 2 额定负载场的分析 3 3 4 21 额定负载场的计算3 3 4 22 电抠反应电抗的计算3 7 4 3 电动汽车用永磁同步电机变频性能分析3 7 4 3 i 静磁场迭代计算 3 8 432 瞬态场仿真分析4 1 4 4 小结 4 7 5电动汽车用永磁同步电机的参数计算4 9 5 l 电机的性能参数 4 9 5 2 永磁体尺寸对电机性能的影响5 0 5 2l 磁化方向长度对电机性能的影响5 0 5 22 永磁体宽度对电机性能的影响5 5 5 3 气隙鹾度对电机性能的影响 5 9 5 4 电枢槽l j 宽度对电机性能的影响 55 小结 6 结论6 9 参考文献 7 l 作者简历7 3 独创性声明 7 5 学位论文数据集7 7 1 绪论 1 1 课题背景和研究意义 能源问题可以说是当今社会的重要问题，节能已逐斯和人们的同常生活息息 相关，并且成为人们生活的一部分，节能技术的研究及相关产品的丌发也已成为 本世纪工业发展的主题。汽车是人们生活的重要交通工具，随着人们生活水半的 提高，越来越多的人“ 始购买汽车。但是，汽车的大邕使用带来了能源消耗、资 源短缺、环境污染等一系列问题，这些问题促使各大汽车公司竞十h 研制备种新雅 无污染的的环保车。而电动汽车是以电能为能源，通过l b 动机将电能转化为机械 能，这完全符合零污染、绿色节能的理念。凼此，电动汽车作为资源短缺、环境 污染等问题的重要解决途径，得到了快速发展。 要使电动汽车有良好的运行性能，驱动电机应具有较大的调速范围投较一断的 转速，高效，低耗，各种配套的控制装置重量尽可能轻，系统噪声要低，另外还 要求可靠性好，耐高温及耐潮、结构简单，适用于= 批星生产、使维修方便、 价格便= i = i = 等。f 乜动车用电机h 前广泛使用的有直流电机、感应电机、丌关磁阻l b 机和永磁电机。在初期的电动车| 二大多采用直流电动机，直流电动机具有拄制简 单、调速特性良好等优势，但其具有效率低、町靠性较差、质量大，换向器幂i f 乜 刷需经常维护和更换，不适合高速运转等缺点：异步电动机具有结构简单、i 一作 可靠、保养维修方便和寿命眭等优点，但是它也具有机械特性差、效率低、调速 性能差、起动转矩小、运行在轻载时功率w 数低、增加线路和电网损耗等缺点： 开关磁阻电机的结构比任何呻 电机都要简单，效率州选8 5 9 3 ，其转：t t i 转 速特性好，在较宽的转速范围内，转矩与转速。口灵活控制，起动转矩高，i 面起动 功率低，而h 丌关磁阻电机的转矩脉动大，控制系统复杂，工作噪卢犬，体秘比 同功率的异步电动机要大些，调节性能和控制精度也是限制其应川的一人问题。 l = ! 习_ 比永磁电机在电动汽车上就显示出了优越性，是电动汽车用i b 机的主流，与l u 励磁电机相比，永磁电机，具有结构简单、体积小、质量轻、损耗小、效率高、 电机形状和尺寸可以灵活多样等硅著优点，特别是山正弦波驱动的永磁同步电动 书lz l l , 常适川1 电动车的驱动系统，有着广阔的应用前摄。 永磁r h 村l 根据输入电机接线端的电流可分为永磁直流电机和水磁交流e t t , h l ( 办称永磁无j | ；_ j l u 机) ，永磁无刷屯机又包括永磁同步电机、永磁无刷直流电机和 永磁混合屯机三种。永磁同步f 乜机的定子与传统的可步电机相同，转予采j j 永久 北京变通人学硕： 一学位论文 磁铁做成磁极，戈转子与旋转磁场同步旋转，旋转磁场的转速取决于电源频率。 相对于方波电流驱动的永磁无刷直流电机，永磁同步电机避免了电流换向时产生 的较大转矩脉动，具有更理想的驱动性能。 鉴于永磁同步电机的优异性能，对永磁同步电机的开发和研究就成为世界各 围电机电器相关产业以及科研院所的研究热点。永磁同步电机的设计、控制、性 能分析成为研究的- e 要内容口| 。永磁同步电机存在永磁体，导致其形状和放置的位 置多种多样，磁路结构复杂，所以永磁同步电机的分析计算要比普通电机复杂。 日l 讨f 乜动汽车用永磁电机的性能分析，已经成为电动汽车领域的一大研究热点， h 有荻得i 鼬自的磁场分和，永磁电机参数计算和性能分析才更准确，分析才有意 义。传统的磁路汁算 要i r 确定电机的大致结构，快速排除性能较差的电机， 但计算精度较差，故被电磁场有限元计算所取代。1 3 | j i 有限元法是解决电磁场问 题的有效手段，在工程中的广泛应用使得它在电磁分析领域占据了绝对优势地位。 山于永磁同步电机结构复杂多样，使有限元方法在永磁同步电机的分析中还存在 许多有待研究和解决的问题。本文利用有限元法对电动汽车领域应用的永磁同步 电机进行电磁场分析，计算屯机的电磁参数，以对l 乜机的性能做出有效的评估。 2 永磁材料和永磁电机的发展与应用 水磁材料足经外部磁场饱和充磁后，无需外部能量而能持续提供磁场的一种 特殊材料，它是一种重要的磁性功能材料，也称硬性材料。永磁材料近年柬的开 发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀：l 永磁体二人类。稀土永磁体又有第叶t 钐钻 1 ：5 ，第一代钐钻2 ：1 7 和第二二代钕铁硼。铝镍铺是蛀早丌发 | 来的一种永磁材料， 是j 铝、镍、钻、铁和其它微显金属元索构成的种合金。舒 镍钻永磁材料是2 0 1 仆纪3 0 年代研制成功的，铝镍钴系磁铁的优点是剩磁高( 最高可达13 5 t ) 、温度 系数低，温度系数为一00 2 * c ，而最高使用温度- 丌达5 2 0 。c 左右，缺点是矫顽力 非常低( 通常小于1 6 0 k a m ) ，退磁曲线非线性，因此铝镍钻磁铁虽然容易被磁化， 同样也容易退磁，这些不足大大限制了它在电机巾的应j _ | j 。铁氧体磁体是本i 丛纪 “i - “ f 代初，f 发的永磁材料，其噩大的特点是价格低廉有较高的矫顽力，其不 足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钻稀土水磁材料在六十年代中期问世，它 具有锚镍钴样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。 钕铁硼磁性材料是钕、氧化铁等的合金，又称磁钢。蚀铁硼的优点是具有极高的 磁f i p , g l , 碲l 矫顽力，性价比高，具有良好的机械特性，不足之处在于居里温度点低， 温度特性差，凡易于粉化腐蚀，必须通过调整其化学成分和采取表面处理方法使 之得以改进，爿能达到实际应用的要求。经过这儿年的不断改进提高，这些缺点 大多已经克服，现钕铁硼永磁材料最高的工作温度已可达1 8 0 “ c ，一般也町达1 5 0 ，已足以满足绝大多数电机的使用要求口】。 近年来，磁性材料的性能都在不断提高，产量与价格也都相对发生了变化， 但性价比的基本走向并没有发生根本性的变化，因此铁氧体与稀土永磁将会在未 来相当长的时间里共同存在，此外高剩磁密度和低温度系数的铝镍钴磁钢也会拥 有自己的一席之地。钕铁硼稀土永磁温度系数较高，约为01 3 0 c ，居_ i 温度比 较低，t 作温度低于1 5 0 c ，并且抗腐蚀能力比较差。所以人们在不断的探索具有 更高性能的永磁材料，期望获得最高的性价比。曰d i 稀土永磁的发展有两个趋向： 其一是降低稀士与钴的含量，以期降低成本，提高1 ：场竞争力：其二足改进和提 高性能，如研制高温下( 4 0 0 0 “ o ) 使用的稀土永磁材料等【4 。 与此相对应，稀土永磁电机的研究和开发火致可以分成三个阶段： 第一阶段是在i 世纪6 0 年代后期和7 0 年代，在这个时期里稀j ：$ 7 i 永磁的价 格普遍都很昂贵，因此研究开发的重点都放在了航空和航天用电机等这t b 对性能 要求较高的高科技领域。 第二阶段指的是上世纪的8 0 年代，尤其是在1 9 8 3 年之后，这时钕铁硼永磁 材料已经出现，且它的价格相对而言比较低，可以在工业及民用l 乜机上使用。稀 土永磁材料的磁性能优异，加上这阶段电力电子器件方面以及微机技术方阿也有 了很大的发展，给稀上永磁电机的发展创造了条件，且稀上永磁电机的高性能使 它很快取代了许多的电励磁电机。 第三阶段是指上世纪的9 0 年代之后，这个阶段的永磁材料t 2 绎有了很大的发 展，除了它本身的性能已不断提高和完善外，热稳定性能及耐腐蚀性能也有了很 人的改善，且其价格也有所降低，这个时候电力电子器件及永磁电机技术水平部 已经逐步成熟，永磁电机小仅在国防等高科技领域，“泛应用，在工农业小产及门 常生活等方面中的应用也逐渐普及。稀土永磁电机已经进入了个新发腥阶段， 它逐步向高性能、大功率及微型化方向过度。另外，永磁材料的发展也带动了永 磁电机相关的设计理论、结构工艺以及控制技术g h , 1 1 算方法等的进步发展，这 时期也出现了很多相关的学术论文及科研成果，并形成了针对屯磁场的鉴于场路 结合方法的一整套理论体系以及计算机辅助设计软件。 永磁材料性能的改善以及电力电子技术的进步，推动了新原理、新结构永磁 电机的开发，使永磁电机得到极大应用，并且显示出极大的优势。我网的稀卜资 源非常丰富，为稀土永磁电机的发展提供了基础。阑此充分利川我圜的稀i ：资源， 加_ = 对稀_ j 泳磁电机的研究和应用，对我国的发展具有k 远的促进意义。曰| j i 电 动汽车用永磁电机主要包括永磁无刷直流l 乜机和永磁同步电机两种，山丁永磁无 刷直流电机采用交流方波供电，会产生较大的转矩脉动，铁心损耗也较大，故本 北京交通人学硕扣琦。住论文 课题选j 玎永磁同步电机作为电动汽车的驱动电机 l3 电动汽车用永磁同步电机的研究现状 31电动汽车的研究现状 目前在全世界范围内，针对节能和环保两大热点主题，欧美、亚洲等各个国 家的汽车集团不 菏才力、财力和物力纷纷丌始研发屯动汽车，经过人们的不懈努 力，日前已经有电动汽车投入市场并敬得了不错的市场效果，批量化生产将是电 动汽车的f 一个发胜阶段，这也说明屯动汽车丌始为人们所接受。 i 乜动汽车的 i 现使得传统的概念中汽车对环境不友好有了新的解决之道，因 此电动汽车得到了我国政府的高度重视和大力支持。新能源汽车的研发在2 0 0 1 年 已经通过了国家“8 6 3 ”计划，建立了电动汽车研究的重大# 项。日自f 我国已经在 电动轿车方面、电动公交客车方面和电动车辆的系统设计与肝发、予系统与零部 件研制、能量存储装簧、示范运行和标准制定及政策研究等多方面都取得了诸多 成粜，我国开发制造的电动汽车主要用于公共交通，如远望公司制造的y w 6 1 2 0 d d 大，叫乜动客下、湖北二汽研究所的e q 6 6 9 0 动窑车、清华大学肝发的e v 6 5 8 0 轻型 电动辑车和华卣理工大学的e v 6 6 3 0 屯动轻型客车等1 5 j 。 不仪国内，田外的汽车公司也都十分重视电动汽车的丌发与应用，世界发达 国家连续投入巨资埘电动汽车进行研究，并f i 都取得了淀的成果，达到了一定 的水、f 。血1 二1 奉_ 二三菱r 发出了蛀高时速可高达i5 0 k m h 的混合式电动汽车：美国 通h j i 乜气公司客乍公司共同门。发了2 2 5 k w 的混合动力l u 动汽车，浚汽车不但具有 内燃机汽车的商性能，而且比| 司规格的内燃机汽车在环境污染方面降低了几乎一 半，油耗也相应降低了2 5 ：牛田制造的p r i u s 灌台动力车现已进入市场，它在运 行性能、节能和环保方而都兼具优势，得到国内外的一致认同i5 i 。 神二r b 动汽车领域无论是国内还是固外都已经进行了很多的研究，也在能量管 理和u 驱动技术等多方而取得了，定的成果。诸多方而中电驱动技术是电动汽车 的技术核心，在目 口蓄电池技术还未突破的背景一f ，l 乜驱动技术是电动汽车技术 的1 ：要热点，电驱动技术以驱动屯机为中心，辅以各种新型控制技术而展丌，| 的是提高电动汽车的驱动性能、行驶罩程以及行驶方便性、可靠性等。 3 2电动汽车用电机的研究现状 前，i 乜动汽乍领域普遍采用直流电机，感应电机，永磁 司步i b 机，永磁止 绪论 刷直流电机和开关磁阻l 电机作为牵引电机。在电动汽车驱动电机的选择上，不同 国家各有侧重：英国、法国偏重于永磁无刷直流电机，德国偏重干j r 关磁阻乜机， 比利时、奥地利、美国等国_ 三要以感应电机、开关磁阻电机为主，而永磁同步电 机在开本应用较多。 直流有刷电机技术成熟、控制性能好，但是由于存在电刷和换向器，使得它 的可靠性和高速性能降低，目前在电动汽车上的应用j 下趋r 减少。 永磁无刷直流电机具有转矩、功率密度大，位置检测和控制方法简单，效率 高的优点，凼此在r b 动汽车驱动领域得到一定程度的应用。奉m 公司的混合动力 汽4 ：l n s i g h t 和c i v i c 就采j 钉了永磁无刷直流电机，在旧内，清华大学研发的e v 6 5 8 0 电动汽车、宇通客车生产的复合电动中巴也都使用了无刷直流电机。但是，永磁 无刷直流电机存在一定程度的转矩脉动、振动噪声，控制精度低，所以h 能应用 在有减速系统和车速要求不高的混合动力汽车驱动巾【7 j 。 丌关磁阻电? i ( s r m ) 结构简单，制造成本低廉，转矩转速特性好，但是噪声 高而且转矩脉动问题严重，而且控制系统较复杂，目前在混合动力汽车卜的应用 还不多。国内的华中科技大学、北京中纺锐力机电有限公司等单位都致力】：电动 汽车用开关磁阻电机的丌发，二汽集团开发的e q 6 6 9 0 型电动汽车采j 1 了额定功率 为3 0 k w 的jr 关磁阻电机。 盛应电机目前大量应用于电动汽车中，尤其是在美国和欧洲国家。感应 b 机 的结构简单，可靠性高，控制技术比较成熟。美国t e s l a 公司2 0 0 8 年推出的电动 轿车采用了1 2 0 k w 的感应电机作为主驱动电机，最高转速和峰值转矩均达到很高 水平。欧洲方面，德| _ l 大众汽乍公司的g o l fi v 采用了额定功率为5 25 k w 的感应 电机诈旺特公司g ：产的t e m p r a 并联式混合动力电动汽车采用了额定功率为 2 15 k w 的感应电机。国内也有不少公司把感应l _ 1 机作为混台动力汽车的牵0 i 电机， 如| ； ；年集团生产的t e g 2 4 3 0 混合动力汽车采用了额定功率为2 8 k w 的感应 乜机 哈尔滨丁业大学研发的混台动力汽车用电驱动系统采用了4 0 k w 的感应电机。随 着f 乜力l 乜子和微机时代的u 束，感应电机的非线性控制问题已被矢量控制所攻克。 然m ，这些采用矢量控制的混合动力汽车用感应电机在轻载和j ；| 【! 定恒功率工作区 域内运行时，仍然存在低效率问题。 永磁同步电机具有高效、高控制精度、高转矩密度、低噪声的特点，合理的 磁蹄结构能够获得较高的弱磁性能，因而在电动汽车领域具打很高的应川价值， 并受到嗣内外研究人员的高度重税，尤其在r 本应用较为普遍，它们新研制的电 动汽车大都采用永磁同步电机作为驱动电机。同年尼桑公司t 产的a l t r ae v 使j 爿 了额定功率为6 2 k w 的永磁同步电机，丰h 1p r i u s 汽乍的= 代混合动力系统巾均采 用的是永磁同步电机，本阳公司也在同一时期研制出了额定容量为3 5 k wf t 能达 北京空通人学硕1 学位论文 到3 倍过载能力的永磁同步电机，并且该电机已被应l j 在了h a v o n u 混合动力的 s u v 概念车中。国内汽车界也已经出现了很多永磁同步 乜机驱动的电动汽车，如 汽的红旗牌混合动力轿车采用了哈工大研制的永磁同步电机作为驱动电机，郑 卅i 华联电动车辆研究所也已经成功研制出四人座的电动轿车，驱动永磁同步电机 的额定容量1 0 k w ，过载能力达到4 倍。 1 3 3 永磁同步电机的研究现状 与r n 励磁电机相比，永磁同步电机损耗小、效率高，作为解决能源短缺的新 途径，永磁| 司步电机4 ：电动汽车领域发展迅速并备受青眯，在永磁同步电机的分 析、设讣方面，国内# l - i t f 究人员都作了火量j i ：作并取得了阶段性成果。 准确计算永磁同步电机的参数对永磁同步电机的设讣十分重要。唐任远等人 以i i 置式转了电动机为例，运用专业电机没计软件r m x p r t 和电磁场有限元分析 软件m a x w e l l 2 d ，汁算出永磁同步电动机的参数，并系统地分析了这些参数对 电机性能的影响日】。在此基础上，结合同步l 乜机双反施理论，提出了功率类永磁同 步 乜机的参数优化设计方法，为驱动电机参数的初步选取指明了方向i i 。 为降低电机的损耗、振动、噪声及转矩脉动，卒载气隙永磁磁密的波形优化 成为永磁同步电机的重要研究问题，应尽量使其波形正弦化( ”i 。基于这一思路， 诸多学者对此进行了研究，费伟中、沈建新等人从电机本体j b 发，提出了采 j 偏 心转子结构改善气隙磁崭波形的方法，湖南入学的黄晟等人对嵌则式永磁同步电 动机的空载气隙磁密的波形进行分析，提出了川若：块永磁体代特单块永磁体作 为个 二磁极的方法，喻尔滨- e g k 大学的孙立志、火阪大学的m a s a y u k i 丁等人通 过优化永磁体磁化方向k 度改善了表面式永磁| i 司步电机气隙磁密的爪弦性，沈阳 i i | 、l k 大学的郭振宏等人分析了内簧式磁路结构极弧系数和隔磁桥尺寸对空载气隙 永磁磁密波形的影响，并提出了改进措施i “i 。 峰值功率和功率密度也是永磁同步电机的重婴性能指标，重庆大学的学者分 析了影响峰值功率能力的因素，同时分析了鹅个工作区域的效率特性和影响因素， 研究高效率区域i 控性移动的方法，美崮密歇根理工大学的相关学者采用内箕式 冷却技术以及轴向传热技术丌发j 了高峰值功率电机。在功率密度方i 甘j ，几本人 阪i b 机 ：样实验室于2 0 0 6 年通过集中绕组和定子分段技术研制出了4 0 k w 电动汽 车牵引电机，其功率密度高达3 2 k w k g 。国内的研究学者丰要从减小铁心质量的 角度束提高电机的功率密度如哈尔滨t 业大学的学者通过合理设置转子铁心e 的丌孔位冠，在不影响 b 机 乜磁性能的前提下提高了电机的功率密度。 永磁同步电机的另个问题就是定位力矩，它使褂电机在低速轻载下转甜! 脉 绪论 动较大，影响控制系统精度，学者们提出采用斜槽i ”】、斜极n 4 i 和虚槽等结构柬优 化这一问题。同时，哈尔滨工业大学的学者分析了齿槽定位转矩对电动机起动过 程的影响，研究了提高齿槽转矩谐波次数以减小齿槽转矩的方法。 由于永磁体的价格比较高，人们在永磁体结构形式和用量上开始投以更多关 注，并不断探索新的结构以求设计出低成本高效率的电机。美国一名著名的物理 学家k h a l b a c h 提出了种新式永磁体阵列结构的电机h 舶a c h 电机m i ，这种 电机的气隙磁场正弦度好，功率密度犬，效率高，有利于能量的节省。l , j i r , t 盘式 永磁电机也吸引了人们更多的阿光，这种电机的定转f 在窑问上呈平面相对放霄 这样的特殊结构非常有利于散热，吲而定转子可选取较高的f 乜流密度获得较大 的起动转矩、过载能力及较高的功率重量比| l “。 从以上对永磁i , j 步乜机的研究成粜可以看f 关于它的技术r 渐成熟，屯动汽 车的发展大大推进了永磁同步电机的研究，在这种背景下，本课题主要针对永磁 同步电机在电动汽车领域进行了研究，提出了采用“负载法”精确计算电机的性 能参数，分析了电机的变频特性和弱磁性能，总结出了电机的结构参数1 j 电机性 能的关系，从而使电动汽车用电机的研究更加完善。 14 本课题的主要研究内容 本论文对电动汽车用永磁同步电机进行电磁场分析，即针对眩电机的参数计 算、磁场分析、变频特性以及结构参数进行了研究，完成的主要工作如r ： 1 ) 在熟练掌握永磁同步电机的结构特点和基本原理的基础上，对样机进行拆 解、尺寸测量、奉j 料分析，并在有限元软件中进行建模。 2 ) 在有限元软件a n s o f ll _ | 对电机的空载磁场进行分析，计算出电机的空载气 隙磁密和空载反f 乜动势，在此基础上得到电机的窄载漏磁系数和波形系数，以 弥补磁路法参数计算精度的不足。然后通过“负载浊”选代求解 ：电机的额定负 载场，此处采用双收敛法，即在满足给定功率和电压f 进行求解，并在额定负载 场下计算电机的重要参数交直轴电枢反应屯抗。 3 ) 遵循上述“负载法”，在电动汽车的变频特性曲线上选择6 个t 况点，其 中包括额定转速和最人转速，分别对这6 个工况点进行仿真分析，即在静磁场中 进行选代汁算，在瞬态场中加载求解进行验证，以此说明i b 机的变频特性a 4 ) 介绍了电动汽车用永磁同步电机的熏要性能参数，通过改变电机的芙键尺 寸参数即永磁体尺寸、气隙长度、电枢槽i 】宽度等，在空载磁场和额定负载场f 分别计算出r 乜机的空载气瞰磁密、空载反电动势、齿槽转矩、功率因数、效率和 交直轴电枢反应电抗，总结出电机结构参数对电机性能参数的影响。 水磁阿步电机的基本理论 2 永磁同步电机的基本理论 在对电动汽车用永磁同步电机进行电磁场分析之前，必须熟悉和掌撮永磁同 步电机的基本结构和运行原理。永磁同步电机的运行原理与电励磁l 司步电机相同， 由于以永磁体励磁代替励磁绕组励磁，结构简单，加工简易，且运行可靠，又无 需励磁电流，省去励磁损耗提高了电机的效率和功率密度。 永磁同步电机分类方法很多。按工作主磁场方向的不同，分为径向磁场式和 轴向磁场式；按电根绕组位置的不同，可分为内转了式( 常规式) 和外转_ 式： 按转子上有无起动绕组，町分为有起动绕组的电动机( 异步起动永磁同步l b 动机) 和无起动绕组的电动机( 调速永磁同步电动机) ：按供电f 乜流波形的不同，可分为 矩形波永磁同步电动机和j f 弦波永磁同步电动机( 简称永磁同步l b 动机) i i7 1 。 本章主要对永磁| r 寸步电机的基本结构和运行原理进行阐述，为后【面的电磁场 分析做好准各t 作。 21 永磁同步电机的基本结构 永磁l 司步r u 机山定了、转子和端盖组成，定子与异步电机基本梢同，采用叠 片结构以减小f 乜动机的铁耗。电枢绕组既可采用整距绕纰，电i 叮采用分靠绕组和 非常舰绕组。永磁同步电机与其他电机最主要的区别就是转子的磁路结构下面 对其进行简要介纲。 按照永磁体在转了位胃上的不同，永碰同步电机的转f 有三种磁路结十句：表 面式转于磁路结构、内置式转子磁路结构和爪极式转子磁路结构。采川爪极式转 子磁路结构的永磁同步电机性能较低，又不具备异步起动能力，故在此4 i 怍讨论。 2 1 】表面式转子磁路结构 表而式转_ 磁路结构的永磁体一般呈瓦片形状，安放在转子铁心的外表面， 水磁体提供沿径向的磁通，并日起 ! i 护作用的非磁性圃筒被放辩在永磁体外表而 与定子铁心内铡之州，图2 - i 即为这种结构的典1 4 代表。表而式转子磁路结构般 分为凸出式( 罔2 - 1 a ) 和插入式( 圈2 - 1 b ) 两种，由于永磁体的相对回复磁导率 接近l ，赦凸出式转子和隐极式转予属j 一同一类，捅入式转子与i ”i 式转予则属卜 同一类。 发面l ”l 出式转于结构较为简单，制造成本比较低，转动惯量相对较小，因而 北京交通人学硕十学位论文 广泛应用在恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电动机和矩形波永磁同步电动 机中，与此同时永碰磁极通过合理设计可使气隙磁密的波形与正弦波更为接近， 所以可以显著提高电机的运行性能。 1 永磁体2 转子铁心3 转轴 幽2 - i 表而式转子碰路结构 f i 9 2is u r f a c e mr o t o r m a g n e t i cs t c m ” 袤而插入式的转子磁路不对称，因此产生的磁阻转矩可以提高屯机的功率密 度，与凸出式相比较它的动态性能有所提高，制造_ 丁艺较为简竹，但它的劣势是 制造成本和漏磁系数都比凸出式转子大。 综l 所述，表面式转子磁蹄结构具有结构简单、制造成本低等优点，在矩形 波永磁旧步电动机中应用较多，但山十转予表而无法安置起动绕组，所以没有异 步起动能力，在异步起动永磁同步屯机； ，不能应川。 2 12 内置式转子磁路结构 这种结构中，永磁体安置在转子内部，山铁磁材料制成的极靴被放筒在定子 铁一f i , 内| ；j 】与永磁体外表而之| j ( 对于外转子磁路结构则为永磁体内表而与转子铁 心外圆之间) ，极靴中一般可以放置铸钒笼或铜条笼，起阻尼或( 和) 起动作用， 所以这种结构的f 乜机动、稳态性能都很好，广泛应用于性能要求较高或要求有门 起动能力的永磁同步电机中，又该电机的转子磁路结构不对称，由此产生的磁阻 转矩可以显著提高电机的过载能力和功率密度，而且存易实现弱磁扩速。 按永磁体磁化方向与转于旋转方向的关系分类，内置式转予磁路结构可以分 为径向式转子磁路结构、切向式转子磁路结构和混合式转予磁路结构。 1 径向式结构在这类转予磁路结构( 陶2 - 2 ) - 扣，它具有漏磁系数小、转轴】二 舅勇 心 永磁同步l u 机的基本理论 币需要采取隔磁措施、极弧系数的控制较为方便、转予冲片机械强度高等优点。 图2 - 2 是近年来应用较为广泛的一种结构，永磁体在永磁体槽中沿轴向插入，并在 磁钢之间发置隔磁磁桥以达到限制永磁体漏磁的目的，这种结构具有简单、可靠、 转子冲片机械强度高等优点，圈中b 结构比a 结构可以为永磁体提供更大的空间。 ， 2 4 弋沙，0 s ( 嘭 两， a ) b ) 】一永磁体2 一鼠笼条3 一转轴4 一铁心5 一水融体梢 幽2 - 2 山苴径向式转子证i 路结构 f i g22 b u i l t - i nr a d i a lr o t o r m a g n e t i c $ f f u c t u r e 2 切向式结构这类结构( 如图2 - 3 ) 的缺点是漏磁系数较大，闳而需要采h j 相 应的隔磁措施，但是其优点在于一个极距下的磁通由相邻两个磁极并列提供，兄 其适用于极数较多、径向结构供给磁通不足的电机中，此外该结构的电机r 磁阻 转矩所占的比例高达4 0 ，所以这类结构的电机功率崮度较其他结构更高，恒功 率运行范围更宽。 北京交通人学硕七学位论文 该结构需要采h j 非磁性转轴或隔磁铜套，应用范围主要是剩磁密度较低的铁氧体 永磁同步电动机。 i 一永磁体2 一鼠笼条3 一转轴4 一铁心 圈2 - i 内置湖台式转子磁路结构 f i 9 24b u i l t - i nh y b r i dr o t o r m a g n e t i cs t r u c t u r e 奉课题的永磁同步电动机采用内置式转子磁路结构，与袭而式转子磁路结构 比较，有以下优点： 1 ) 在永磁体磁化方向长度和气隙长度都相同的前提下，与表面凸出式转子磁 路结构的永磁同步电动机相比，内置式转子磁路结构的永磁同步电动机能获得更 大的直轴同步电感，从而可以有效拓宽电动机的恒功率运行范围； 2 ) 在抗不可逆退磁能力方面，内置式永磁同步电动机巾的永磁体比表面凸 j j 式的更有优势： 3 ) 内置式永磁同步电动机的磁阻转矩较高，因此永磁磁链可以选择较低些， 这也在定程度l ：提高了电动机的弱磁扩速能力； 4 ) 内蠲1 式永磁同