电动汽车用永磁同步电动机及其驱动系统研究
【摘要】：在国家863计划项目“钕铁硼电机应用产品开发”及辽宁省科学技术计划项目“高性能钕铁硼永磁电机的研制”的资助下,对电动汽车用永磁同步电动机及其驱动系统进行了系统、深入的研究,取得了一些具有重要理论意义和工程实用价值的成果。
概括起来,本文的内容可分为以下几个部分:
第一部分首次采用永磁同步电动机(PMSM)d、q坐标系下的相量分析方法,详细分析电机不同弱磁率、凸极率及不同定子电流控制策略对电机电压、电流相量变化轨迹的影响,及由此导致的电机功率特性及弱磁扩速能力的差异。推导出以弱磁率和凸极率为变量的PMSM弱磁扩速倍数表达式,由此得出提高PMSM弱磁扩速能力的根本方法,并比较不同磁路结构PMSM弱磁扩速能力的大小。
第二部分全面研究了电动汽车用PMSM的设计计算方法。首先给出电动汽车用PMSM性能参数指标的确定步骤;其次研究了电机转子外圆偏心对内置式PMSM空载气隙永磁磁密波形的影响,并采用模拟退火算法对该波形进行优化设计,总结出该种磁路结构PMSM获得良好空载气隙永磁磁密波形的电机设计准则,并由实测结果进行验证;最后深入研究电动汽车用PMSM的场路结合设计方法,并采用场路结合方法对电动汽车用PMSM的参数设计进行研究,分析了不同电机参数对电动汽车整体性能的影响,提出参数设计准则。在上述分析的基础上,设计制作了一台轻微型电动客车用7.5kW永磁同步电动机。
第三部分对电动汽车用PMSM的绕组换接进行了深入分析研究。提出用绕组换接的方法弥补PMSM弱磁扩速能力的不足,以在逆变器及蓄电池容量不变的前提下,改善电动汽车的起动加速及低速爬坡能力,同时提高系统低速大转矩运行时的整体效率。首先分析了绕组换接的原理及绕组换接前后电机参数的变化,提出了绕组换接方法;其次用计算机仿真方法研究了PMSM绕组换接的动态过程及有无绕组换接对电动汽车性能的影响,给出有绕组换接电机的设计步骤及应注意的问题;最后进行了试验验证。
第四部分首先研究了PMSM样机控制系统的各硬件组成部分,给出系统的硬件结构框图及软件设计流程图,并以80C196KC单片机为核心,以PL/M语言为编程语言,完成了控制系统;然后对电动汽车用PMSM整体系统进行了试验验证,试验证明系统具有很好的性能;最后,建立了PMSM驱动的电动汽车的计算机仿真数学模型,编制了计算机仿真软件,并对本样机系统驱动的电动汽车各运行工况进行了计算机仿真。
【关键词】：电动汽车 永磁同步电动机 功率特性 极弧优化 场路结合设计 绕组换接 数字仿真 控制系统 【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2001
【分类号】：TM341
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2006.113564
【目录】：
- 摘要4-5
- ABSTRACT5-10
- 第1章 绪论10-18
- §1.1 课题背景及选题意义10-11
- §1.2 电动汽车及其技术领域的研究现状11-15
- 1.2.1 不同种类电动汽车的开发11-12
- 1.2.2 电动汽车发展水平12-13
- 1.2.3 电动汽车的技术研究领域13
- 1.2.4 电动汽车电驱动系统研究现状13-15
- §1.3 电动汽车用永磁同步电动机系统的研究现状15-16
- §1.4 论文主要工作16-18
- 第2章 电动汽车用永磁同步电动机功率特性及弱磁扩速能力18-33
- §2.1 引言18
- §2.2 电动汽车用永磁同步电动机定子电流控制策略18-20
- 2.2.1 永磁同步电动机稳态运行数学模型18-19
- 2.2.2 永磁同步电动机的定子电流控制策略19-20
- §2.3 永磁同步电动机恒转矩控制和普通弱磁控制时的功率特性20-26
- 2.3.1 永磁同步电动机功率特性相量分析方法20-21
- 2.3.2 电压电流相量变化轨迹21-22
- 2.3.3 功率因数随电流相量相角的变化关系22-23
- 2.3.4 功率与电角速度之间的关系23-26
- §2.4 永磁同步电动机最大输入功率弱磁控制时的功率特性26-29
- 2.4.1 功率特性曲线26-29
- 2.4.2 电压电流相量变化轨迹29
- §2.5 永磁同步电动机弱磁扩速能力的提高29-31
- §2.6 其他因素对电机功率特性及弱磁扩速能力的影响31
- §2.7 本章小结31-33
- 第3章 电动汽车用永磁同步电动机设计计算研究33-51
- §3.1 电动汽车用驱动电动机性能参数指标确定33-37
- 3.1.1 电动汽车性能要求及运行过程分析33-35
- 3.1.2 电动汽车用驱动电动机性能参数确定35-37
- §3.2 内置式磁路结构PMSM空载气隙永磁磁密波形优化37-42
- 3.2.1 永磁同步电动机空载气隙永磁磁密波形37-38
- 3.2.2 转子外圆偏心对空载气隙永磁磁密波形的影响38-40
- 3.2.3 空载气隙永磁磁密波形的优化设计40-42
- §3.3 电动汽车用永磁同步电动机场路结合设计计算42-45
- 3.3.1 电动汽车用PMSM的磁路局部饱和及交直轴磁路耦合42-43
- 3.3.2 PMSM的场路结合设计计算方法43-45
- §3.4 电动汽车用永磁同步电动机的参数设计研究45-48
- 3.4.1 电机参数变化对电机、电动汽车性能的影响45-47
- 3.4.2 蓄电池的放电特性47-48
- 3.4.3 电动汽车用永磁同步电动机参数选择48
- §3.5 电动汽车用PMSM的整体设计计算及样机设计48-50
- 3.5.1 电动汽车用PMSM的整体设计计算48-49
- 3.5.2 样机电机的设计49-50
- §3.6 本章小结50-51
- 第4章 电动汽车用永磁同步电动机的绕组换接运行分析51-65
- §4.1 引言51
- §4.2 电动汽车用PMSM绕组串并联换接51-55
- 4.2.1 PMSM绕组的串并联换接52-53
- 4.2.2 绕组串并联换接前后电机参数变化53-55
- 4.2.3 绕组换接的实现55
- §4.3 电动汽车用PMSM绕组换接运行的仿真分析55-60
- 4.3.1 电动汽车用PMSM有无绕组换接的对比研究55-59
- 4.3.2 PMSM绕组换接运行性能的进一步改善59-60
- §4.4 有绕组换接电动汽车用永磁同步电动机的设计60-62
- §4.5 试验验证62-64
- §4.6 本章小结64-65
- 第5章 控制系统的设计实现、整体系统试验及电动汽车仿真65-81
- §5.1 PMSM系统的设计实现65-68
- 5.1.1 PMSM系统概述65-66
- 5.1.2 增量式编码器的选用及其安装66-67
- 5.1.3 电机位置、速度的采样67-68
- §5.2 PMSM控制系统软件设计68-70
- 5.2.1 PMSM控制软件框图68-69
- 5.2.2 电流控制策略在单片机上的实现69-70
- §5.3 电动汽车用PMSM控制系统的性能70-71
- §5.4 PMSM样机整体系统试验71-73
- 5.4.1 相电动势波形测试71
- 5.4.2 效率特性试验71-72
- 5.4.3 转矩转速特性试验72-73
- §5.5 PMSM系统驱动的电动汽车计算机数字仿真73-79
- 5.5.1 PMSM驱动的电动汽车仿真数学模型73-75
- 5.5.2 样机系统驱动的电动汽车的计算机数字仿真75-79
- §5.6 本章小结79-81
- 第6章 全文总结81-83
- 致谢83-84
- 攻读博士学位期间撰写的学术论文及完成的科研成果84-86
- 参考文献86-92
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