电动车辆用永磁同步电机设计

1第1章引言1.1电动车辆发展背景汽车尾气的排放对人类健康和人们生活构成了严重威胁，再综合能源问题的考虑，于是，具有零排放污染的电动汽车重新被重视起来，各国都制定了相关的鼓励政策。典型的例子如美国，1993年9月，美国政府提出了10年完成的“新一代汽车合作计划”(PNGV)，由政府牵头，组织几十个公司和机构，完成提高燃料经济性和开发电动汽车的规定目标。各大公司在政府的支持下，也制定了发展电动汽车的长远规划[1]，调动社会上各种力量参与电动汽车的研制。电动汽车经历了关键性技术的突破，样机、样车的研制，区域性试用以及小批量实际应用等探索阶段，现在已接近商业化生产。电动汽车是以电为动力的汽车，电动机是其主要动力来源。1.2电动汽车分类目前的电动汽车分类主要有以下两种：1）燃料电池电动汽车初期的电动汽车因电池组体积大、续驶里程短、使用不方便、成本高等缺点，无法与技术已经成熟的内燃机汽车相比。要想发展电动汽车必须在技术上解决比能量、比功率、寿命、成本以及研发经费等各种难题。到了20世纪90年代，电动汽车技术有了显著的进步。如燃料电池的比功率从1997年的0．16kW/kg，提高到2000年的0．47kw/kg，提高了近3倍。燃料电池，尤其是以氢为原料的质子交换膜燃科电池(PEMFC)，成了电动汽车发展的希望[2]。燃料电池汽车(FuelCell—PoweredE1ectricVehicles)实际上是一种使燃料中的化学能转变为电能从而驱动车辆的汽车，排放物只是没有污染并可再利用的水。燃料电池的发展还有些关键性技术难题，如催化剂、质子交换膜、极板等，这些问题都在研究攻关阶段，但不管如何，“氢能”必将引起汽车工业的革命。1996年，北京举办的国际电动汽车及代用燃料汽车展览会上，参展的电动汽车有福特的Ranger电动轻卡车，通用的EV1型车，丰田的RAV4L型车，PSA集团的SAXO型车，菲亚特的ZIC等车型，充分展示了电动汽车的发展水2平。此外，还有很多混合动力汽车展出。1999年，在日本东京国际车展上，展出的燃料电池汽车有丰田公司功率为75kW的燃料电池汽车；奔驰公司A级燃料电池汽车，车内空间与内燃机车型相同。功率为50kW，最高速度为150km/h；三菱公司功率为40kW的燃料电池汽车；福特、本田等公司也都展示了自己公司燃料电池汽车的成果。2000年10月，通用公司在北京展出了号称“氢动一号”的燃料电池汽车，应用液态氢驱动燃料电池组，总体积与一台普通汽油机相当，功率为80—120kW，整车质量为1575kg，0—100km/h加速时间仅为12秒，这些指标与相应的汽油机汽车基本相当。丰田公司最新一轮燃料电池汽车FCHV—4，输出功率为90kW，最高时速150km，续驶里程250km。现在开发出来的汽车代用燃料还有压缩天然气(CNG)、液化石油气(LPG)、甲醇和乙醇等等，这些代用燃料汽车都已投入实际使用，尤其是压缩天然气和液化石油气汽车使用得更广泛一些。另外，还有正在研究阶段的太阳能汽车，以及在设想中的核能汽车等新能源汽车。但是从资源的角度和现在发展状况看，电动汽车是最具生命力的。随着社会的发展，氢燃料电池的氢的提取、氢的储存、氢的社会供应等技术难题会逐渐解决。各大公司都已建立了电动汽车批量生产的总装配生产线。据说，戴姆勒—克莱斯勒、通用、福持、丰田、本田的电动车路试工作已结束，2002年将投入商业化生产。估计到2010年，世界燃料电池汽车的年产量可达100万辆，占世界汽车总产量的1％左右。图1-1氢燃料电池车基本工作原理32）混合动力汽车混合动力汽车也称为复合动力汽车(HybridVehicle)。混合动力汽车是兼顾降低燃油消耗和减少排放污染两种意义而研制的，也就是说，是向零排放过渡的一种形式。一般这种车的动力是由一台发动机和一台电动机两套系统组成的，任何一个系统都可以单独使用，也可以边走边充电。正常行驶时用电动机驱动，当需要充电或车辆需要瞬间大功率时，发动机即投入运转。也就是说，可将发动机限定在高效率及排放清洁的范围内运行。由于混合动力汽车是介于内燃机汽车和电动汽车之间的一种形式，成本比电动汽车要低得多(见表3)，虽然比发动机汽车还是高，但技术上比电动汽车要容易实现得多。由于各国、各地区的排放法规日益严格，目前已有很多国家实际使用了混合动力汽车，各大汽车公司都生产和销售这种车型。混合动力轿车中发动机与电动机的联接基本上有两种形式——并联和混联(串联与并联混合)。在并联形式中，电动机与蓄电池都控制在最小范围内，有利于控制成本和质量；而混联的形式。比较接近电动车，所以燃油经济性较好。日产公司的Dino混合动力车装备1.8L4缸发动机，无级变速电动机和理离子蓄电池，采用并联方式联接。三菱公司的SUWAdvence混合动力车装备1.5L77kW直喷汽油机，与12kW电动机组合一起，并配以锂离子蓄电池。图1-2混合动力汽车工作原理图41．3常见电机简介通常电动机的作功部分作旋转运动，这种电动机称为旋转电动机；也有作直线运动的，称为直线电动机[3]。电动机能提供的功率范围很大，从毫瓦级到万千瓦级。电动机的使用和控制非常方便，具有自起动、加速、制动、反转、掣住等能力，能满足各种运行要求；电动机的工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。由于它的一系列优点，所以在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。图1-3感应电动机磁感线分布示意图图1-4感应电动机绕组模型5各种电动机中应用最广的是交流异步电动机（又称感应电动机）。它使用方便、运行可靠、价格低廉、结构牢固，但功率因数较低，调速也较困难。大容量低转速的动力机常用同步电动机（见同步电机）。同步电动机不但功率因数高，而且其转速与负载大小无关，只决定于电网频率。工作较稳定。在要求宽范围调速的场合多用直流电动机[4]。但它有换向器，结构复杂，价格昂贵，维护困难，不适于恶劣环境。20世纪70年代以后，随着电力电子技术的发展，交流电动机的调速技术渐趋成熟，设备价格日益降低，已开始得到应用。电动机在规定工作制式（连续式、短时运行制、断续周期运行制）下所能承担而不至引起电机过热的最大输出机械功率称为它的额定功率，使用时需注意铭牌上的规定。电动机运行时需注意使其负载的特性与电机的特性相匹配，避免出现飞车或停转。电动机的调速方法很多，能适应不同生产机械速度变化的要求。一般电动机调速时其输出功率会随转速而变化。从能量消耗的角度看，调速大致可分两种：①保持输入功率不变。通过改变调速装置的能量消耗，调节输出功率以调节电动机的转速。②控制电动机输入功率以调节电动机的转速。图1-5电动机转速控制原理框图6图1-5燃料电池工作原理示意图电动车不在发动机内燃烧汽油。它使用存储在电池中的电来发动。在驱动汽车时有时使用12或24块电池，有时则需要更多。正如远距离控制的模拟电动汽车一样，电动车配有用来旋转车轮的电发动机以及使发动机运转的电池。电动汽车主电动机的特征是：机壳由机座内衬和机座外套组成，新型体积小、重量轻，对电机的冷却及时可靠。电动汽车主电动机，包括端盖、定子铁心、转子、定子绕组，其特征在于：机壳由机座内衬和机座外套组成，机座内衬的内侧固定定子铁心。铁心的冷却方式采用水冷或者风冷，本设计采用风冷方式，由固定在转子轴上的风扇实现，所实现的冷却较为可靠。7第2章永磁同步电动机概述永磁同步电机的运行原理与电励磁同步电机相同，但它以永磁体提供的磁通替代后者的励磁绕组励磁，使电机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。因而它是近年来研究比较多并在各个领域中得到原来越广泛应用的一种电机。2．1永磁同步电机分类永磁同步电机分类方法主要有：按工作主磁场方向分为：径向磁场式、轴向磁场式；按电枢绕组位置可分为：内转子式（常规式）、外转子式；按转子上有无启动绕组可分为：无起动绕组电动机（用于变频器供电场合，利用频率的逐步升高启动，并随频率的改变而调节转速，常称为调速永磁同步电动机）、有起动绕组电动机（既可用于调速运行又可在某一频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转矩起动，常称为异步起动永磁同步电动机）；按供电电流可分为：矩形波永磁同步电动机、正弦波永磁同步电动机（简称永磁同步电动机）。本课题所涉及电动机为径向磁场、内转子式的异步起动永磁同步电动机，采用正弦波供电电流。2．2永磁同步电动机的总体结构永磁同步电动机由定子、转子和端盖等部件构成。定子与普通感应电动机基本相同，采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。转子铁心可做成实心或叠片叠压而成。电枢绕组既有采用集中整距绕组的，也有采用分布短距绕组和非常规绕组的。一般来说，矩形波永磁同步电动机通常采用整距绕组，正弦波永磁同步电动机通常采用分布短距绕组。2．3永磁同步电动机的工作原理永磁同步电动机属于异步启动永磁同步电动机，其磁场系统由一个或多个永磁体组成，通常是在用铸铝或铜条焊接而成的笼型转子的内部，按所需的8极数装镶有永磁体的磁极。定子结构与异步电动机类似。当定子绕组接通电源后，电动机以异步电动机原理起动动转，加速运转至同步转速时，由转子永磁磁场和定子磁场产生的同步电磁转矩（由转子永磁磁场产生的电磁转矩与定子磁场产生的磁阻转矩合成）将转子牵入同步，电动机进入同步运行。永磁同步电机的定子为三相对称绕组，与三相异步电动机结构相同。转子上粘有钕铁硼（NdFeB）磁钢[5]。驱动器为交-直-交电压型逆变器，通过正弦波脉宽调制（SPWM）输出频率、电压可变的三相正弦波电压。三相正弦波电压在定子三相绕组中产生对称三相正弦波电流，并在气隙中产生旋转磁场。旋转磁场的角速度12/fp,其中p为电动机对数。这个旋转磁场与已充磁的磁极作用，带动转子与旋转磁场同步旋转并使定、转子磁场轴线对齐。当外加负载转矩以后，转子磁场轴线将落后定子磁场轴线一个θ功率角，负载愈大，θ也愈大，直到一个极限角度θm，电动机失步为止。由此可见：同步电动机在运行中，要么转速与频率严格成比例旋转，否则就失步停转。所以，它的转速与旋转磁场同步。它的静态误差为零；在负载扰动下，只是功率角θ变化，而不引起转速变化，它的响应时间是实时的。这是其它调速系统做不到的。但是，因为它存在失步问题，所以它不适合用于重载下运行。又由于它只能在频率渐升情况下才能启动，所以也不适于快速启动。2．4永磁同步电动机的特点永磁同步电动机应用广泛，具有以下特点：(1)更高的综合节能效果永磁同步电动机由永磁体激磁，无需励磁电流，故可显著提高功率因数（可达1甚至容性）；定子电流小，定子铜耗显著减小；转子无铜耗（三相异步电动机转子绕组损耗约占总损耗的20～30％），因而发热低，可以取消风扇或减9小风扇，从而无风摩耗或减少风摩耗，故永磁同步电动机一般比同规格异步电动机效率可提高2～8％，并且在很宽的负载变动范围内始终保持高的效率和功率因数，尤其在轻载运行时节能效果更显著。(2)可满足某些工业应用需大的起动转矩和最大转矩倍数的动态需求常规异步电动机起动转矩倍数和最大转矩倍数都有限，为达要求，需选择更大容量的异步电动机，而到了正常运行状态，异步电动机则又处于轻载运行状态，效率和功率因数均较低。例如为油田抽油机设计的具有异步起动能力的永磁同步电动机，起动转矩倍数可达3.6倍以上，效率可达94％，功率因数可达0.95，既满足了负载动态时大转矩的要求，还具有很高的节能效果[6]。(3)能满足低速直接驱动的需求为了提高控制精度、减小振动噪声、杜绝油雾带来的不安全，也为了大转矩驱动的需求，近年来对低速电动机的需求也不断增长。如用于电梯拖动的永磁同步曳引机，转矩提高了十几倍，取消了庞大的齿轮箱，通过曳引轮直接拖动轿厢，明显减小了振动和噪声。又如船用吊舱式电力推进器，将低速大转矩的永磁同步电动机置于船舱外的吊舱，无需原来的传动系统，直接驱动螺旋桨，实现船舶的运行和控制。这是船舶驱动技术的又一发展，国外自上世纪九十年代已成功用于豪华邮轮、专用油轮等[7]。(4)能满足多极高功