电动汽车用双层内置式永磁电机的设计与分析

永磁电机具有高效、高功率密度、高转矩密度等优点在车用驱动电机中得到广泛的关注。针对现有车用驱动电机的指标,分析车用永磁电机的工作原理,并设计一款100 kW双层内置式车用永磁驱动电机,利用有限元分析软件建立电机的二维有限元分析模型,分析电机的空载气隙磁密、反电势及齿槽转矩,初步验证了设计的合理性;在此基础上,计算电机的转矩电流特性、电机过载特性及转速-转矩特性,结果表明,所设计的电机的峰值转矩达1100 N·m,电机的峰值转速可达9000 r/min,弱磁扩速范围达到3倍以上,满足指标需求。

磁链分区的磁场增强型永磁电机全速域模型预测直接转矩控制

磁场增强型内置式永磁(flux intensifying interior permanent magnet,FI-IPM)电机的反凸极(L_(q)<L_(d))特性,使得正向d轴电流增强磁场,提高输出转矩的同时,也使得弱磁升速时d轴电流正负交替变化,电流角度变化大,磁链波动大,进而造成转矩脉动大、电流畸变振荡、响应速度慢等问题。针对这些问题,该文提出一种基于磁链分区的磁场增强型内置式永磁电机全速域模型预测直接转矩控制控制策略。根据FI-IPM电机速度运行区域与磁链状态映射关系,构建磁链和转矩预测模型。在此基础上,提出磁链分区控制,引入磁链差值判断增磁和弱磁运行区,并进行磁链补偿,解决不同速度运行域之间切换的震荡和不稳定问题。最后,通过实验验证所提出控制策略的有效性,为该类电机在电驱动系统中的应用提供技术方案。

电动汽车用永磁电机弱磁调速能力

针对电动汽车驱动系统对永磁电机恒功率调速范围的较高要求,研究了内置V型磁路结构参数对永磁电机弱磁调速能力的影响。采用有限元仿真的方法分析相邻磁极间距和磁极中心植入深度与直轴电感、交轴电感、凸极率、气隙磁密和永磁磁链之间的关系,并由此得到永磁转矩和磁阻转矩的变化规律。结合电机控制器最大逆变电压和输出电流,总结出永磁电机反电势和转子结构参数与弱磁调速范围的关系。样机实验结果表明,通过调整转子磁路结构进而优化电机反电势和凸极率的方法能够有效拓宽永磁电机弱磁调速范围。电动汽车用永磁电机应适当增加转子相邻磁极间距并降低永磁体埋置深度,降低电机反电势的同时增加磁阻转矩,提高恒功率调速阶段带载能力。

电动汽车用轮式永磁电机驱动系统的研究

本文介绍一种用于电动汽车的轮式永磁无刷直流电机驱动系统,讨论了以高力能指标、高效率和良好控制特性为目的,所采用的电机电势。

电动汽车驱动用内置式永磁同步电机设计与实验研究

针对电动汽车驱动电机既要满足低速区大转矩输出,同时又要满足高速恒功率区宽弱磁调速范围的特殊需求,提出采用V型转子磁路结构的内置式永磁同步电机作为驱动电机;通过对影响这种结构电机运行特性的主要参数理论分析表明:提高内置式永磁同步电机交轴电感Lq参数值,不仅有利于提高电机恒功区弱磁扩速范围,而且同时也满足低速区的大转矩输出要求。同时,采用这种结构设计了30 kw电动汽车驱动用内置式永磁同步电机,结合有限元对样机主要性能进行了电磁场计算;并对样机进行了参数实验、空载实验、负载实验。通过对比分析,样机实验测试结果与设计计算值、电磁场仿真计算结果相吻合,表明所研究V型内置式永磁同步电机结构及提高电机交轴电感Lq参数的设计方法是一种能够满足电动汽车驱动电机输出特性需求的有效方法。

基于内置式永磁电机驱动的电动汽车混合储能系统设计研究

针对电动汽车续航能力差、能源利用率低的问题,采用内置式永磁电机(IPM)驱动电动汽车,构造了电动机数学模型,提出了一种直接生成所需直流母线电压的矢量控制方案,用于最大转矩电流比(MTPA)条件下运行电动机。同时提出采用蓄电池、超级电容器(UC)和单个双向DC/DC转换器组成混合储能系统(HESS),构造混合储能系统的集成控制方法,允许电动机在MTPA区域工作更长的时间。通过开展不同工况下实验研究,结果表明:通过单个双向DC/DC转换器的组成混合储能系统(HESS)可实现车辆功率控制,降低了转换器损耗,充分利用了存储设备中存储的能量。基于内置式永磁电动机驱动的电动汽车混合储能系统在不同工况下均能实现车辆的有效控制,提高能源利用率。

电动汽车高性能永磁电机转矩脉动与电磁振动抑制方法研究

转矩脉动和电磁振动是制约内置式永磁同步电动机在电动汽车领域应用的两项重要因素,目前工程中通常采用定子斜槽或转子磁极分段方法对其进行抑制。对定子斜槽和转子磁极分段两种方法进行了全面的分析和对比,为高性能电动汽车永磁电机尤其是内置式永磁电机的转矩脉动和电磁振动抑制提供技术参考。通过有限元模型全面对比了两种电机的齿槽转矩、反电动势、电感参数、磁阻转矩、不同供电方式下瞬态转矩等多方面电磁性能;建立了电机的耦合多物理场模型,分别计算对比了激振力、模态频率和振动加速度响应等电磁振动属性。最后,分别制作了转子磁极分段电机和斜槽电机样机,进行了全面的电机试验,并与仿真结果进行了对比验证。结果表明,转子磁极分段电机在大负载大惯量的工况下能够达到与斜槽电机相近的力能品质,且对电磁振动具有较好的抑制效果。相比斜槽电机,转子磁极分段电机有助于降低电机加工的成本与难度,受轴向长度的制约较小。

电动汽车牵引永磁电机关键性能的有限元仿真分析

通过有限元仿真软件对电动汽车牵引用永磁电机的两个关键性能-牵引特性和振动噪声特性进行仿真分析,缩短电机的研发周期,解决车用永磁电机设计过程中样机反复试制费用大、周期长的缺点。建立永磁电机的电磁场2D有限元仿真模型,验证永磁电机的低速最大转矩输出能力和高速弱磁扩速能力,依据电磁场分析结果,在不影响电机牵引性能的前提下转子铁心开工艺槽,减小电机质量,改善转子通风条件。对车用永磁电机进行电磁力波分析,建立电机定子铁心的3D模态有限元仿真模型,分析得出电机结构的模态频率,从电机的电磁设计和结构设计上避免产生较大电磁振动和电磁噪声的可能性。

电动汽车新型转子内置式永磁同步电动机转矩脉动与电磁振动抑制研究

转矩脉动和电磁振动是评价电动汽车(electric vehicles,EVs)电机品质的2项重要因素。该文设计并研发一种新型两段式磁极转子结构,以降低电动汽车内置式永磁(interior permanent magnet,IPM)电机的转矩脉动和电磁振动。该结构的关键特征是转子由相同轴向长度的两段交错组合而成,不改变永磁体的尺寸和用量,每段转子上一个磁极的极弧宽度与其他磁极不同。受益于两段转子的交错安装,不等极弧宽度所引入的不平衡磁拉力被完全抵消。建立该电机的有限元模型和多物理场耦合分析模型,与一台传统磁极分段结构的10kW原型电机进行对比分析,对电机的电磁性能和振动响应进行全面的比较与评估。最后,分别制作新型两段式转子样机和传统磁极分段样机,对反电动势、齿槽转矩、矩角特性、瞬态转矩脉动和效率等进行试验对比。结果表明,所提出的新型两段式转子电机的转矩脉动、电磁振动抑制效果等性能均显著优于现有的磁极分段电机。该结构可推广到其他转子类型的永磁电机,具有重要的工程实用价值。

电动汽车用内置式分数槽集中绕组电机槽口优化设计

为研究分数槽集中绕组电机定子槽口参数对电机主要电磁性能的影响,基于二维有限元法建立电机性能计算模型,以电动汽车用10极12槽内置式分数槽集中绕组永磁电机为研究对象,分析定子槽口宽度和深度对主要电磁性能的影响。结果表明定子槽口宽度比为0.65时,电机具有最大输出转矩、弱磁和过载能力,同时带载转矩波动和转子涡流损耗相对较小,为电动汽车驱动电机优化设计提供参考。

电动汽车用外转子双凸极永磁电机建模与仿真

提出了一种新的建模方法,即在双凸极永磁电机电磁场有限元计算的基础上,利用非线性等效磁网络对双凸极永磁电机进行非线性建模与仿真。最后,用提出的非线性建模和仿真的计算方法,对一台三相12/8极双凸极永磁电机的相绕组电感和动态转矩进行了仿真。结果表明:相绕组电感和动态转矩的仿真与实验结果一致性较好。

电动汽车用外转子双凸极永磁电机建模与仿真

提出了一种新的建模方法,即在双凸极永磁电机电磁场有限元计算的基础上,利用非线性等效磁网络对双凸极永磁电机进行非线性建模与仿真。最后,用提出的非线性建模和仿真的计算方法,对一台三相12/8极双凸极永磁电机的相绕组电感和动态转矩进行了仿真。结果表明:相绕组电感和动态转矩的仿真与实验结果一致性较好。

电动汽车永磁电机产生振动的原因分析

本文主要分析了电磁力对永磁电机定转子的振动影响,通过分析永磁电机在电磁力作用下的定子、转子系统振动情况,得出电磁参数对永磁电机的振动影响较大,在电机设计、加工制造及装配时应充分考虑相关影响因素,防止出现永磁电机振动造成对车辆的运行安全威胁。

电动汽车用内置式永磁同步电动机精确转矩控制方法

提出一种基于转矩观测器的电动汽车内置式永磁同步电动机精确转矩闭环控制方法。通过内置式永磁同步电动机数学模型的建立,分析了基于Popov超稳定理论的模型参考自适应参数辨识方法,为了提高系统的响应速度,提出和采用了极点配置法。研究了自适应模型控制参数对MRAI系统响应时间的影响,并进行了验证和理论分析。仿真和实验结果表明辨识出的永磁体磁通和定子电阻较为准确,转矩观测器可以根据辨识出的永磁体磁通对实际的转矩进行估算,以此和转矩命令值构成转矩闭环控制,从而在永磁体磁通发生变化时提高驱动系统的转矩控制精度,改善电动汽车驱动系统的性能。

电动汽车永磁同步驱动电机优化波形质量方法

为了提升电动汽车的品质,控制永磁同步电机的振动与噪声,在对内置式永磁同步电机的空载气隙磁密波形与转子磁体结构关系研究的基础上,提出了一种新的气隙磁密波形优化方法.在均匀气隙下,使单个磁极的磁密在空间上不均匀分布.设计了"M"型新转子结构,对"M"转子结构永磁同步电机建立了有限元分析模型,并进行了有限元分析.结果表明:"M"转子结构的气隙磁密波形接近于正弦波,气隙磁密空间各成份谐波含量明显减少,气隙磁密波形正弦畸变率也有所减小,谐波得到了有效抑制.

电动汽车用内置式永磁同步电机驱动系统效率优化研究

随着电动汽车的普及及其技术发展,提升电动汽车驱动系统效率对于提高续航和节约能源均有重要意义。现有中小型电动汽车多采用内置式永磁同步电机(IPMSM)驱动系统,对此文章提出一种IPMSM驱动系统效率工程化优化方法。其从IPMSM直接转矩控制角度出发,首先通过理论分析得到IPMSM的铁损和铜损模型以及控制器损耗的等效损耗模型;然后在电机参数标定与测试的基础上,针对4种不同工况分别提出了4种提高系统效率的优化策略。台架试验和整车实际应用结果显示,优化后驱动系统效率整体提升了1~2个百分点,这些优化策略可使电机在不同转速下运行时提升系统效率,适用于电动汽车等应用场合。

电动汽车用永磁同步电机宽速域抗干扰滑模控制

针对电动汽车内置式永磁同步电机(IPMSM)的宽速域鲁棒抗扰转速跟踪问题,提出了一种高性能IPMSM非线性控制技术。其中采用最大转矩电流比(MTPA)方案和弱磁方案实现了IPMSM的宽速域运行,并通过泰勒展开对算法进行了化简。考虑消除虚拟控制器的微分噪声,引入二阶滑模微分器对其导数进行了估计,并设计了误差补偿信号。此外,为了提高系统在宽速域运行下的抗干扰能力,设计了一种扰动观测器估计负载转矩,对控制器进行了前馈补偿,并结合积分滑模控制(SMC)增强了系统的鲁棒性。最后,通过李雅普诺夫稳定性判据证明了系统的稳定性。基于FPGA搭建了IPMSM硬件在环(HIL)平台,验证了本文设计的控制器具有优异的抗干扰能力和鲁棒性。

电动汽车用永磁同步电机及其控制器外特性的研究

目前国内一部分电动汽车采用内置式永磁同步电机,内置式永磁同步电机及其控制器作为电动汽车动力源,外特性直接关系到电动汽车的性能。本文从电机控制理论方面,讨论了系统外特性,并用理论来分析系统外特性试验结果。为内置式永磁同步电机及其控制的设计、检测提供了参考。

电动汽车用永磁同步电机驱动系统的高性能控制

针对电动汽车用永磁同步电机驱动系统的特点,以内置式永磁同步电机为控制对象,设计了以TC1797为主控芯片的硬件驱动系统。软件控制中采用最大转矩电流控制结合电压负反馈闭环的弱磁控制的方式,使得整个驱动系统起动转矩大、调速范围宽、功率密度和效率高。搭建电动汽车用永磁同步电机驱动系统进行测试验证。试验结果表明该驱动系统弱磁扩速倍数可达3.5;系统的峰值效率达到95%,系统效率>85%的区域超过80%,验证了该控制技术的高效性和可行性。

内置式永磁电机碳纤维护套转子强度及过盈量分析

为解决内置式高速永磁电机在高速运行时的强度问题,对内置式永磁电机转子冲片结构和外部碳纤维绑扎带进行了综合设计研究。采用有限元方法,对冲片和碳纤维护套进行了整体刚度协调变形分析,重点考虑了碳纤维绑扎预紧力对初始绑扎状态和高速运行状态的不同影响。分析了初始过盈量及绑扎层厚度与静态及动态应力分布的关系,得出了动、静态下内置式永磁电机转子碳纤维护套强度与冲片强度的规律。