新能源汽車電機控制技術與教程

目 錄
第 1 章 新能源汽車驅動電機概述 ................................................................. 1
1.1 新能源汽車的發展現狀 ........................................................................................ 1
1.2 新能源汽車的發展趨勢 ........................................................................................ 5
1.2.1 技術創新不斷突破 ..................................................................................... 6
1.2.2 市場規模持續擴大 ..................................................................................... 6
1.2.3 相關設施不斷完善 ..................................................................................... 6
1.2.4 相關產業協同發展 ..................................................................................... 7
1.2.5 商業模式不斷創新 ..................................................................................... 8
1.2.6 政府支持力度增大 ..................................................................................... 9
1.3 新能源汽車驅動電機的主要特點 ...................................................................... 10
1.3.1 常見的驅動電機 ....................................................................................... 11
1.3.2 主要運行控制方式 ................................................................................... 14
1.4 新能源汽車對驅動電機的要求 .......................................................................... 15
1.5 新能源汽車驅動電機的相關性能分析 .............................................................. 16
1.5.1 啟動性能 ................................................................................................... 16
1.5.2 電機外特性 ............................................................................................... 17
1.5.3 電機效率特性 ........................................................................................... 18
1.5.4 部分負荷特性 ........................................................................................... 18
1.5.5 溫升特性 ................................................................................................... 19
1.5.6 抗幹擾能力 ............................................................................................... 20
1.5.7 故障診斷 ................................................................................................... 21
1.5 參考文獻 .............................................................................................................. 24
第 2 章 電機電磁場的有限元仿真與案例 .................................................... 26
2.1 有限元軟件基本功能簡介 .................................................................................. 26
2.1.1 有限元方法 ............................................................................................... 26
2.1.2 有限元仿真軟件Maxwell ......................................................................... 26
2.2 異步電機結構模型建立及其磁路分析 .............................................................. 28
2.2.1 異步電機結構和工作原理 ....................................................................... 28
2.2.2 異步電機定轉子參數化模型的建立 ....................................................... 29
2.2.3 異步電機Rmxprt建模 ............................................................................... 55
2.2.4 異步電機電磁特性的有限元分析 ........................................................... 58
2.3 異步電機的電磁場分布 ...................................................................................... 60
2.4 異步電機的電磁特性 .......................................................................................... 61
2.5 改變結構參數對異步電機電磁特性的影響分析 .............................................. 64
2.5.1 改變極對數對異步電機電磁特性的影響分析 ....................................... 64
2.5.2 改變定子槽數對異步電機電磁特性的影響分析 ................................... 69
2.5.3 改變轉子槽數對異步電機電磁特性的影響分析 ................................... 73
第 3 章 內置式“V”型永磁電機仿真分析和樣機性能測試 ......................... 79
3.1 引言 ...................................................................................................................... 79
3.2 內置式“V”型永磁電機的結構 ....................................................................... 80
3.3 內置式“V”型永磁電機加強筋與磁橋的優化設計 ....................................... 82
3.3.1 轉矩-速度包絡曲線對比 .......................................................................... 83
3.3.2 加強筋和磁橋尺寸對於轉矩波動的影響 ............................................... 84
3.4 內置式“V”型永磁電機的樣機和實驗測試 ................................................... 89
3.5 整數槽結構對內置式“V”型永磁電機齒槽轉矩的影響 ............................... 94
3.6 加強筋和磁橋寬度對內置式“V”型永磁電機齒槽轉矩的影響 ................... 95
3.7 參考文獻 .............................................................................................................. 98
第 4 章 內置式“一”型永磁電機的運行控制和性能測試 ......................... 100
4.1 引言 .................................................................................................................... 100
4.2 內置式永磁電機的數學建模 ............................................................................ 101
4.3 內置式“一”型永磁電機的電流環調節器設計 ............................................ 102
4.4 內置式“一”型永磁電機的速度環調節器設計 ............................................ 106
4.5 內置式“一”型永磁電機起動控制技術的仿真計算和分析 ........................ 108
4.6 內置式“一”型永磁電機起動控制技術的硬件實驗測試和改進 ................ 112
4.6.1 實驗測試裝置 ......................................................................................... 112
4.6.2 速度穩定性的理論分析和提高 ............................................................. 113
4.6.3 起動響應性能的硬件測試 ..................................................................... 114
4.6.4 抗幹擾性能測試 ..................................................................................... 116
4.6.5 理論仿真和硬件實驗結果的討論 ......................................................... 117
4.7 逆變器開關周期對於內置式“一”型永磁電機電流環控制性能的影響 ........................ 118
4.7.1 內置式“一”型永磁電機電流環PI控制的穩定性分析 ..................... 119
4.7.2 實驗測試和結果分析 ............................................................................. 120
4.8 內置式“一”型永磁電機的轉速平穩性控制 ................................................ 123
4.8.1 理論分析 ................................................................................................. 123
4.8.2 轉速閉環控制的仿真計算和分析 ......................................................... 126
4.8.3 硬件實驗驗證 ......................................................................................... 127
4.9 其他控制技術在提高電機dq軸電流響應時間方面的研究分析 .................... 129
4.9.1 內模-比例控制的基本原理 .................................................................... 130
4.9.2 內模-比例控制的調節參數選擇 ............................................................ 132
4.9.3 理論仿真分析和硬件實驗驗證 ............................................................. 133
4.10 空間矢量脈寬調制技術的理論分析與實現 .................................................. 138
4.10.1 坐標變換理論 ....................................................................................... 138
4.10.2 空間矢量脈寬調制技術的數學描述 ................................................... 141
4.10.3 扇區劃分 ............................................................................................... 142
4.10.4 電壓空間矢量合成 ............................................................................... 144
4.10.5 參考電壓矢量的扇區判斷 ................................................................... 148
4.10.6 空間矢量脈寬調制技術可行性的實驗驗證 ....................................... 149
4.11 參考文獻 .......................................................................................................... 157
第 5 章 磁通切換永磁電機的設計和靜態性能測試 .................................... 160
5.1 磁通切換永磁電機的結構設計 ........................................................................ 160
5.2 磁通切換永磁電機的仿真分析 ........................................................................ 164
5.3 永磁體增磁、去磁的原理和仿真分析 ............................................................ 169
5.4 永磁體調磁控制系統的設計 ............................................................................ 172
5.4.1 硬件電路系統設計 ................................................................................. 173
5.4.2 初步實驗測試 ......................................................................................... 174
5.5 磁通切換永磁電機調磁系統的硬件平臺和實驗測試 .................................... 176
5.5.1 兩種磁通切換永磁電機的樣機加工 ..................................................... 176
5.5.2 硬件平臺測試系統的搭建 ..................................................................... 177
5.5.3 感應電動勢的實驗測試和對比 ............................................................. 178
5.5.4 齒槽力的實驗測試和對比 ..................................................................... 184
5.5.5 新型磁通切換永磁電機增磁、去磁下的負載力實驗測試 ................. 186
5.6 參考文獻 ............................................................................................................ 187
第 6 章 電機溫度場的建模與案例分析 ...................................................... 190
6.1 軟件介紹 ............................................................................................................ 190
6.2 電機溫度場介紹 ................................................................................................ 194
6.2.1 電機溫度場分析的重要性 ..................................................................... 194
6.2.2 電機內的熱傳遞 ..................................................................................... 194
6.2.3 溫度場計算微分方程 ............................................................................. 197
6.3 永磁同步電機溫度場仿真建模 ........................................................................ 199
6.3.1 電機損耗及熱源密度計算 ..................................................................... 199
6.3.2 邊界條件的確定 ..................................................................................... 202
6.3.3 繞組導熱系數的確定 ............................................................................. 205
6.4 基於Transient thermal的電機溫度場 ................................................................ 207
6.5 永磁同步電機的溫度場計算分析 .................................................................... 215
6.5.1 正常狀況下電機的溫度場分析 ............................................................. 216
6.5.2 故障狀況下電機的溫度場分析 ............................................................. 219
附錄 ............................................................................................................................. 222