1、 機械與車輛學院電動汽車驅動技術結課論文（2015-2016學年第一學期）論文題目：電動汽車驅動電機系統的研究 姓名： 學號： 班級：車輛工程。課程老師：成績：基于寶馬i3電動汽車電機驅動系統研究摘 要電機作為混合動力系統中一個重要的動力輸出源，其自身的性能直接影響到了電動汽車的整體性能。車用電機及其控制系統的集成化主要體現在電機與發動機、電機與變速箱、電機與底盤系統的集成度不斷提高。對于混合發動機與ISG集成，其發展從結構集成到控制集成和系統集成，電機與變速箱的一體化愈加明顯，汽車動力的電氣化成分越來越高，不同耦合深度的機電耦合動力總成系統使得電機與變速箱兩者之間的聯系變得越來越緊密。在高性

2、能電動汽車領域，全新設計開發的底盤系統、制動系統、輪系將電機和動力傳動裝置進行一體化集成，融合程度越來越深。雖然目前市場上分布了輕混、中混、強混等各種混合程度的混合動力車型，但從各種混合度車型的節能減排效果來看，混合程度越高，汽車的節能能力越強。電功率占整車功率的比例正在混合動力汽車領域逐漸提高，電機已不再單單作為發動機的附屬設備。各車廠正在逐漸將小排量發動機和大功率電機運用在汽車驅動上。寶馬公司的寶馬i3配備了具有自主知識產權的eDrive混合式同步電動機，該電動機具有永磁電動機和磁阻電動機的優點。關鍵詞：永磁同步電機；永磁體；驅動控制系統。目 錄1.前言11.1本設計的目的、意義及應達到的

3、技術要求：11.2系統或是技術在國內外的發展概況及存在的問題：11.3本論文的主要內容：22. WBM i3的電動機系統組成：32.1 WBM i3的電動機：32.2永磁同步電動機的結構：3永磁同步電動機的工作原理：4永磁同步電機驅動控制系統：63.結論：8參考文獻91.前言：電動汽車已經成為當前汽車產業發展的一大趨勢，包括了純電動汽車、混合動力 電動汽車、燃料電動汽車等類型。電動汽車的技術核心是同時關注動力性、安全性和經濟性等內容，其關鍵技術包括了電驅動技術、能源技術、能量管理技術及汽車制造等多個技術。電驅動技術的不斷發展和創新，為不同類型的電動汽車的推廣應用奠定了堅實的技術基礎。40多年來

4、，BMW始終致力于可持續交通的發展并穩步取得了多項關鍵性成功，BMW不斷將夢想更廣泛地付諸實踐，從各種類型的原型車和測試車輛中積累了寶貴的經驗。采用eDrive技術的BMW i3專為城市交通設計的，是不折不扣的環保汽車。它純粹由電力驅動，完全滿足綠色低碳零排放的交通要求，是城市交通智能化的體現。憑借革新的eDrive技術，此款車不僅實現了零排放和無與倫比的駕駛體驗，而且駕駛人可全程盡享寧靜安逸，續航能力也達到了單次充電可連續行駛160公里。1.1本設計的目的、意義及應達到的技術要求：目前發展低碳經濟已經延伸到了國民經濟的各個領域內，首當其沖要在汽車產 業實現突破。新能源汽車是目前整個世界汽車工

5、業的競爭焦點，世界各大汽車廠商都將未來汽車發展重點放在新能源汽車上，而純電動汽車因為其整體的優越性越來越受到各國汽車廠商的重視，純電動汽車關鍵技術也成為了主要競爭點。電動汽車在技術方案上可以采用的方案有直流有刷電機、永磁無刷電機、交流感應電機和開關磁阻等四種電機作為動力源。目前直流有刷電機已經被淘汰，永磁電動機具有緊湊結構和高扭矩密度輸出的特點，并且能以較低電流來啟動。雖然如此，永磁體材料的成本是一個有待解決的問題，因為電動機旋轉產生的熱量有可能對永磁體產生損害。開關磁阻電動機結構簡單，動力充沛，看起來是一個成本最低的技術解決方案。但開關磁阻電動機有不少缺點，如轉矩波動高，噪音大、功率因數低和

6、效率低。寶馬i3的永磁同步電動機能在多個磁體方向中（即不同的磁極方向中）產生一系列不同的電磁感應和與磁極方向相反的交叉電感；只要驅動電動機以合適的方式驅動，電動機就能產生磁阻轉矩。這種磁阻轉矩能對電動機永磁磁通產生的轉矩相互補充。1.2系統或是技術在國內外的發展概況及存在的問題：從全球范圍看，有刷直流電機、感應電機與有刷磁鐵電機商品化歷史最長，產品更新換代不斷，迄今還在應用。20世紀80年代開始進入商品化的表面永磁同步電機與90年代以來研制開發的開關磁阻電機、內置式永磁同步電機以及最新的同步磁阻電機相繼進入市場，并在電動汽車與混合動力汽車上獲得應用。日本相關企業和研究機構主要開發混合動力汽車，

7、近幾年來在批量生產的日本電動汽車車型上以采用永磁同步電機驅動系統為主流。近年來歐美等國家開發的電動汽車多采用交流感應電機作為驅動系統，其主要優點是價格較低，性能可靠；其缺點是啟動轉矩小，運行效率較低1目前我國電動汽車驅動電機生產企業有30多家，但多數企業規模小，實力還較弱。驅動電機是新型的電傳動行業的一個分支，新型的高新技術企業是這一行業的主力軍之一，它們一般依托于高校或者科研院所，具有較強的技術水平，但由于成立不久，這些企業大多實力較弱，融資渠道單一，生產能力不強。除了新成立的高新企業外，我國有相當一部分驅動電機企業是由傳統電機制造商轉型而來。 自國家“863電動汽車重大專項”實施以來，經過

8、十多年的發展，電動氣車用電機系統研究進步較大，我國電機驅動系統基本功能和性能已經接近國際先進水平，但產品對汽車使用環境的適應性不足，產業化之路還存在較多瓶頸。國內電機驅動系統的可靠性及耐久性尚未得到充分驗證，和汽車行業的嚴格要求還有一定差距。由于我國系能源汽車在示范運行階段，產量不大，因此造成了在制造工藝方面也有很大差距。手工繞線圈、手工裝配等傳統落后工藝與國外自動生產線大批量生產相比，其生產的產品一致性差，從而導致可靠性差。國內動力總成裝置的集成度不高，機電一體化不夠。1.3本論文的主要內容：BWM i3汽車配置的驅動電動機重50千克，最大輸出功率為125千瓦，功率系數為 2.5千瓦/千克；

9、該電動機能輸出線性功率，轉速范圍較高，其最高轉速為114000轉/分。2了解WBM i3汽車配置的驅動電機的各項性能以及它的一些優缺點。2.WBM i3的電動機系統組成：寶馬使用的電動機可歸類為永磁同步電動機。永磁同步電機驅動控制系統由電動機，轉子位置傳感器和逆變器組成。它輸出的交流電流經整流后供給發電機轉子勵磁，定子繞組接通交流電源產生電樞磁場，依靠電磁相互作用氣隙中產生一個轉子帶動而余轉子同轉速的合成旋轉磁場，使定子繞組感生電動勢產生電磁轉矩，以實現能量轉換。 但寶馬對該電動機進行了精心的設計，并選擇合適尺寸的零部件來制造，讓其能產生自磁化效應；該自磁化效應原本只有磁阻電動機才能產生。自磁

10、化效應帶來的額外勵磁效果能為電動機電流勵磁提供有益的補充；在高速旋轉時，兩種勵磁方式讓其工作更加可靠。寶馬i3使用的電動機的最高轉速能達到11400轉/分。2.1WBM i3的電動機：永磁同步電動機具有：效率高，更加省電，功率因數高，電機結構簡單，可靠性高，體積小，功率密度大，起動力矩大，噪音小，溫升低等優點。寶馬的i3主要是基于永磁同步電動機的基礎上加以進一步的改改善，因此它的基本性能與永磁同步電動機相同的。2.2永磁同步電動機的結構：圖2.1正弦波永磁同步電動機驅動系統的基本組成框圖三相永磁同步電機具有定子三相分布的繞組和永磁轉子。定子繞組一般制成三相繞組。三相繞組沿定子鐵心對稱分布，在空

11、間互差120圖2.2永磁同步電機實物結構圖度電角度，通入三相交流電時，產生旋轉磁場。轉子采用永磁體，目前主要以釹鐵硼作為永磁材料。采用永磁體簡化了電機的結構，提高了可靠性，又沒有轉子銅耗，提高電機的效率。圖2.2永磁同步電機實物結構圖2.2.1永磁同步電動機的工作原理：由于電機定子三相繞組中接入三相對稱交流電產生旋轉磁場，用旋轉磁極N、S來模擬。根據磁極異性相吸、同性相斥的原理，不論定子旋轉磁極與永磁磁極起始相對位置如何定子的旋轉磁極總會由于磁拉力拖著轉子同步旋轉，同步電機轉速可表示為: （式2.1）電動機的運行狀態如圖2.3：圖2.3電動機的運行狀態永磁同步電機的數學模型由電壓方程、磁鏈方程

12、、轉矩方程和機械運動方程組成，在兩相旋轉坐標系下的數學模型如下：（1）電機在兩相旋轉坐標系中的電壓方程如下式所示: (式2.2)其中，sR為定子電阻；du、qu分別為d、q軸上的兩相電壓；di、qi分別為d、q軸上對應的兩相電流；dL、qL分感；cw為電角速度；dy、qy分別為直軸磁鏈和交軸磁鏈。若要獲得三相靜止坐標系下的電壓方程，則需做兩相同旋轉坐標系到三相靜止坐標系的 變換，如下式所示。 （式2.3）（2）qd軸磁鏈方程： （式2.4）其中，fy為永磁體產生的磁鏈，為常數是機械角速度，p為同步電機的極對數，cw為電角速度，o為空載飯電動勢，其值為每項繞組反電動勢的3倍。（3）轉矩方程： （

13、式2.5）把它代入上式可得： （式2.6）（式2.7）對于上式，前一項是定子電流和永磁體產生的轉矩，稱為永磁轉矩；后一項是轉子突極 效應引起的轉矩，稱為磁阻轉矩，若Ld=Lq，則不存在磁阻轉矩，此時，轉矩方程為： （式2.8）這里，tk為轉矩常數，。（4）機械運動方程： （式2.9）其中，mw是電機轉速，L是負載轉矩，J是總轉動慣量（包括電機慣量和負載慣量），B是摩擦系數。2.2.2永磁同步電機驅動控制系統：永磁同步電動機矢量控制策略與異步電動機矢量控制策略有些不同。由于永磁同步電動機轉速和電源頻率嚴格同步，其轉子轉速等于旋轉磁場轉速，轉差恒等于零，沒有轉差功率，控制效果受轉子參數影響小。因此

14、，在永磁同步電動機上更容易實現矢量控制。（1）Id=0控制（磁場定向控制）Id=0控制是矢量控制中的一個特殊的控制方法，從電動機端口看，相當于一臺他勵直流電動機，定子電流中只有交軸分量，且定子磁動勢空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交，即=90°，電機轉矩中只有永磁轉矩分量。（2）最大轉矩/電流控制最大轉矩/電流控制也稱單位電流輸出最大轉矩的控制，是凸極式永磁同步電動機用的較多的一種電流控制策略。對于隱極式永磁同步電機（大多數表貼式永磁電機）來說，最大轉矩/電流控制就是Id=0控制。電流矢量應滿足的兩條件： （式2.10） (式2.1)（式2.12）其中為電機的凸極率，=Lq/ Ld。實

15、際系統中，開關信號是由轉矩和定子磁鏈的給定值與反饋值的偏差經滯環比較得到。而轉矩和定子磁鏈的給定值是由電磁轉矩和定子磁鏈估算模型計算得到的。圖2.4 PMSM直接轉矩控制系統結構3）弱磁控制 弱磁控制的思想來自于他勵直流電動機的調磁控制（通過降低他勵直流電動機的勵磁電流大小，可拓寬其轉速范圍）。而對于永磁同步電機來說，勵磁磁場是永磁體產生，無法進行調節，只有通過調節定子電流，即增加定子直軸去磁電流分量來維持高速運行時電壓的平衡，達到弱磁擴速的目的。 （式2.13）在同一電流極限圓上的A點和C點，轉矩也一致，但轉速卻是C點更高。還有，如果按照最大轉矩/電流控制，在轉速為時只能做到Tem2大小的功

16、率（B點），但是通過做弱磁控制，增大電機的直軸去磁電流，削弱了永磁體產生的氣隙磁場，可以增大電機的輸入電流使轉矩提高到Tem1(C點)達到了弱磁擴速的目的。3.結論：永磁同步電動機的優點：具有高控制精度、高轉矩密度、良好的轉矩平穩性以及低噪聲的特點,通過合理設計永磁磁路結構能獲得較高的弱磁性能,提高電動機的調速范圍,因此在電動車驅動方面具有較高的應用價值,受到國內外電動汽車界的高度重視。 缺點：價格較高，磁鋼價格較高；弱磁能力低，由于永磁同步電動機轉子為永磁體，無法調節，必須通過加定子直軸去磁電流分量來削弱磁場，這會增大定子的電流，增加電動機的銅耗；起動困難，高速制動時電勢高，給逆變器帶來一定的風險。 日前，永磁同步電機的發展趨勢主要有以下幾面: (1)無位置傳感器永磁同步電機驅動系統(2)具有磁場控制的永磁同步電機驅動系統 (3)輪式永磁同步電機驅動系統 (4)動力傳動一體化電機驅動系統(電機、減速齒輪、傳動軸)(5)雙饋電永磁同步電機驅動系統 永磁同步電動機結構簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高，和直流電機相比，它沒有直流電機的換向器和電刷等缺點。和異步電動機相比，它由于不需要無功勵磁電流，因而效率高，功率因數高，力矩慣量比大，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉子