【正文】 由于永磁同步電動機轉子直軸磁 路中永磁體的磁導率很小，使得電動機直軸電樞反應電感一般小于交軸電樞反應電感，這一點異于電勵磁凸極同步電動機。 北京理工大學本科生畢業(yè)設計（論文） 11 第 3 章 車用永磁同步電機設計過程 3． 1 電機基本設計參數 本電動機是為滿足一般小型乘用車的使用而設計的，完成一般客運的功率提供功能，其 基本設計參數如下： 額定功率 ： 45NP kW? ； 額定轉速 ： 4500 / minNnr? ； 額定線電壓 ： 380V； 額定效率 ： ?? ； 絕緣等級 ： F； 起 動轉矩倍數 ： ? ； 定子外徑 ： ； 定子內徑 ： ； 氣隙長度 ： ； 轉子內徑 ： ； 鐵心長度 ： ； 定轉子槽數 ： 36/32； 鐵心材料 ： DW31550； 轉子結構型式內置徑向Ｗ型。我國交流伺服電動機和驅動器，尚處在發(fā)展初期。在某些場合，甚至實現了 100000∶ 1 的調速范圍和小于 1～ 2％的低速轉矩波動。 (6) 能夠滿足 運動控制系統(tǒng)的需求 目前電氣傳動技術已從簡單的速度控制發(fā)展到運動軌跡控制。英國研制的用于艦艇的橫向磁場電機，功率達 10MW，轉速為 180r/min。 1986 年德國 教授首先提出橫向磁場永磁電機（ TransverseFluxPMMachine－ TFM）的設想，該設想一反傳統(tǒng)結構，使電機的磁負荷和電負荷不再相互制約，特別適合高功率密度、大轉矩、低速和直接驅動的場合。有些并聯供磁的電機，磁負荷甚至可高達 1 特斯拉以上。 (5) 高功率密度的需求 艦船、車輛受體積所限，要求電動機要有高功率密度、高轉矩密度。若仍用異步電動機驅動，隨著極數增加，其功率因數北京理工大學本科生畢業(yè)設計（論文） 10 明顯降低，在輕載和空載時，功率因數將更低，因此在 Y 型系列電機中， 10極電機已不多見。多極電機還顯著減小了定子端部長度，減小定子銅耗、從而減少發(fā)熱、提高了效率。這是船舶 驅動技術的又一發(fā)展，國外自上世紀九十年代已成功用于豪華郵輪、專用油輪等 [7]。如用于電梯拖動的永磁同步曳引機，轉矩提高了十幾倍，取消了龐大的齒輪箱，通過曳引輪直接拖動轎廂，明顯減小了振動和噪聲。例如為油田抽油機設計的具有異步起動能力的永磁同步電動機，起動轉矩倍數可達 倍以上 ，效率可達 94％，功率因數可達 ，既滿足了負載動態(tài)時大轉矩的要求，還具有很高的節(jié)能效果 [6]。 2． 4 永磁同步電動機的 特點 永磁同步電動機應用廣泛，具有以下特點： (1) 更高的綜合節(jié)能效果 永磁同步電動機由永磁體激磁，無需勵磁電流，故可顯著提高功率因數（可達 1 甚至容性）；定子電流小，定子銅耗顯著減小；轉子無銅耗（三相異步電動機轉子繞組損耗約占總損耗的 20～ 30％），因而發(fā)熱低，可 以取消風扇或減北京理工大學本科生畢業(yè)設計（論文） 9 小風扇，從而無風摩耗或減少風摩耗，故永磁同步電動機一般比同規(guī)格異步電動機效率可提高 2～ 8％，并且在很寬的負載變動范圍內始終保持高的效率和功率因數，尤其在輕載運行時節(jié)能效果更顯著。但是，因為它存在失步問題，所以它不適合用于重載下運行。它的靜態(tài)誤差為 零；在負載擾動下，只是功率角θ變化，而不引起轉速變化，它的響應時間是實時的。由此可見：同步電動機在運行中，要么轉速與頻率嚴格成比例旋轉，否則就失步停轉。這個旋轉磁場與已充磁的磁極作用，帶動轉子與旋轉磁場同步旋轉并使定、轉子磁場軸線對齊。 三相正弦波電壓在定子三相繞組中產生對 稱三相正弦波電流，并在氣隙中產生旋轉磁場。轉子上粘有釹鐵硼（ NdFeB）磁鋼 [5]。 當定子繞組接通電源后，電動機以異步電動機原理起動動轉，加速運轉至同步轉速時，由轉子永磁磁場和定子磁場產生的同步電磁轉矩（由轉子永磁磁場產生的電磁轉矩與定子磁場產生的磁阻轉矩合成）將轉子牽入同步，電動機進入同步運行。 2． 3 永磁同步電動機的工作原理 永磁同步電動機屬于異步啟動永磁同步電動機，其磁場系統(tǒng)由一個或多個永磁體組成，通常是在用鑄鋁或銅條焊接而成的籠型轉子的內部，按 所需的北京理工大學本科生畢業(yè)設計（論文） 8 極數裝鑲有永磁體的磁極。電樞繞組既有采用集中整距繞組的， 也有采用分布短距繞組和非常規(guī)繞組的。定子與普通感應電動機基本相同，采用疊片結構以減小電動機運行時的鐵耗。 本課題所涉及電動機為徑向磁場、內轉子式的異步起動永磁同步電動機 ，采用正弦波供 電電流 。 因而它是近年來研究比較多并在各個領域中得到原來越廣泛應用的一種電機。 鐵心的冷卻方式采用水冷或者風冷，本設計采用風冷方式，由固定在轉子軸上的風扇實現，所實現的冷卻較為可靠。 電動汽車主電動機 的 特征是：機殼由機座內襯和機座外套組成 ， 新型體積小、重量輕，對電機的冷卻及時可靠。在驅動汽車時有時使用 12 或 24塊電池，有時則需要更多。 圖 15 電動機轉速控制原理框圖 北京理工大學本科生畢業(yè)設計（論文） 6 圖 15 燃料電池工作原理 示意圖 電動車不在發(fā)動機內燃燒汽油。通過改變調速裝置的能量消耗，調節(jié)輸出功率以調節(jié)電動機的轉速。一般電動機調速時其輸出功率會隨轉速而變化。 電動機運行時需注意使其負載的特性與電機的特性相匹配，避免出現飛車或停轉。 20 世紀 70年代以后，隨著電力電子技術的發(fā)展，交流電動機的調速技術漸 趨成熟，設備價格日益降低，已開始得到應用。在要求寬范圍調速的場合多用直流電動機 [4]。同步電動機不但功率因北京理工大學本科生畢業(yè)設計（論文） 5 數高，而且其轉速與負載大小無關，只決定于電網頻率。它使用方便、運行可靠、價格低廉、結構牢固，但功率因數較低，調速也較困難。由于它的一系列優(yōu)點，所以在工農業(yè)生產、交通運輸、國防、商業(yè)及家用電器、醫(yī)療電器設備等各方面廣泛應用。電動機能提供的功率范圍很大，從毫瓦級到萬千瓦級。三菱公司的 SUW Advence 混合動力車裝備 77kW 直噴汽油 機，與 12kW 電動機組合一起，并配以鋰離子蓄電池。比較接近電動車，所以燃油經濟性較好。 混合動力轎車中發(fā)動機與電動機的聯接基本上有兩種形式 —— 并聯和混聯 (串聯與并聯混合 )。由于混合動力汽車是介于內燃機汽車和電動汽車之間的一種形式，成本比電動汽車要低得多 (見表 3)，雖然比發(fā)動機汽車還是高，但技術上比電動 汽車要容易實現得多。正常行駛時用電動機驅動，當需要充電或車輛需要瞬間大功率時，發(fā)動機即投入運轉。混合動力汽車是兼顧降低燃油消耗和減少排放污染兩種意義而研制的，也就是說，是向零排放過渡的一種形式。估計到 2021 年，世界燃料電池汽車的年產量可達 100 萬輛，占世界汽車總產量的 1％左右。各大公司都已建立了電動汽車批量生產的總裝配生產線。但是從資源的角度和現在發(fā)展狀況看，電動汽車是最具生命力的。 現在開發(fā)出來的汽車代用燃料還有壓縮天然氣(CNG)、液化石油氣 (LPG)、甲醇和乙醇等等，這些代用燃料汽車都已投入實際使用，尤其是壓縮天然氣和液化石油氣汽車使用得更廣泛一些。 2021年 10月，通用公司在北京展 出了號稱 “ 氫動一號 ” 的燃料電池汽車，應 用液態(tài) 氫驅動 燃料電 池組， 總體積 與一臺 普通汽 油機相 當，功 率為80— 120kW，整車質量為 1575kg， 0— 100km/h 加速時間僅為 12 秒，這些指標與相應的汽油機汽車基本相當。 1999 年，在日本東京國際車展上，展出的燃料電池汽車有豐田公司功率為 75kW 的燃料電池汽車；奔馳公司 A 級燃料電池汽車，車內空間與內燃機車型相同。 1996 年，北京舉辦的國際電動汽車及代用燃料汽車展覽會上 ，參展的電動汽車有福特的 Ranger 電動輕卡車，通用的 EV1 型車，豐田的 RAV4L 型車，PSA 集團的 SAXO 型車，菲亞特的 ZIC 等車型，充分展示了電動汽車的發(fā)展水北京理工大學本科生畢業(yè)設計（論文） 2 平。 燃料電池汽車 (Fuel Cell— Powered E1ectric Vehicles)實際上是一種使燃料中的化學能轉變?yōu)殡娔軓亩寗榆囕v的汽車，排放物只是沒有污染并可再利用的水。如燃料電池的比功率從 1997 年的0． 16kW/kg，提高到 2021 年的 0． 47kw/kg，提高了近 3 倍。要想發(fā)展電動汽車必須在技術上解決比能量、比功率、壽命、成本以及研發(fā)經費等各種難題。 電動汽車是以電為動力的汽車 ，電動機是其主要動力來源。各大公司在政府的支持下，也制定了發(fā)展電動汽車的長遠規(guī)劃 [1]，調動社會上各種力量參與電動汽車的研制。北京理工大學本科生畢業(yè)設計（論文） 1 第 1 章 引 言 汽車尾氣的排放對人類健康和人們生活構成了嚴重威脅，再綜合能源問題的考慮，于是，具有零排放污染的電動汽車重新被重視起來，各國都制定了相關的鼓勵政策。典型的例子如美國， 1993 年 9 月，美國政府提出了 10 年完成的 “ 新一代汽車合作計劃 ”(PNGV) ，由政府牽頭，組織幾十個公司和機構，完成提高燃料經濟性和開發(fā)電動汽車的規(guī)定目標。電動汽車經歷了關鍵性技術的突破，樣機、樣車的研制， 區(qū)域性試用以及小批量實際應用等探索階段，現在已接近商業(yè)化生產。 目前的電動汽車分類主要有以下兩種： 1） 燃料電池電動汽車 初期的電動汽車因電池組體積大、續(xù)駛里程短、使用不方便、成本高等缺點，無法與技術已經成熟的內燃機汽車相比。到了 20 世紀90 年代，電動汽車技術有了顯著的進步。燃料電池，尤其是以氫為原料的質子交換膜燃科電池 (PEMFC)，成了電動汽車發(fā)展的希望 [2]。燃料電池的發(fā)展還有些關鍵性技術難題，如催化劑、質子交換膜、極板等，這些問題都在研究攻關階段，但不管如何， “ 氫能 ” 必將引起汽車工業(yè)的革命 。此外，還有很多混合動力汽車展出。功率為 50kW，最高速度為150km/h；三菱公司功率為 40kW 的燃料電池汽車；福特、本田等公司也都展示了自己公司燃料電池汽車的成果。 豐田公司最新一輪燃料電池汽車 FCHV— 4，輸出功率為 90kW，最高時速150km，續(xù)駛里程 250km。另外，還有正在研究階 段的太陽能汽車，以及在設想中的核能汽車等新能源汽車。隨著社會的發(fā)展，氫燃料電池的氫的提取、氫的儲存、氫的社會供應等技術難題會逐漸解決。據說，戴姆勒 — 克萊斯勒、通用、福持、豐田、本田的電動車路試工作已結束， 2021 年將投入商業(yè)化生產。 圖 11 氫燃料電池車基本工作原理 北京理工大學本科生畢業(yè)設計（論文） 3 2） 混合動力汽車 混合動力汽車也稱 為復合動力汽車 (Hybrid Vehicle)。一般這種車的動力是由一臺發(fā)動機和一臺電動機兩套系統(tǒng)組成的，任何一個系統(tǒng)都可以單獨使用，也可以邊走邊充電。也就是說，可將發(fā)動機限定在高效率及排放清潔的范圍內運行。由于各國、各地區(qū)的排放法規(guī)日益嚴格，目前已有很多國家實際使用了混合動力汽車，各大汽車公司都生產和銷售這種車型。在并聯形式中，電動機與蓄電池都控制在最小范圍內，有利于控制成本和質量；而混聯的形式。 日產公司的 Dino 混合動力車裝備 4 缸發(fā)動機，無級變速電動機和理離子蓄電池，采用并聯方式聯接。 圖 12 混合動力汽車工作原理圖 1． 3 常見電機簡介 通常電動機的作功部分作旋轉運動，這種電動機稱為旋轉電動機；也有作北京理工大學本科生畢業(yè)設計（論文） 4 直線運動的，稱為直線電動機 [3]。電動機的使用和控制非常方便，具有自起動、加速、制動、反轉、掣住等能力，能滿足各種運行要求；電動機的工作效率較高，又沒有煙塵、氣味，不污染環(huán)境，噪聲也較小。 圖 13 感應電動機磁感線分布示意圖 圖 14 感應電動機繞組模型 各種電動機中應用最廣的是交流異步電動機（又稱感應電動機）。大容量低轉速的動力機常用同步電動機（見同步電機）。工作較穩(wěn)定。但它有換向器，結構復雜，價格昂貴，維護困難，不適于惡劣環(huán)境。 電動機在規(guī)定工作制式（連續(xù)式、短時運行制、斷續(xù)周期運行制）下所能承擔而不至引起電機過熱的最大輸出機械功率稱為它的額定功率，使用時需注意銘牌上的規(guī)定。電動機的調速方法很多，能適應不同生產機械速度變化的要求。從能量消耗的角度看，調速大致可分兩種：①保持輸入功率不變。②控制電動機輸入功率以調節(jié)電動 機的轉速。它使用存儲在電池中的電來發(fā)動。正如遠距離控制的模擬電動汽車一樣，電動車配有用來旋轉車輪的電發(fā)動機以及使發(fā)動機運轉的電池。 電動汽車主電動機，包括端蓋、定子鐵心、轉子、定子繞組，其特征在于：機殼由機座內襯和機座外套組成，機座內 襯的內側固定定子鐵心。 北京理工大學本科生畢業(yè)設計（論文） 7 第 2 章 永磁同步電動機概述 永磁同步電機的運行原理與電勵磁同步電機相同，但它以永磁體提供的磁通替代后者的勵磁繞組勵磁，使電機結構較為簡單，降低了加工和裝配費用，且無需勵磁電流，省去了勵磁損耗， 提高了電動機的