現(xiàn)代電機設(shè)計與控制技術(shù)交流課件

1、現(xiàn)代電機設(shè)計與控制技術(shù)主要內(nèi)容一、仿真技術(shù)與現(xiàn)代電機設(shè)計2-13二、異步電機設(shè)計及其控制技術(shù)14-24三、永磁電機設(shè)計及其控制技術(shù)25-49四、電動汽車的歷史、現(xiàn)狀與未來50-651引子1：傳統(tǒng)電機設(shè)計方法的缺陷（磁路法）圖0.1 局限原因分析圖2引子2：磁路法困難重重3引子3：研發(fā)新型電機、降成本的必然選擇？FEM圖0.2 減成本分析圖4一、仿真技術(shù)與現(xiàn)代電機設(shè)計圖1 異步電動機磁場云圖圖2 輸出轉(zhuǎn)矩曲線圖3 繞組電流曲線圖4 轉(zhuǎn)速曲線5問題一： 什么是仿真？問題二： 什么是有限元分析？問題三： 什么是現(xiàn)代電機設(shè)計？6 問題一：什么是仿真？ 仿真（simulation），即使用項目模型對項目

2、的具體功能進行實際模擬，根據(jù)目標(biāo)（技術(shù)指標(biāo)）要求對模擬結(jié)果進行判斷。模擬過程 模擬結(jié)果 要求目標(biāo) 項目仿真的硬件是計算機，軟件是基于某種項目某種特性的專業(yè)分析軟件。7公司目前的仿真軟件情況 電機本體設(shè)計 電機電磁場專業(yè)仿真分析軟件Easimotor；電機機械設(shè)計 機械結(jié)構(gòu)力學(xué)專業(yè)仿真分析軟件Ansys；電機控制系統(tǒng)設(shè)計 電機及控制系統(tǒng)仿真設(shè)計軟件Matlab Simulink；8 問題二：什么是有限元分析？有限元分析(FEA)的基本概念： 用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的近似解，然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件，從而

3、得到問題的解。9剖分及有限元模型實例圖5 有限元分析應(yīng)用例圖10問題三：什么是現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)？ 現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)過程圖6 現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)流程圖11 產(chǎn)品開發(fā)過程大體分為設(shè)計、分析和制造三個重要環(huán)節(jié)。現(xiàn)代電機設(shè)計過程 12現(xiàn)代電機設(shè)計過程2(現(xiàn)代設(shè)計流程)圖7 現(xiàn)代電機設(shè)計流程圖13二、異步電機設(shè)計及其控制技術(shù) 2.1 三相異步電機介紹轉(zhuǎn)子磁場與定子磁場不同步，落后于定子磁場，形成轉(zhuǎn)差。圖1三相異步電機模型圖(式1)142.2 三相異步電動機的T型等效電路圖空載試驗？堵轉(zhuǎn)試驗？Rm、 Xm、pm、pFe R1、R2、X1、X2152.3 異步電動機的向量圖異步動電機向量圖的作用？圖2 異步動電機向量圖1

4、62.4 異步電機的三種主要運行方式交流電網(wǎng)直接驅(qū)動運轉(zhuǎn)V/F轉(zhuǎn)速開環(huán)運轉(zhuǎn)FOC矢量控制運轉(zhuǎn)172.5 異步電機的三種主要運行方式1（性能對比）圖3 交流電網(wǎng)直接供電圖4 V/F轉(zhuǎn)速開環(huán)運轉(zhuǎn)圖5 FOC矢量運轉(zhuǎn)1圖6 FOC矢量運轉(zhuǎn)2182.5 異步電機的三種主要運行方式2（FOC框圖）圖7 基于轉(zhuǎn)子磁場定向的異步電機矢量控制原理圖192.5 異步電機的三種主要運行方式3（FOC參設(shè)）圖8 基于轉(zhuǎn)子磁場定向的異步電機矢量控制參數(shù)設(shè)置框圖202.5 異步電機的三種主要運行方式4（性能對比）表1 異步電機三種主要運行方式性能對比表212.6 交流電機設(shè)計經(jīng)典公式CA 的物理意義： 反映產(chǎn)生單位計算

5、轉(zhuǎn)矩所耗用的有效材料（銅、鋁或電工鋼）的體積，并在一定程度上反映了結(jié)構(gòu)材料的耗用量。(式2)(式3)22三種異步電機設(shè)計的幾個問題問題一： 工頻異步電機、變頻異步電機、FOC控制異步電機設(shè)計有何異同？問題二： 工頻異步電機、變頻異步電機、FOC控制異步電機設(shè)計的難易程度是否相同？問題三： 工頻異步電機、變頻異步電機、FOC控制異步電機的試驗過程有何異同？ 23簡單小節(jié)我公司所涉及異步電機的類型 高壓、油機、煤機、電動汽車用三相異步電機；我公司所涉及異步電機的控制方式； 開環(huán)不變頻、開環(huán)變頻、閉環(huán)FOC我公司所涉及異步電機的試驗； 常規(guī)高壓三相異步電機試驗； 變頻考核+常規(guī)三相異步電機試驗； 全

6、工況考核三相異步電機試驗(控制器)。24三、永磁電機及其控制技術(shù)1、永磁同步電機的種類 永磁同步電機的種類繁多，按照定子繞組感應(yīng)電動勢的波形的不同，可以分為：梯形波永磁同步電機(BLDCM)正弦波永磁同步電機(PMSM) 按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，可以分為：表貼式永磁同步電機內(nèi)嵌式永磁同步電機等252、永磁同步電機的結(jié)構(gòu)形式1圖1 表貼式結(jié)構(gòu) 圖2 內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu) 262、永磁同步電機的結(jié)構(gòu)形式2*圖3 其他結(jié)構(gòu)形式1272、永磁同步電機的結(jié)構(gòu)形式3 *圖3 其他結(jié)構(gòu)形式2282、永磁同步電機的結(jié)構(gòu)形式4 *圖3 其他結(jié)構(gòu)形式3292、永磁同步電機的結(jié)構(gòu)形式5 *圖3 其他結(jié)構(gòu)形式4303、交流永磁電機驅(qū)

7、動系統(tǒng)的特點優(yōu)點：采用稀土永磁勵磁，效率高，功率密度大，重量輕，體積??；缺點：電機運行時溫升不能太高，容易導(dǎo)致退磁；散熱要求高，成本高；特點：無刷直流：控制器簡單，輸出轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)矩脈動大，弱磁調(diào)速技術(shù)還不成熟；永磁同步：轉(zhuǎn)矩脈動??；調(diào)速性能好，弱磁調(diào)速范圍寬，控制器復(fù)雜。 314、永磁同步電機的電磁功率 上式的前半部分稱為基本電磁功率，由永磁磁場與電樞磁場相互作用產(chǎn)生；后半部分因凸極效應(yīng)產(chǎn)生，稱為附加電磁功率或磁阻功率。 如果忽略電樞電阻的影響，則(式1)326、表征永磁同步電機性能的幾條曲線1 336、表征永磁同步電機性能的幾條曲線2圖4圖5343、永磁同步電動機的典型向量圖圖6 容性去磁圖

8、7 中性去磁圖8 感性去磁357、電壓極限圓與電流極限圓和電機控制的關(guān)系圖9 弱磁控制與最大轉(zhuǎn)矩電流比控制 a) 表貼式 b) 內(nèi)嵌式36電動汽車專用電機對比分析37一體化設(shè)計的緣由圖1 電動機矢量控制系統(tǒng)框圖38設(shè)計思路的轉(zhuǎn)變?yōu)槭裁丛赑MSM中要考慮控制器？ PMSM電機的運行狀態(tài)由控制器唯一決定，控制器根據(jù)電機的運行轉(zhuǎn)速、負載指令、根據(jù)內(nèi)部控制策略、控制算法與調(diào)制技術(shù)唯一決定電機的運行狀態(tài)。不同的控制策略、控制算法以及功率拓撲結(jié)構(gòu)、控制器參數(shù)可以改變相同工況下的電機性能。39為什么在PMSM中要考慮控制器 因素一供電電源變頻變壓圖2 控制影響對比圖140為什么在PMSM中要考慮控制器 因素

9、二控制器參數(shù)、控制策略、調(diào)制技術(shù)影響電機的穩(wěn) 態(tài)運行性能；圖3 控制影響對比圖241為什么在PMSM中要考慮控制器 因素三電機齒槽轉(zhuǎn)矩、反電動勢紋波、諧波電流綜合作 用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動；圖3 電機本體影響圖42為什么在PMSM中要考慮控制器 因素四邊頻帶諧波電流產(chǎn)生電磁噪音，控制器與電機綜合作用產(chǎn)生的電磁噪音；圖4 調(diào)制指數(shù)不同噪音對比圖43如何確定PMSM的設(shè)計指標(biāo)確定設(shè)計指標(biāo)的基本流程圖1 PMSM設(shè)計基本流程圖44指標(biāo)分配的主要內(nèi)容空載反電勢波形畸變率齒槽轉(zhuǎn)矩電樞反應(yīng)額定電壓弱磁性能高效區(qū)域如何確定PMSM的設(shè)計指標(biāo)1圖2 反電勢初始取值參考圖45指標(biāo)的設(shè)計原則額定電壓：根據(jù)工況首要確定的參

10、數(shù)；空載反電勢：根據(jù)基本性能計算得到的參數(shù)；空載靜磁場；對沖片要進行優(yōu)化設(shè)計；波形畸變率：越小越好；齒槽轉(zhuǎn)矩：越小越好；電樞反應(yīng)：判斷負載工況，選擇合理的控制策略， 不能過飽和；弱磁性能：根據(jù)要求選擇合適的磁鋼結(jié)構(gòu)。如何確定PMSM的設(shè)計指標(biāo)246在PMSM設(shè)計重要考慮控制器的哪些因素1？控制策略(控制算法)控制策略對電機穩(wěn)態(tài)性能的影響圖1 PMSM 控制策略對電機性能的影響圖47調(diào)制技術(shù)PMSM的常用調(diào)制技術(shù)SPWM(540/2) SVPWM(540/1.732)在PMSM設(shè)計重要考慮控制器的哪些因素2？48簡單小結(jié)基于機電一體化電機與傳統(tǒng)電機的差別，在設(shè)計過程中，必須基于系統(tǒng)角度對電機性能

11、進行設(shè)計，同時，必須考慮控制器對電機性能的耦合因素；控制策略；調(diào)制方式；控制器參數(shù)。49四、電動汽車的歷史、現(xiàn)狀與未來1、電動汽車的歷史圖1 電動汽車發(fā)展歷程圖501834年世界上第一輛電動汽車圖2 西博蘭斯.斯特町 1834發(fā)明 第一輛電動車是由安德森在1832到1839年之間發(fā)明的。這輛電動車所用的蓄電池比較簡單，是不可再充的。隨后，斯特町應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)原理組裝了一臺電動三輪車，電磁感應(yīng)原理在這輛電動車上的應(yīng)用開啟了新技術(shù)在電動車的用之門。511873年世界上第一輛可供實用的電動汽車圖3 英國人 羅伯特戴維森 1873年發(fā)明 早在19世紀后半葉的1873年，英國人羅伯特戴維森制作了世界

12、上最初的可供實用的電動汽車。這比德國人戴姆和本茨發(fā)明汽油發(fā)動機汽車早了10年以上。521895年世紀之戰(zhàn)“第一屆國際汽車大獎賽” 1895年6月11日，第一屆國際汽車大獎賽在法國巴黎舉行，全程1135公里。蒸汽車奪得冠軍，歷時48小時47分鐘，平均時速為23公里。盡管電動車因續(xù)駛里程問題未能完成比賽，但是，這輛電動車的參賽向世人證明了電動車的可靠性，是電動汽車史上一個重要的里程碑。BEVICV圖4 世紀PK ICV勝出532、電動汽車的現(xiàn)狀口述2011北京國際車展感受54目前全球十大暢銷電動汽車簡介 NO1 特斯拉一出生便擁有了Elon Musk的天才和執(zhí)著的基因，特斯拉 Model S(報價

13、、圖片)目測將在市場上掀起一股不小的動靜，而特斯拉豪華電動車也被媒體稱為電動汽車中的又一個“蘋果”，果然真如此，Tesla Model S 車型的續(xù)航里程達300英里（約480公里），價格也在56萬美元左右，特斯拉Model S為目前為止全球最火爆的電動汽車。NO1 美國 特斯拉 Model S55目前全球十大暢銷電動汽車簡介 NO2NO2 美國 特斯拉 Roadster 特斯拉 Roadster是第一輛使用鋰電池技術(shù)每次充電能夠行駛320公里以上的電動車。該項世界紀錄（501公里）也是由Roadster在2009年10月27日澳洲舉辦的Global Green Challenge上創(chuàng)立的。1

14、00公里加速時間僅為3.7秒。根據(jù)08年9月的報道，Roadster每公里耗電量為0.135度（千瓦時），效率高達92%。Roadster的美國最低售價為109000美元。在歐洲大陸的最低售價為84000歐元。身為電動車，Roadster在歐洲也有資格享有政府補貼。56NO3 中國 比亞迪 e6 目前全球十大暢銷電動汽車簡介 NO3 比亞迪e6用良好的性能和出眾的品質(zhì)，獲得了很多人的認可。電力驅(qū)動是e6車最大的特點。在全功率下，e6的0100km/h的時間少于10s，最高時速被限定在140km，在駕駛感受方面完全可以和傳統(tǒng)汽車媲美。e6單次充電綜合行駛里程可達300公里，是目前世界上續(xù)駛里程最

15、長的純電動車，百公里耗電量為21.5度，相比傳統(tǒng)能源汽車可以節(jié)省近60%的使用費用。該車的官方指導(dǎo)價為：36.98萬-39.98萬。57目前全球十大暢銷電動汽車簡介 NO4NO4 德國 寶馬 ActiveE 寶馬 ActiveE電動汽車是以BMW 1系雙門轎跑車為基礎(chǔ)研發(fā)出的純電力驅(qū)動車，擁有和寶馬 1系雙門轎跑車一樣的舒適性。它以32千瓦時高壓鋰離子電池儲存能量，使用220伏/32安電源充滿電量只需45個小時，而160公里的平均續(xù)航里程，能滿足包括上下班在內(nèi)的城市出行需求。BMW ActiveE的售價在87.8萬元左右。58目前全球十大暢銷電動汽車簡介 NO5 榮威E50的電池組總計容量為1

16、8千瓦時，60公里/時均速工況下，續(xù)航里程為180公里，還采用了輕量化設(shè)計，總重量還不到230公斤，占整車重量的1/5，壽命長達2000次以上完全充放電，廠家為其提供5年或10萬公里免費質(zhì)保，凡在電池質(zhì)保期內(nèi)損耗率超過20%均可免費更換新電池。榮威E50價格在1223.49元之間，北京、上海等城市享有國家和地方財政補貼8-12萬元。NO5 中國 上海榮威E5059目前全球十大暢銷電動汽車簡介 NO6NO6 日本 日產(chǎn)聆風(fēng) 日產(chǎn)聆風(fēng)，自2009年發(fā)布至今已經(jīng)4年了，目前它已經(jīng)成為了在日本非常暢銷的純電動汽車，同時在歐洲和北美也獲得了不錯的銷售成績。新款的聆風(fēng)采用了新的前格柵、新的車身顏色和新的輪

17、轂設(shè)計。新款聆風(fēng)的常規(guī)充電時間相比現(xiàn)款車型縮短了一半，從8個小時縮短到了4個小時，一次充電可行駛160公里，它將更加節(jié)省能耗。該車的起步售價在30萬元以下。60目前全球十大暢銷電動汽車簡介 NO7 雪佛蘭沃藍達(報價、圖片)該車是增程型電動車，運作模式為一般的中低速行駛由主電動機驅(qū)動，高速行駛時輔助電動機也將介入共同驅(qū)動車輛。沃藍達最高時速160公里，最大行駛里程超過500公里，完全能夠滿足日常代步需求。售價價為49.8萬元。NO7 美國 雪佛蘭沃藍達61目前全球十大暢銷電動汽車簡介 NO8 北汽E150EV是基于北汽e系列研發(fā)而來，而平臺技術(shù)則來自smart，該車最高時速120公里每小時，續(xù)航里程為150公里，慢充電時間為6至8小時左右。政策方面，在北京電動汽車專用牌照無需通過搖號渠道獲取，且購買北汽E150EV還可獲得12萬元補貼，出去補貼優(yōu)惠后E150EV純電動車的價格預(yù)計將在1012萬元的幅度。62 奇瑞瑞麒M1-EV電動車在外觀上與普通汽油版車型完全一樣，瑞麒M1-EV一次充電續(xù)駛里程可達120-150公里， 標(biāo)準(zhǔn)充電時間為6-8時，這款純電動車的變速箱非常簡單易用。充電快捷、方便，緊急情況下還可以進行 快速充電，半個小時即可充到電池電量的80%。銷售價