现代电机设计与控制技术交流课件.ppt

现代电机设计与控制技术,主要内容,一、仿真技术与现代电机设计2-13二、异步电机设计及其控制技术14-24三、永磁电机设计及其控制技术25-49四、电动汽车的历史、现状与未来50-65,1,引子1：传统电机设计方法的缺陷（磁路法）,图0.1 局限原因分析图,2,引子2：磁路法困难重重,3,引子3：研发新型电机、降成本的必然选择？FEM,图0.2 减成本分析图,4,一、仿真技术与现代电机设计,图1 异步电动机磁场云图,图2 输出转矩曲线,图3 绕组电流曲线,图4 转速曲线,5,问题一：什么是仿真？问题二：什么是有限元分析？问题三：什么是现代电机设计？,6,问题一：什么是仿真？,仿真（simulation），即使用项目模型对项目的具体功能进行实际模拟，根据目标（技术指标）要求对模拟结果进行判断。模拟过程 模拟结果 要求目标 项目仿真的硬件是计算机，软件是基于某种项目某种特性的专业分析软件。,7,公司目前的仿真软件情况,电机本体设计 电机电磁场专业仿真分析软件Easimotor；电机机械设计 机械结构力学专业仿真分析软件Ansys；电机控制系统设计 电机及控制系统仿真设计软件Matlab Simulink；,8,问题二：什么是有限元分析？,有限元分析(FEA)的基本概念：用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。,9,剖分及有限元模型实例,图5 有限元分析应用例图,10,问题三：什么是现代产品开发？,现代产品开发过程,图6 现代产品开发流程图,11,产品开发过程大体分为设计、分析和制造三个重要环节。,现代电机设计过程,12,现代电机设计过程2(现代设计流程),图7 现代电机设计流程图,13,二、异步电机设计及其控制技术,2.1 三相异步电机介绍,转子磁场与定子磁场不同步，落后于定子磁场，形成转差。,图1三相异步电机模型图,(式1),14,2.2 三相异步电动机的T型等效电路图,空载试验？堵转试验？,Rm、Xm、pm、pFe,R1、R2、X1、X2,15,2.3 异步电动机的向量图,异步动电机向量图的作用？,图2 异步动电机向量图,16,2.4 异步电机的三种主要运行方式,交流电网直接驱动运转,V/F转速开环运转,FOC矢量控制运转,17,2.5 异步电机的三种主要运行方式1（性能对比）,图3 交流电网直接供电,图4 V/F转速开环运转,图5 FOC矢量运转1,图6 FOC矢量运转2,18,2.5 异步电机的三种主要运行方式2（FOC框图）,图7 基于转子磁场定向的异步电机矢量控制原理图,19,2.5 异步电机的三种主要运行方式3（FOC参设）,图8 基于转子磁场定向的异步电机矢量控制参数设置框图,20,2.5 异步电机的三种主要运行方式4（性能对比）,表1 异步电机三种主要运行方式性能对比表,21,2.6 交流电机设计经典公式,CA 的物理意义：反映产生单位计算转矩所耗用的有效材料（铜、铝或电工钢）的体积，并在一定程度上反映了结构材料的耗用量。,(式2),(式3),22,三种异步电机设计的几个问题,问题一：工频异步电机、变频异步电机、FOC控制异步电机设计有何异同？问题二：工频异步电机、变频异步电机、FOC控制异步电机设计的难易程度是否相同？问题三：工频异步电机、变频异步电机、FOC控制异步电机的试验过程有何异同？,23,简单小节,我公司所涉及异步电机的类型 高压、油机、煤机、电动汽车用三相异步电机；我公司所涉及异步电机的控制方式；开环不变频、开环变频、闭环FOC我公司所涉及异步电机的试验；常规高压三相异步电机试验；变频考核+常规三相异步电机试验；全工况考核三相异步电机试验(控制器)。,24,三、永磁电机及其控制技术,1、永磁同步电机的种类 永磁同步电机的种类繁多，按照定子绕组感应电动势的波形的不同，可以分为：梯形波永磁同步电机(BLDCM)正弦波永磁同步电机(PMSM)按照转子结构形式，可以分为：表贴式永磁同步电机内嵌式永磁同步电机等,25,2、永磁同步电机的结构形式1,图1 表贴式结构,图2 内嵌式结构,26,2、永磁同步电机的结构形式2*,图3 其他结构形式1,27,2、永磁同步电机的结构形式3*,图3 其他结构形式2,28,2、永磁同步电机的结构形式4*,图3 其他结构形式3,29,2、永磁同步电机的结构形式5*,图3 其他结构形式4,30,3、交流永磁电机驱动系统的特点,优点：采用稀土永磁励磁，效率高，功率密度大，重量轻，体积小；缺点：电机运行时温升不能太高，容易导致退磁；散热要求高，成本高；特点：无刷直流：控制器简单，输出转矩大，转矩脉动大，弱磁调速技术还不成熟；永磁同步：转矩脉动小；调速性能好，弱磁调速范围宽，控制器复杂。,31,4、永磁同步电机的电磁功率,上式的前半部分称为基本电磁功率，由永磁磁场与电枢磁场相互作用产生；后半部分因凸极效应产生，称为附加电磁功率或磁阻功率。,如果忽略电枢电阻的影响，则,(式1),32,6、表征永磁同步电机性能的几条曲线1,33,6、表征永磁同步电机性能的几条曲线2,34,3、永磁同步电动机的典型向量图,图6 容性去磁,图7 中性去磁,图8 感性去磁,35,7、电压极限圆与电流极限圆和电机控制的关系,图9 弱磁控制与最大转矩电流比控制 a)表贴式 b)内嵌式,36,电动汽车专用电机对比分析,37,一体化设计的缘由,图1 电动机矢量控制系统框图,38,设计思路的转变,为什么在PMSM中要考虑控制器？PMSM电机的运行状态由控制器唯一决定，控制器根据电机的运行转速、负载指令、根据内部控制策略、控制算法与调制技术唯一决定电机的运行状态。不同的控制策略、控制算法以及功率拓扑结构、控制器参数可以改变相同工况下的电机性能。,39,为什么在PMSM中要考虑控制器 因素一,供电电源变频变压,图2 控制影响对比图1,40,为什么在PMSM中要考虑控制器 因素二,控制器参数、控制策略、调制技术影响电机的稳 态运行性能；,图3 控制影响对比图2,41,为什么在PMSM中要考虑控制器 因素三,电机齿槽转矩、反电动势纹波、谐波电流综合作 用产生转矩脉动；,图3 电机本体影响图,42,为什么在PMSM中要考虑控制器 因素四,边频带谐波电流产生电磁噪音，控制器与电机综合作用产生的电磁噪音；,图4 调制指数不同噪音对比图,43,如何确定PMSM的设计指标,确定设计指标的基本流程,图1 PMSM设计基本流程图,44,指标分配的主要内容,空载反电势波形畸变率齿槽转矩电枢反应额定电压弱磁性能高效区域,如何确定PMSM的设计指标1,图2 反电势初始取值参考图,45,指标的设计原则,额定电压：根据工况首要确定的参数；空载反电势：根据基本性能计算得到的参数；空载静磁场；对冲片要进行优化设计；波形畸变率：越小越好；齿槽转矩：越小越好；电枢反应：判断负载工况，选择合理的控制策略，不能过饱和；弱磁性能：根据要求选择合适的磁钢结构。,如何确定PMSM的设计指标2,46,在PMSM设计重要考虑控制器的哪些因素1？,控制策略(控制算法),控制策略对电机稳态性能的影响,图1 PMSM 控制策略对电机性能的影响图,47,调制技术,PMSM的常用调制技术SPWM(540/2)SVPWM(540/1.732),在PMSM设计重要考虑控制器的哪些因素2？,48,简单小结,基于机电一体化电机与传统电机的差别，在设计过程中，必须基于系统角度对电机性能进行设计，同时，必须考虑控制器对电机性能的耦合因素；控制策略；调制方式；控制器参数。,49,四、电动汽车的历史、现状与未来,1、电动汽车的历史,图1 电动汽车发展历程图,50,1834年世界上第一辆电动汽车,图2 西博兰斯.斯特町 1834发明,第一辆电动车是由安德森在1832到1839年之间发明的。这辆电动车所用的蓄电池比较简单，是不可再充的。随后，斯特町应用法拉第电磁感应原理组装了一台电动三轮车，电磁感应原理在这辆电动车上的应用开启了新技术在电动车的用之门。,51,1873年世界上第一辆可供实用的电动汽车,图3 英国人 罗伯特戴维森 1873年发明,早在19世纪后半叶的1873年，英国人罗伯特戴维森制作了世界上最初的可供实用的电动汽车。这比德国人戴姆和本茨发明汽油发动机汽车早了10年以上。,52,1895年世纪之战“第一届国际汽车大奖赛”,1895年6月11日，第一届国际汽车大奖赛在法国巴黎举行，全程1135公里。蒸汽车夺得冠军，历时48小时47分钟，平均时速为23公里。尽管电动车因续驶里程问题未能完成比赛，但是，这辆电动车的参赛向世人证明了电动车的可靠性，是电动汽车史上一个重要的里程碑。,图4 世纪PK ICV胜出,53,2、电动汽车的现状,口述,2011北京国际车展感受,54,目前全球十大畅销电动汽车简介 NO1,特斯拉一出生便拥有了Elon Musk的天才和执着的基因，特斯拉 Model S(报价、图片)目测将在市场上掀起一股不小的动静，而特斯拉豪华电动车也被媒体称为电动汽车中的又一个“苹果”，果然真如此，Tesla Model S 车型的续航里程达300英里（约480公里），价格也在56万美元左右，特斯拉Model S为目前为止全球最火爆的电动汽车。,NO1 美国 特斯拉 Model S,55,目前全球十大畅销电动汽车简介 NO2,NO2 美国 特斯拉 Roadster,特斯拉 Roadster是第一辆使用锂电池技术每次充电能够行驶320公里以上的电动车。该项世界纪录（501公里）也是由Roadster在2009年10月27日澳洲举办的Global Green Challenge上创立的。100公里加速时间仅为3.7秒。根据08年9月的报道，Roadster每公里耗电量为0.135度（千瓦时），效率高达92%。Roadster的美国最低售价为109000美元。在欧洲大陆的最低售价为84000欧元。身为电动车，Roadster在欧洲也有资格享有政府补贴。,56,NO3 中国 比亚迪 e6,目前全球十大畅销电动汽车简介 NO3,比亚迪e6用良好的性能和出众的品质，获得了很多人的认可。电力驱动是e6车最大的特点。在全功率下，e6的0100km/h的时间少于10s，最高时速被限定在140km，在驾驶感受方面完全可以和传统汽车媲美。e6单次充电综合行驶里程可达300公里，是目前世界上续驶里程最长的纯电动车，百公里耗电量为21.5度，相比传统能源汽车可以节省近60%的使用费用。该车的官方指导价为：36.98万-39.98万。,57,目前全球十大畅销电动汽车简介 NO4,NO4 德国 宝马 ActiveE,宝马 ActiveE电动汽车是以BMW 1系双门轿跑车为基础研发出的纯电力驱动车，拥有和宝马 1系双门轿跑车一样的舒适性。它以32千瓦时高压锂离子电池储存能量，使用220伏/32安电源充满电量只需45个小时，而160公里的平均续航里程，能满足包括上下班在内的城市出行需求。BMW ActiveE的售价在87.8万元左右。,58,目前全球十大畅销电动汽车简介 NO5,荣威E50的电池组总计容量为18千瓦时，60公里/时均速工况下，续航里程为180公里，还采用了轻量化设计，总重量还不到230公斤，占整车重量的1/5，寿命长达2000次以上完全充放电，厂家为其提供5年或10万公里免费质保，凡在电池质保期内损耗率超过20%均可免费更换新电池。荣威E50价格在1223.49元之间，北京、上海等城市享有国家和地方财政补贴8-12万元。,NO5 中国 上海荣威E50,59,目前全球十大畅销电动汽车简介 NO6,NO6 日本 日产聆风,日产聆风，自2009年发布至今已经4年了，目前它已经成为了在日本非常畅销的纯电动汽车，同时在欧洲和北美也获得了不错的销售成绩。新款的聆风采用了新的前格栅、新的车身颜色和新的轮毂设计。新款聆风的常规充电时间相比现款车型缩短了一半，从8个小时缩短到了4个小时，一次充电可行驶160公里，它将更加节省能耗。该车的起步售价在30万元以下。,60,目前全球十大畅销电动汽车简介 NO7,雪佛兰沃蓝达(报价、图片)该车是增程型电动车，运作模式为一般的中低速行驶由主电动机驱动，高速行驶时辅助电动机也将介入共同驱动车辆。沃蓝达最高时速160公里，最大行驶里程超过500公里，完全能够满足日常代步需求。售价价为49.8万元。,NO7 美国 雪佛兰沃蓝达,61,目前全球十大畅销电动汽车简介 NO8,北汽E150EV是基于北汽e系列研发而来，而平台技术则来自smart，该车最高时速120公里每小时，续航里程为150公里，慢充电时间为6至8小时左右。政策方面，在北京电动汽车专用牌照无需通过摇号渠道获取，且购买北汽E150EV还可获得12万元补贴，出去补贴优惠后E150EV纯电动车的价格预计将在1012万元的幅度。,62,奇瑞瑞麒M1-EV电动车在外观上与普通汽油版车型完全一样，瑞麒M1-EV一次充电续驶里程可达120-150公里，标准充电时间为6-8时，这款纯电动车的变速箱非常简单易用。充电快捷、方便，紧急情况下还可以进行 快速充电，半个小时即可充到电池电量的80%。销售价格为14.98-22.98万元。,目前全球十大畅销电动汽车简介 NO9,63,目前全球十大畅销电动汽车简介 NO10,同悦二代纯电动汽车设定的最大时速为100公里/小时，最大续航里程为100公里。江淮加强了电动车整车防水性能，保证电池不受进水困扰。充电时间方面，同悦电动车在专用充电桩上2小时可充满电，在家用220V电源上需要6小时充满。第二代同悦纯电动汽车的售价为20万元左右。,以上排名来源于 http:/,64,3、电动汽车的未来,任何一个产业的形成，都是井喷式的，何时发力，上帝也不知！一但到来，火山喷发，势不可挡！Come on，baby!,65,Thanks very much！,