内嵌式转子无刷直流电机驱动系统在汽车电动空调中的应用研究

摘要

在车载电动空调系统中，压缩机驱动系统通常使用电动机提供动力。永磁无刷直流电机(Permanent Magnet Brushless DC Motor)以其小体积、高功率密度、结构简单等特点，适合于车载工作环境。本文研究了一种永磁无刷直流电机驱动系统，用于车载空调压缩机的驱动。
　　 无刷直流电机的控制中，检测转子位置是一个至关重要的问题。在压缩机驱动系统中，电机与压缩机往往会密封在同一个空间里，工作环境恶劣，位置传感器等的使用受到很大限制。本文研究了一种基于反电势过零检测的无位置传感器控制方法，检测转子位置。与传统反电势过零检测方法相比，本文所使用的检测方法无需引出电机中性线，也不需要通过复杂的电路拟合电机反电势，电路结构简单，可靠性提高。
　　 对于反电势过零检测中，可能出现的过零点检测失误的问题，本文研究了一种过零点位置的修正方法，对每一个过零点的准确性进行评估。对于过零点位置检测错误和丢失等问题，采取错误甄别和丢失位置补偿的修正方法，提高系统运行的稳定性。
　　 通过对车载空调系统运行特点的研究，对于车载系统中一般使用的12V、24V等供电电源，设计了相应的低电压大电流无刷直流电机驱动器。对于电动汽车等应用领域高电压等级的要求，在低压驱动器基础上又进行了144V、288V等高电压等级驱动器的设计。对于这两类驱动器硬件电路，本文进行了比较研究，并对其稳定性和可靠性进行了实验验证。实验结果表明，本文所设计的驱动器能够很好的满足车用空调系统的控制要求，驱动器结构紧凑、工作可靠。
　　 针对无刷直流电机在空调系统应用中的高转速化和大功率化要求，电机本体的优化设计将成为整个系统设计的一个重要组成部分。基于此，本文研究了电磁和结构两方面的优化设计。电磁方面集中研究了隔磁桥等转子关键部分对电磁设计的影响。由于这些部分对转子的机械强度也有很大的影响，所以在结构优化中对这些方面也进行了研究。
　　 本文首先使用有限元分析软件建立电机的电磁模型，对“一”型、“V”型和“U”型三种磁钢结构的IPM电机进行电磁性能分析，同时计算转子冲片和磁钢受到的电磁力。然后，分别建立了三种电机的结构模型，并将电磁力导入，对转子进行结构分析。
　　 本文对比了几种磁钢结构的转子模型分析结果。隔磁桥、极靴等对电磁和结构性能的影响都比较严重，本文进行了对比研究。对于转子的优化设计，本文也进行了讨论。最后，对“一”型磁钢结构电机进行了实验分析。仿真和实验分析表明，考虑电磁力的影响时，隔磁桥上的应力会有一定程度的减低。相比“一”型磁钢结构，“U”型和“V”型磁钢结构不仅能够增加电机的磁通量，也能使电机承受更大的转速，但是生产成本会更高。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 汽车电动空调压缩机技术

1.1.1 研究背景和意义

1.1.2 重要应用领域

1.2 无刷直流电机技术

1.3 无位置传感器技术

1.4 转子应力分析和结构优化

1.4.1 内嵌式转子结构

1.4.2 转子应力分析的方法和结构设计优化

1.5 本文主要研究内容

1.6 论文结构安排

第2章 电动空调压缩机驱动系统的研究

2.1 引言

2.2 24V空调压缩机驱动器

2.2.1 引言

2.2.2 驱动器硬件

2.2.3 驱动器开发软件

2.2.4 实验结果及其分析

2.3 288V空调压缩机驱动器

2.3.1 引言

2.3.2 驱动器硬件结构

2.3.3 实验结果及其分析

2.4 本章小结

第3章 反电势过零点检测方法的改进

3.1 引言

3.2 过零点位置修正方法

3.2.1 理论分析

3.2.2 软件实现

3.3 实验结果及其分析

3.4 本章小结

第4章 内嵌式转子的应力分析与优化设计

4.1 引言

4.2 电磁分析模型

4.2.1 电磁力计算方法介绍

4.2.2 有限元计算方法中电磁力计算的处理方法

4.2.3 常用内嵌式IPM电机转子电磁力的分布

4.3 电磁力转移方法及接口问题

4.4 结构分析模型

4.4.1 结构计算的几种情况

4.4.2 转子结构优化设计

4.4.3 三种磁钢类型转子结构的比较

4.5 本章小结

第5章 电机转子应力分析实验及仿真比较

5.1 仿真结果

5.1.1 电磁仿真结果

5.1.2 结构仿真结果

5.2 实验测试结果

5.3 本章小结

第6章 总结

附录 PIC单片机重要程序流程图

参考文献

硕士学习期间发表的论文

致谢