混合動力挖掘機動力電機及其驅(qū)動系統(tǒng)研究.pdf

1、傳統(tǒng)挖掘機采用發(fā)動機直接驅(qū)動負載。在工作過程中，由于挖掘機工況復(fù)雜、負載多變，造成了動力系統(tǒng)中發(fā)動機工作點變化范圍大、燃油經(jīng)濟性低等問題。為了克服傳統(tǒng)挖掘機直驅(qū)式動力系統(tǒng)的缺點，在傳統(tǒng)直驅(qū)式動力系統(tǒng)中引入了動力電機作為輔助動力源協(xié)同發(fā)動機構(gòu)成混合動力系統(tǒng)用于驅(qū)動負載。在混合動力系統(tǒng)中，動力電機為系統(tǒng)的節(jié)能減排特性發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。但是，由于混合動力挖掘機的特殊結(jié)構(gòu)和工況特點，混合動力挖掘機中的動力電機及其驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計需根據(jù)挖掘機實

2、際需求予以考慮。
　　論文以混合動力挖掘機實際工況特點及系統(tǒng)性能要求為出發(fā)點，對混合動力挖掘機中使用的動力電機及其驅(qū)動系統(tǒng)進行了相關(guān)研究，主要包括:為充分發(fā)揮混合動力系統(tǒng)中各元器件的性能，提高系統(tǒng)整體燃油經(jīng)濟性，對動力系統(tǒng)中各元器件參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，尤其是針對動力電機及其驅(qū)動系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計;為實現(xiàn)動力電機高效率、高響應(yīng)以及低轉(zhuǎn)矩脈動的性能要求，綜合考慮了安裝尺寸、不可逆去磁、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、控制性能和成本等因素的影響，采用了參數(shù)化

3、電磁設(shè)計模型和有限元分析對其定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。研制動力電機樣機并對其性能進行試驗驗證;為提高動力電機的動態(tài)響應(yīng)和抗供電電源電壓波動的性能，分別對矢量控制器和直接轉(zhuǎn)矩控制器進行了深入研究;最后，論文結(jié)合所設(shè)計動力電機及其驅(qū)動系統(tǒng)開展針對混合動力挖掘機動力系統(tǒng)的動態(tài)特性和節(jié)能特性研究。提出了一套混合動力挖掘機動力電機驅(qū)動系統(tǒng)控制策略，并對其進行了試驗驗證。試驗結(jié)果表明所設(shè)計動力系統(tǒng)可有效穩(wěn)定發(fā)動機工作點、提高發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性，

4、驗證了所設(shè)計動力電機及其驅(qū)動系統(tǒng)對于改善混合動力挖掘機操縱性和燃油經(jīng)濟性的有效性和可行性，有力地推動了混合動力系統(tǒng)在挖掘機中的實際應(yīng)用。
　　論文各章內(nèi)容分述如下：
　　第一章闡述了在當(dāng)前能源緊缺、環(huán)境惡化的背景下，基于混合動力挖掘機開展其動力電機及其驅(qū)動系統(tǒng)研究的重要意義;簡單說明了現(xiàn)有混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu);論述了當(dāng)前國內(nèi)外針對混合動力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計和控制策略的研究現(xiàn)狀;分析了混合動力汽車工況特點和汽車所使用的動力電機的性能要求

5、，介紹了國內(nèi)外混合動力汽車動力電機的研究現(xiàn)狀;針對工程機械的特殊工況，介紹了混合動力工程機械尤其是混合動力挖掘機動力電機的研究現(xiàn)狀;綜述了永磁同步電機的設(shè)計和控制方法;最后提出了課題的主要研究內(nèi)容。
　　第二章從總體上對混合動力挖掘機動力系統(tǒng)進行了研究。以某20噸級液壓挖掘機為例，根據(jù)該挖掘機工作過程中的實測載荷譜，分析動力系統(tǒng)作業(yè)工況特點，歸納系統(tǒng)主要性能評價指標(biāo)，包括節(jié)能性和操作性。分析挖掘機系統(tǒng)主要能耗形式，采用分析法和模型

6、法相結(jié)合的方式探討動力系統(tǒng)中各元器件參數(shù)設(shè)計問題。根據(jù)所設(shè)計動力系統(tǒng)參數(shù)獲取動力電機驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)，為進一步開展動力電機及其驅(qū)動系統(tǒng)的研究打下了基礎(chǔ)。
　　第三章對混合動力挖掘機動力電機的結(jié)構(gòu)及其參數(shù)優(yōu)化設(shè)計方法展開了研究。分析并闡述了動力電機的性能要求，提出采用內(nèi)置切向式和變氣隙相結(jié)合的方案作為動力電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。動力電機的設(shè)計以安裝尺寸為約束條件，以電機保持高動態(tài)特性、高效率及低轉(zhuǎn)矩脈動的性能為設(shè)計目標(biāo)，對電機定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化

7、設(shè)計:首先，建立電機定子參數(shù)化模型，確定電機定子尺寸和磁感應(yīng)強度的分布關(guān)系，以電機安裝尺寸極限作為邊界約束條件，以電機額定工況下?lián)p耗最低為目標(biāo)函數(shù)，對模型采用粒子群算法進行優(yōu)化獲取定子參數(shù)及磁感應(yīng)強度分布。再以氣隙磁感應(yīng)強度的波形畸變最小為目標(biāo)，利用有限元法對電機變氣隙轉(zhuǎn)子的離心率及永磁體尺寸進行優(yōu)化設(shè)計，同時保證所獲得的電機磁感應(yīng)強度與定子的理論設(shè)計目標(biāo)值一致。分別對電樞反應(yīng)、永磁體最大去磁進行了計算和校核。研制了動力電機樣機并進行了

8、性能和參數(shù)測試，測試結(jié)果驗證了設(shè)計及優(yōu)化結(jié)構(gòu)的有效性。
　　第四章從電氣層面研究了基于矢量控制的動力電機電流控制。為了降低直流母線電壓波動對動力電機的影響，設(shè)計了基于矢量控制的電機高性能運行控制算法，使動力電機運行性能不受直流母線電壓變化的干擾;建立了基于矢量控制的高性能運行動力電機驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型，對所設(shè)計的控制方法進行了仿真研究;搭建了混合動力挖掘機動力系統(tǒng)模擬加載試驗臺架，通過試驗分析了矢量控制的動力電機對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響

9、，為動力電機及其驅(qū)動系統(tǒng)在混合動力挖掘機動力系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了依據(jù)。
　　第五章為提高動力電機的動態(tài)響應(yīng)特性，進一步對動力電機的控制算法進行研究。采用直接轉(zhuǎn)矩控制對動力電機進行控制。為了降低直流母線電壓波動對動力電機的影響，設(shè)計了基于直接轉(zhuǎn)矩控制的電機高性能運行控制算法，使動力電機運行性能不受直流母線電壓變化的干擾;建立了基于直接轉(zhuǎn)矩控制的高性能運行動力電機驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型，對所設(shè)計控制方法進行了仿真驗證;開展了動力電機采用直接轉(zhuǎn)

10、矩控制補償發(fā)動機驅(qū)動負載的試驗研究，通過試驗分析了采用直接轉(zhuǎn)矩控制的動力電機對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。
　　第六章開展混合動力挖掘機動力電機驅(qū)動系統(tǒng)控制研究。針對所設(shè)計動力電機驅(qū)動系統(tǒng)特點以及混合動力挖掘機動力系統(tǒng)工況特點，在保證各元器件穩(wěn)定運行的情況下，為了實現(xiàn)動力系統(tǒng)最大程度的節(jié)能，論文提出采用以穩(wěn)定發(fā)動機工作點為主，維持超級電容SOC為輔的基于規(guī)則的動力系統(tǒng)控制策略對其進行控制。結(jié)合前面章節(jié)所設(shè)計的動力電機和控制器，搭建了混合動