传统挖掘机采用发动机直接驱动负载。在工作过程中,由于挖掘机工况复杂、负载多变,造成了动力系统中发动机工作点变化范围大、燃油经济性低等问题。为了克服传统挖掘机直驱式动力系统的缺点,在传统直驱式动力系统中引入了动力电机作为辅助动力源协同发动机构成混合动力系统用于驱动负载.在混合动力系统中,动力电机为系统的节能减排特性发挥了至关重要的作用。但是,由于混合动力挖掘机的特殊结构和工况特点,混合动力挖掘机中的动力电机及其驱动系统的设计需根据挖掘机实际需求予以考虑。论文以混合动力挖掘机实际工况特点及系统性能要求为出发点,对混合动力挖掘机中使用的动力电机及其驱动系统进行了相关研究,主要包括：为充分发挥混合动力系统中各元器件的性能,提高系统整体燃油经济性,对动力系统中各元器件参数进行优化设计,尤其是针对动力电机及其驱动系统的参数优化设计；为实现动力电机高效率、高响应以及低转矩脉动的性能要求,综合考虑了安装尺寸、不可逆去磁、结构复杂性、控制性能和成本等因素的影响,采用了参数化电磁设计模型和有限元分析对其定、转子结构参数进行优化设计。研制动力电机样机并对其性能进行试验验证；为提高动力电机的动态响应和抗供电电源电压波动的性能,分别对矢量控制器和直接转矩控制器进行了深入研究；最后,论文结合所设计动力电机及其驱动系统开展针对混合动力挖掘机动力系统的动态特性和节能特性研究。提出了一套混合动力挖掘机动力电机驱动系统控制策略,并对其进行了试验验证。试验结果表明所设计动力系统可有效稳定发动机工作点、提高发动机的燃油经济性,验证了所设计动力电机及其驱动系统对于改善混合动力挖掘机操纵性和燃油经济性的有效性和可行性,有力地推动了混合动力系统在挖掘机中的实际应用。论文各章内容分述如下：第一章阐述了在当前能源紧缺、环境恶化的背景下,基于混合动力挖掘机开展其动力电机及其驱动系统研究的重要意义；简单说明了现有混合动力系统结构；论述了当前国内外针对混合动力系统参数设计和控制策略的研究现状；分析了混合动力汽车工况特点和汽车所使用的动力电机的性能要求,介绍了国内外混合动力汽车动力电机的研究现状；针对工程机械的特殊工况,介绍了混合动力工程机械尤其是混合动力挖掘机动力电机的研究现状；综述了永磁同步电机的设计和控制方法；最后提出了课题的主要研究内容。第二章从总体上对混合动力挖掘机动力系统进行了研究。以某20吨级液压挖掘机为例,根据该挖掘机工作过程中的实测载荷谱,分析动力系统作业工况特点,归纳系统主要性能评价指标,包括节能性和操作性。分析挖掘机系统主要能耗形式,采用分析法和模型法相结合的方式探讨动力系统中各元器件参数设计问题。根据所设计动力系统参数获取动力电机驱动系统参数,为进一步开展动力电机及其驱动系统的研究打下了基础。第三章对混合动力挖掘机动力电机的结构及其参数优化设计方法展开了研究。分析并阐述了动力电机的性能要求,提出采用内置切向式和变气隙相结合的方案作为动力电机转子结构。动力电机的设计以安装尺寸为约束条件,以电机保持高动态特性、高效率及低转矩脉动的性能为设计目标,对电机定、转子结构进行优化设计：首先,建立电机定子参数化模型,确定电机定子尺寸和磁感应强度的分布关系,以电机安装尺寸极限作为边界约束条件,以电机额定工况下损耗最低为目标函数,对模型采用粒子群算法进行优化获取定子参数及磁感应强度分布。再以气隙磁感应强度的波形畸变最小为目标,利用有限元法对电机变气隙转子的离心率及永磁体尺寸进行优化设计,同时保证所获得的电机磁感应强度与定子的理论设计目标值一致。分别对电枢反应、永磁体最大去磁进行了计算和校核。研制了动力电机样机并进行了性能和参数测试,测试结果验证了设计及优化结构的有效性。第四章从电气层面研究了基于矢量控制的动力电机电流控制。为了降低直流母线电压波动对动力电机的影响,设计了基于矢量控制的电机高性能运行控制算法,使动力电机运行性能不受直流母线电压变化的干扰；建立了基于矢量控制的高性能运行动力电机驱动系统仿真模型,对所设计的控制方法进行了仿真研究；搭建了混合动力挖掘机动力系统模拟加载试验台架,通过试验分析了矢量控制的动力电机对系统动态性能的影响,为动力电机及其驱动系统在混合动力挖掘机动力系统中的应用提供了依据。第五章为提高动力电机的动态响应特性,进一步对动力电机的控制算法进行研究。采用直接转矩控制对动力电机进行控制。为了降低直流母线电压波动对动力电机的影响,设计了基于直接转矩控制的电机高性能运行控制算法,使动力电机运行性能不受直流母线电压变化的干扰；建立了基于直接转矩控制的高性能运行动力电机驱动系统仿真模型,对所设计控制方法进行了仿真验证；开展了动力电机采用直接转矩控制补偿发动机驱动负载的试验研究,通过试验分析了采用直接转矩控制的动力电机对系统动态性能的影响。第六章开展混合动力挖掘机动力电机驱动系统控制研究。针对所设计动力电机驱动系统特点以及混合动力挖掘机动力系统工况特点,在保证各元器件稳定运行的情况下,为了实现动力系统最大程度的节能,论文提出采用以稳定发动机工作点为主,维持超级电容SOc为辅的基于规则的动力系统控制策略对其进行控制。结合前面章节所设计的动力电机和控制器,搭建了混合动力挖掘机动力系统模拟加载试验平台,以传统挖掘机实测载荷谱为对象对液压泵进行加载,对动力系统动态特性以及节能性开展了试验研究。试验结果表明所设计动力电机驱动系统控制策略可有效改善挖掘机的燃油经济性,并具有更优于传统挖掘机的性能。第七章总结了论文的主要研究工作和创新点,并对课题后续的研究方向进行了展望。