永磁同步電機(jī)研究

1、永磁同步電機(jī)研究一、緒論目前，在電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，永磁同步電動(dòng)機(jī) (PMSM)系統(tǒng)以其高技、 高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性及低振動(dòng)噪聲的特點(diǎn)受到國(guó)外電動(dòng) 汽車界的高度重視，是更具競(jìng)爭(zhēng)力的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)。而且，中國(guó)擁有占世界80%儲(chǔ)量的稀土資源，發(fā)展永磁電機(jī)作為電動(dòng)汽車牽引電機(jī)具有得天獨(dú)厚 的優(yōu)勢(shì)。PMSM permanent magnet synchronous motor是指根據(jù)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行區(qū)分定義的電機(jī)：正弦反電勢(shì)的永磁同步電機(jī)。以前采用的交流傳動(dòng)需要一個(gè)變速齒輪機(jī)構(gòu)來將電機(jī)的轉(zhuǎn)距傳遞到輪軸上，而采用永磁同步電機(jī)可以將電機(jī)整體地安裝在輪軸上，形成整體直驅(qū)系統(tǒng)，即

2、一個(gè)輪軸就是一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，省去了一個(gè)齒輪箱 優(yōu)點(diǎn)：(1) PMS施動(dòng)牽引力大(2) PMSM：身的功率效率高以及功率因素高；(3) PMSMC驅(qū)系統(tǒng)控制性能好；(4) PMSMt熱小，因此電機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、噪聲小；(5) PMSMt許的過載電流大，可靠性顯著提高；(6) 在高速范圍中電機(jī)噪聲明顯降低；(7) 系統(tǒng)傳動(dòng)損耗明顯降低，系統(tǒng)發(fā)熱量小；(8) 系統(tǒng)采用全封閉結(jié)構(gòu)，無傳動(dòng)齒輪磨損、無傳動(dòng)齒輪噪聲，免潤(rùn)滑油、免 維護(hù)；(9) 整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)重量輕，簧下重量也比傳統(tǒng)的輪軸傳動(dòng)的輕，單位重量的功 率大；(10) 由于電機(jī)采用了永磁體，省去了線圈勵(lì)磁，理論可節(jié)能 10犯上；(11) 由

3、于沒有齒輪箱，可對(duì)裝向架系統(tǒng)隨意設(shè)計(jì)：如柔式裝向架、單軸轉(zhuǎn)向架， 使列車動(dòng)力性能大大提高。二、電動(dòng)汽車電機(jī)的性能要求：汽車行駛的特點(diǎn)是頻繁地啟動(dòng)、加速、減速、停車等。在低速或爬坡時(shí)需要 高轉(zhuǎn)矩，在高速行駛時(shí)需要低轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)能滿足汽車從零到最大 行駛速度的要求，即要求電動(dòng)機(jī)具有高的比功率和功率密度。 電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)應(yīng) 滿足的主要要求可歸納為如下10個(gè)方面：(1)高電壓。在允許的范圍內(nèi)，盡可能采用高電壓，可以減小電動(dòng)機(jī)的尺寸和導(dǎo) 線等裝備的尺寸，特別是可以降低逆變器的成本。工作電壓由THS的274 V提高到THS B的500 V;在尺寸不變的條件下，最高功率由 33 kW提高到50

4、kW,最大 轉(zhuǎn)矩由350 N"m提高到400ON"m可見，應(yīng)用高電壓系統(tǒng)對(duì)汽車動(dòng)力性能的提高 極為有利。 轉(zhuǎn)速高。電動(dòng)汽車所采用的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到 8 000 12 000 r/min ,高轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)的體積較小，質(zhì)量較輕，有利于降低裝車的裝備質(zhì)量。(3)質(zhì)量輕，體積小。電動(dòng)機(jī)可通過采用鋁合金外殼等途徑降低電動(dòng)機(jī)的質(zhì)量， 各種控制裝置和冷卻系統(tǒng)的材料等也應(yīng)盡可能選用輕質(zhì)材料。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)要求有高的比功率(電動(dòng)機(jī)單位質(zhì)量的輸出功率)和在較寬的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍 內(nèi)都有較高的效率，以實(shí)現(xiàn)降低車重，延長(zhǎng)續(xù)駛里程；而工業(yè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通常對(duì)比功率、效率及成本進(jìn)行綜合考慮，在額定

5、工作點(diǎn)附近對(duì)效率進(jìn)行優(yōu)化。(4)電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較大范圍的調(diào)速性能，以滿足啟動(dòng)、加速、 行駛、減速、制動(dòng)等所需的功率與轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有自動(dòng)調(diào)速功能，以減輕駕 駛員的操縱強(qiáng)度，提高駕駛的舒適性，并且能夠達(dá)到與內(nèi)燃機(jī)汽車加速踏板同樣 的控制響應(yīng)。(5)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)需要有4 5倍的過載，以滿足短時(shí)加速行駛與最大爬 坡度的要求，而工業(yè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)只要求有 2倍的過載就可以了。(6)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有高的可控性、穩(wěn)態(tài)精度、動(dòng)態(tài)性能，以滿足多部 電動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行，而工業(yè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)只要求滿足某一種特定的性能。(7)電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有高效率、低損耗，并在車輛減速時(shí)，可進(jìn)行制動(dòng)能量回收。(8)電

6、氣系統(tǒng)安全性和控制系統(tǒng)的安全性應(yīng)達(dá)到有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。電動(dòng)汽車的 各種動(dòng)力電池組和電動(dòng)機(jī)的工作電壓可以達(dá)到300 V以上，因此必須裝備高壓保護(hù)設(shè)備以保證安全。(9)能夠在惡劣條件下可靠工作。電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有高的可靠性、耐溫和耐潮性，并 在運(yùn)行時(shí)噪聲低，能夠在較惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)期工作。(10)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.適合大批量生產(chǎn)，使用維修方便.價(jià)格便宜等。三、電動(dòng)汽車電機(jī)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀電動(dòng)汽車的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)經(jīng)歷了直流電動(dòng)機(jī)、交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和特種專用電 動(dòng)機(jī)的發(fā)展過程。其中，早期的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)均是采用直流電動(dòng)機(jī)， 隨著電力電 子技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步和實(shí)用化進(jìn)程的推進(jìn)，以交流電動(dòng)機(jī)為核心的交 流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開始引

7、起人們的廣泛重視。直流電動(dòng)機(jī)以其優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)和控制性能等優(yōu)點(diǎn)，最早在電動(dòng)汽車中廣泛應(yīng) 用。其中，直流電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用最廣的是直流用勵(lì)電動(dòng)機(jī)，其次是直流并勵(lì)電動(dòng)機(jī)。20世紀(jì)80年代以前的電動(dòng)汽車，大都采用直流申勵(lì)電動(dòng)機(jī)與晶體管斬波器作為 驅(qū)動(dòng)器。這種方式在低速時(shí)有很大的轉(zhuǎn)矩輸出。通常采用晶體管斬波器脈寬調(diào)制 方式，其最高轉(zhuǎn)速可達(dá)4000-6000轉(zhuǎn)/min,低速平穩(wěn)性好。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)要解決的問題是效率問題。 由于直流電動(dòng)機(jī)的效率及可靠性問 題、物理體積龐大以及由于換向器的存在而導(dǎo)致的低速平穩(wěn)性等問題，同時(shí)研究表明，采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)回轉(zhuǎn)部分的慣性是相同容量的交流電動(dòng)機(jī)的 35倍。因此，目前，直流

8、電動(dòng)機(jī)已很少作為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)而被考慮采用。 交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小以及可靠性高等特點(diǎn)，隨著電力電子技術(shù)、 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步和實(shí)用化，人們已開始考慮并逐步實(shí)施感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)在 電動(dòng)汽車上的應(yīng)用。另外，普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率比永磁電機(jī)和開關(guān)磁組電 機(jī)低，特別是低速運(yùn)行時(shí)效率更低。永磁電機(jī)具有更高能量密度、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、控制靈 活等特點(diǎn)。在電動(dòng)汽車中有極好的應(yīng)用前景。 永磁無刷電機(jī)系統(tǒng)分為兩類：一類 是方波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(BDCM);另一類是永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) (PMSM),也稱之為正弦波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。永磁無刷電動(dòng)機(jī)能量密 度高于電磁式

9、、磁阻式電機(jī)，目前的研究多集中于提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩/重量比方面。典型的永磁無刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)是一種準(zhǔn)解耦矢量控制系統(tǒng)。永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁性 能受溫度、震動(dòng)等的影響，過載能力受控制器的限制。近年來，電動(dòng)汽車應(yīng)用方波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的越來越多，而采用永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的電動(dòng)汽車也為數(shù)不少。在電動(dòng)汽車的直接驅(qū)動(dòng)方面，這兩種電機(jī)較其它各種電機(jī)具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的交流電機(jī)均采用正弦波電源，考慮到方波電機(jī)可比正弦波電機(jī)產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩(例如，準(zhǔn)方波電機(jī)要比正弦波電機(jī)多輸出大約10的轉(zhuǎn)矩)， 方波電機(jī)的研制和應(yīng)用引起人們的注意，如開關(guān)磁阻電機(jī)。開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，轉(zhuǎn)子上沒有繞組、磁鋼或滑環(huán)，可以高速

10、運(yùn)行，效率較高。既具有異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的高效率、高可靠性，又具有直流調(diào)速系統(tǒng)的良好控制特性。但開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)具有嚴(yán)重的非線性。因而， 許多工作集中于非線性基礎(chǔ)上的電磁轉(zhuǎn)矩和鐵耗的精確求解上。對(duì)于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速控制，一般在低速時(shí)采用電流斬波控制，或稱之為電流滯環(huán)控制，以獲得恒轉(zhuǎn)矩特性；在高速時(shí)，采用角度位置控制。從目前電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)來看，目前和未來的電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)模式向著交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展。(1)特種結(jié)構(gòu)永磁轉(zhuǎn)子的永磁同步電動(dòng)機(jī)：采用新型結(jié)構(gòu)的永磁轉(zhuǎn)子，使永磁同步電機(jī)更適合高速的運(yùn)行；能產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩、易實(shí)現(xiàn)弱磁控制、承受高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的機(jī)械力。(2)采用混合

11、勵(lì)磁方式的同步電機(jī)：這種同步電動(dòng)機(jī)一方面可以提高永磁電機(jī)弱磁控制恒功率運(yùn)行特性，另一方面，在混合電動(dòng)汽車上，還可以作發(fā)電機(jī)使用?；旌蟿?lì)磁同步電機(jī)綜合了直流勵(lì)磁同步電機(jī)和永磁同步電機(jī)兩種電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。特點(diǎn)是：特別適合于需要恒功率調(diào)速的場(chǎng)合，可以作混合電動(dòng)汽車的發(fā)電機(jī)運(yùn)行；體積?。恍时犬惒诫妱?dòng)機(jī)高。四、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括電子控制器、功率轉(zhuǎn)換器、電動(dòng)機(jī)、 機(jī)械傳動(dòng)裝置和車輪，其功用是將電源的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過傳動(dòng)裝置或直接驅(qū)動(dòng)車輪和工作裝置。五、永磁同步電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子的選擇轉(zhuǎn)子采用永磁體代替電勵(lì)磁，根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的安裝位置不同，正弦波 永磁同步電機(jī)又分為三類：凸裝式、嵌入式和內(nèi)

12、埋式為了提高電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩、提高弱磁擴(kuò)速能力及機(jī)械強(qiáng)度，電動(dòng)汽車用PMSM 宜選用雙層永磁體的內(nèi)置式磁體結(jié)構(gòu)。為增大 PMSM1轉(zhuǎn)矩密度，應(yīng)加大永磁體 用量，顯然徑向矩形磁體結(jié)構(gòu)是不適宜的。在其它磁體結(jié)構(gòu)如瓦片型結(jié)構(gòu)、V型結(jié)構(gòu)、U型結(jié)構(gòu)及切向結(jié)構(gòu)中，v型結(jié)構(gòu)及切向結(jié)構(gòu)可看作U型結(jié)構(gòu)的特例，因 此電動(dòng)汽車用PMSMJ磁體結(jié)構(gòu)型式認(rèn)為只有瓦片型結(jié)構(gòu)及 U型結(jié)構(gòu)。如圖23凸良人把鉆同步把風(fēng)能）矗太結(jié)蜘(a)瓦片型結(jié)構(gòu)(b)U型結(jié)構(gòu)圖2電動(dòng)汽車用PMSM轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式(1)與瓦片式磁體結(jié)構(gòu)相比，U型磁體結(jié)構(gòu)在弱磁能力方面占有優(yōu)勢(shì)。同時(shí)， U型磁體結(jié)構(gòu)還具有明顯的制造成本和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，具有更寬余的永磁體擺放

13、空 問，這對(duì)于電動(dòng)汽車用調(diào)速 PMSM多用永磁體增大漏磁系數(shù)的設(shè)計(jì)原則是有利 的。(2)u型結(jié)構(gòu)的凸極率特別是在低速大轉(zhuǎn)矩時(shí)的凸極率小于瓦片式結(jié)構(gòu)，且U型結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度要比瓦片式結(jié)構(gòu)差。(3)在抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)方面，通常通過對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。例如： 采用不均勻氣隙，在轉(zhuǎn)子上分布圓形孔洞，優(yōu)化定子齒形，優(yōu)化磁極形狀等等。 圖2為一種新型永磁體形狀設(shè)計(jì)。磁橋?qū)挾缺３植蛔儯S著角度8變小，轉(zhuǎn)矩脈 動(dòng)和齒槽轉(zhuǎn)矩減小。圖2標(biāo)準(zhǔn)模型與修改后的模型電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)用PMSM的磁體結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用工況綜合考慮電機(jī)的弱磁能力、抗失磁能力、機(jī)械強(qiáng)度及磁阻轉(zhuǎn)矩的利用等方面的具體情況進(jìn)行選擇。有了高性能永磁材料

14、，還要充分、合理地利用永磁體。用永磁體的矩形結(jié)構(gòu) 替代通常的瓦片形結(jié)構(gòu)，能降低永磁體的加工用時(shí)與用量。自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)所需的永磁體體積為Vm = 2pSfLM = 2PLM454匯UcK/B.Hm1 B k丁、 jle rnM mD AB 占 Pn PD A "n cos Pn 60f式中_ 4x 6,1 <7ef cr rxtKs 1-* 匚- /% Kt Kw BHm裕量系數(shù);巳,氣限磁感應(yīng)斷度；L”永磁體的例11句長(zhǎng)度:A電負(fù)d：j:D電根TL徑永磁體的主要尺寸確定永磁體有3個(gè)主要尺寸：磁化方向長(zhǎng)度hM、磁化寬度bM、以及軸向長(zhǎng)度LMo通常而言，永磁體的LM取為永磁電

15、機(jī)電樞的軸向長(zhǎng)度（因?yàn)?LM過長(zhǎng) 與過短都無實(shí)際意義。），所以設(shè)計(jì)永磁體尺寸時(shí)可只考慮另外兩個(gè)尺寸 hM和 bM當(dāng)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體采用內(nèi)置徑向式磁路結(jié)構(gòu)時(shí)，永磁體尺寸的預(yù)估計(jì)算 公式為（3-6）,本設(shè)計(jì)中所采用的就是內(nèi)置徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。(3-6)當(dāng)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體采用內(nèi)置切向式磁路結(jié)構(gòu)時(shí)，永磁體尺寸的預(yù)估計(jì)算 公式為：I m （12 sb _ b0 *B.l %"Br.K'Lm式中，K s 電機(jī)的飽和系數(shù)，其值為 1.051.3;K a 與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù) 0.71.2;b m0 永磁體空載工作點(diǎn)；6 氣隙長(zhǎng)度（mm）;（70 空載漏磁系數(shù)；B6 1氣隙磁密基波幅值

16、（T）;r 1極距（mm）;L ef鐵心長(zhǎng)度（mm）;B r 剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）;K氣隙磁通波形系數(shù)；L M軸向長(zhǎng)度（mm）。氣隙長(zhǎng)度選取永磁同步電動(dòng)機(jī)的氣隙長(zhǎng)度是一個(gè)十分重要的尺寸參數(shù)，雖然其對(duì)永磁電機(jī)無功電流的影響沒有對(duì)感應(yīng)電機(jī)的無功電流的影響那樣敏銳，可其對(duì)永磁電機(jī)的直、 交軸電抗有很大的影響。而且， 氣隙長(zhǎng)度的大小還在很大程度上影響著永磁電機(jī)的裝配工藝與永磁電機(jī)的雜散損耗。通常，永磁同步電動(dòng)機(jī)的氣隙長(zhǎng)度比同容量的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的氣隙長(zhǎng)度要大，主要是由于永磁電機(jī)中氣隙磁場(chǎng)的諧波含量比感應(yīng)電機(jī)的大，另外， 電機(jī)的容量與中心高越大，永磁電機(jī)的氣隙長(zhǎng)度就比同規(guī)格感應(yīng)電機(jī)的氣隙長(zhǎng)度大的越多，一般而

17、言要大0.01O.O3cm。這在很大程度上是由于適當(dāng)?shù)卦龃髿庀堕L(zhǎng)度能夠在一定范圍內(nèi)降低永磁同步電動(dòng)機(jī)過大的雜散損耗，能減小電機(jī)的振動(dòng)、噪聲以及使電機(jī)的裝配工藝簡(jiǎn)便化。有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)一臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)的氣隙長(zhǎng)度增加 0.0lcm 時(shí)，它的雜散損耗的下降度能提高1.5%。因此，設(shè)計(jì)自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的氣隙長(zhǎng)度時(shí)，可依據(jù)相似規(guī)格的感應(yīng)電機(jī)的氣隙長(zhǎng)度值進(jìn)行選取，然后再進(jìn)一步作適當(dāng)修改即可。六、永磁同步電機(jī)定子的選擇永磁同步電機(jī)的種類繁多，按照定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的波形的不同，可以分為正弦波永磁同步電機(jī)（PMSM和梯形波永磁同步電機(jī)（BLDC）。正弦波永磁同步電機(jī)定子由三相繞組以及鐵芯構(gòu)成，電樞繞組

18、常以Y 型連接，采用短距分布繞組；氣隙場(chǎng)設(shè)計(jì)為正弦波，以產(chǎn)生正弦波反電動(dòng)勢(shì)；定子繞組一般制成多相，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定對(duì)數(shù)組成。電機(jī)電樞繞組既有采用集中整距繞組的, 也有采用分布短距繞組和非常規(guī)繞組的 " 正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)通常采用分布短距繞組, 但在一些正弦波電流控制永磁同步電動(dòng)機(jī)中, 為了減少繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)空間諧波, 使之更加接近正弦分布以提高電動(dòng)機(jī)的有關(guān)性能, 采用了非常規(guī)繞組, 可大大減小電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩紋波, 提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性。為了減小電動(dòng)機(jī)雜散損耗, 定子繞組通常采用星型接法。七、提高弱磁擴(kuò)速能力弱磁控制可以實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)能輸出恒定轉(zhuǎn)矩，高速時(shí)能輸出恒定功率

19、，有較寬的調(diào)速范圍。較弱的弱磁性能能夠在逆變器容量不變的情況下提高系統(tǒng)性能；或者說在保持系統(tǒng)性能不變的前提下降低電機(jī)的最大功率，從而降低逆變器的容量。因此對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行弱磁控制并且拓寬弱磁范圍有著重要的意義。為了提高電機(jī)效率、擴(kuò)大電機(jī)的弱磁能力，國(guó)內(nèi)外提出了許多弱磁設(shè)計(jì)方案：其中代表性的主要有：(1) 定子采用深槽結(jié)構(gòu)：通過采用深槽結(jié)構(gòu)增加直軸漏杭，從而增加電機(jī)的弱磁能力。日本人采用這種方法設(shè)計(jì)出的樣機(jī)最高速度可達(dá)13 000 r /min。但采用這種方法高速鐵耗比較大。日本電機(jī)采用了高性能低飽和硅鋼片，采用普通的硅鋼片材料設(shè)計(jì)效果不會(huì)很好。(2) 復(fù)合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：復(fù)合式轉(zhuǎn)子由永磁段和軸向

20、層疊磁阻段組成，兩者同軸置于同一定子鐵心內(nèi)?？梢詫?duì)這兩部分進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，磁阻段用于控制電機(jī)直、交軸電抗參數(shù)，以獲得需要的凸極比。這種結(jié)構(gòu)可以增大電機(jī)的直軸電抗，擴(kuò)大電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍。但這種結(jié)構(gòu)會(huì)使轉(zhuǎn)矩密度降低，高速時(shí)鐵磁損耗很大。(3) 交替極結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)：這種電機(jī)的定子由疊片鐵心、鐵軛以及3 相繞組組成； 沿圓周的直流繞組被放置在定子鐵心的中間。轉(zhuǎn)子極分為兩部分：一部分放徑向磁化的永磁體，一部分為鐵極結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)弱磁控制，但直流繞組的引入減小了功率密度，對(duì)空間體積的要求也增加了。(4) 雙套定子繞組：低速時(shí)采用低速繞組提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、降低電流從而提高電機(jī)的效率，高速時(shí)采用高速繞組降低電

21、機(jī)的反電勢(shì)擴(kuò)大電機(jī)的高速運(yùn)行范圍。美國(guó)技術(shù)公司就采用了這項(xiàng)技術(shù)。沈陽工業(yè)大學(xué)和香港大學(xué)也對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了研究。香港大學(xué)通過實(shí)驗(yàn)證明采用雙套繞組后永磁同步電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可由2000 r min 擴(kuò)大到 4 500 r min 以上。八、電機(jī)設(shè)計(jì)步驟通過前面幾節(jié)的分析，可以形成一套電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)方法，按照設(shè)計(jì)的順序，它包含以下幾個(gè)方面：(1) 主要尺寸設(shè)計(jì)?？焖俚玫诫姍C(jī)的初步設(shè)計(jì)方案，滿足整車頻繁調(diào)整尺寸的要求。(2) 磁路設(shè)計(jì)、繞組設(shè)計(jì)和電路參數(shù)設(shè)計(jì)。這部分與傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)區(qū)別不大。但應(yīng)多采用解析計(jì)算，有限元仿真作輔助。因?yàn)?，電?dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)方案從提出到成型需要調(diào)整的次數(shù)

22、非常多，采用具備一定精度的解析計(jì)算，可以方便在設(shè)計(jì)過程中加入優(yōu)化算法，提高設(shè)計(jì)的效率。(3) 額定工作性能設(shè)計(jì)。通過引入電機(jī)控制策略，計(jì)算實(shí)際運(yùn)行情況下的額定工作性能，得到滿足額定性能指標(biāo)的基本設(shè)計(jì)方案。(4) 弱磁擴(kuò)速比和過載倍數(shù)計(jì)算。首先計(jì)算電機(jī)在不同過載倍數(shù)下達(dá)到極限溫度所用的時(shí)間，然后確定電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速與最高轉(zhuǎn)速下的過載倍數(shù)，最后得到電機(jī)帶載的弱磁擴(kuò)速比。通過這兩個(gè)參數(shù)的計(jì)算和對(duì)基本設(shè)計(jì)方案的調(diào)整，得到滿足電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩指標(biāo)的可行設(shè)計(jì)方案。(5) 區(qū)域性能設(shè)計(jì)。通過電機(jī)效率Map 圖的計(jì)算，調(diào)整可行設(shè)計(jì)方案，盡量擴(kuò)大電機(jī)工作的高效區(qū)，得到優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。(6) 依據(jù)車輛運(yùn)行的循環(huán)工況計(jì)算

23、電機(jī)的性能。根據(jù)不同循環(huán)工況的計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的溫度指標(biāo)，得到從電動(dòng)汽車角度出發(fā)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。九、電動(dòng)汽車研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)永磁同步電機(jī)的功率因數(shù)大、效率高、功率密度大、是一種比較理想的驅(qū)動(dòng)電機(jī)， 但正由于電磁結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)子勵(lì)磁不能隨意改變導(dǎo)致電機(jī)弱磁困難，調(diào)速特性不如直流電機(jī)，目前永磁同步電機(jī)理論還不如直流電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)完善還有許多問題需要進(jìn)一步研究主要有以下兩方面：( 1)電機(jī)效率：永磁同步電機(jī)低速效率較低，如何通過設(shè)計(jì)降低低速損耗減小低速額定電流是目前研究的熱點(diǎn)之一（ 2）電機(jī)的弱磁能力永磁同步電機(jī)由于轉(zhuǎn)子是永磁體勵(lì)磁隨著轉(zhuǎn)速的升高電動(dòng)機(jī)電壓會(huì)逐浙達(dá)到逆變器所能輸出的電壓極限這時(shí)要想

24、繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速只有靠調(diào)節(jié)定子電流的大小和相位增加直軸去磁電流來等效弱磁提高轉(zhuǎn)速，電機(jī)的弱磁能力大小主要與直軸電抗和反電勢(shì)大小有關(guān)，但永磁體串聯(lián)在直軸磁路中，所以直軸磁路一般磁阻較大，弱磁能力較小,電機(jī)反電勢(shì)較大時(shí)，也會(huì)降低電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。國(guó)內(nèi)外提出了許多弱磁設(shè)計(jì)方案，其中代表性的主要有：（1） 定子采用深槽結(jié)構(gòu)：通過采用深槽結(jié)構(gòu)增加直軸漏杭%從而增加電機(jī)的弱磁能力。（2） 復(fù)合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：復(fù)合式轉(zhuǎn)子由永磁段和磁阻段組成，安放在同一定子鐵芯內(nèi)。（3） 雙套定子繞組：低速時(shí)采用低速繞組提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、降低電流從而提高電機(jī)的效率，高速時(shí)采用高速繞組降低電機(jī)的反電勢(shì)擴(kuò)大電機(jī)的高速運(yùn)行范圍。目前永磁同步電機(jī)

25、的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾方面：（ 1）無位置傳感器永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);（2）具有磁場(chǎng)控制的永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);（3）輪式永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);（4）動(dòng)力傳動(dòng)一體化電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（電機(jī)/減速,齒輪/傳動(dòng)軸）;（5）雙饋電永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);十、永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型忽略電機(jī)鐵耗，銅耗，定子電阻和飽和效應(yīng)，根據(jù)同步電機(jī)雙反應(yīng)理論可寫出電壓、磁鏈和轉(zhuǎn)矩方程（ 電動(dòng)機(jī)慣例） ：(7.1)甲/¥尸師7 =呷BJd _歹兒) =咄勿4+，4(4-4)其中以為定子電壓2為定子電流(7.2)(7.3)為方便分析，選取如下基值標(biāo)么化參數(shù)% = ufaL，% = ®lm， = k其中為定予極限

26、電流，為定子極限電壓，I",為電機(jī)運(yùn)行在最高轉(zhuǎn)速 時(shí)對(duì)應(yīng)的電角速度.永磁電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，可認(rèn)為電機(jī)電源電壓 不受限制，I，達(dá)到極限電流。由式(3 . 1)(3 . 2)C3. 3)可寫出：4 =1為求取最大電磁轉(zhuǎn)矩；令(7.4)+8(工； 也二。)(7.5)式(3. 5)代入式(3. 4)可得:(7.6)其中:C = +8(Z；-£；)2在最高速轉(zhuǎn)運(yùn)行，定子電壓為定子最高電壓，定予電流達(dá)到極限電流時(shí)，由式(7 . 1)(7 . 2)(7 . 3)可列寫下式：.2(Q =1居=少;+以;(。;-曷)(7.7)L通過式(7. 6)與式(7. 7)即可對(duì)永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行合

27、理得選取。而在實(shí)際中可以通過電機(jī)的運(yùn)行路況來確定電機(jī)的參數(shù)所選擇的電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)不小于在平坦良好路面上車輛以最高車速行駛時(shí)阻 力功率之和，即式中，Pe為電動(dòng)機(jī)額定功率；M為整車總質(zhì)量；g為重力加速度；f為滾動(dòng) 阻力系數(shù)；Uma勸最高車速；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為車輛迎風(fēng)面積；“t為傳 動(dòng)系效率以常規(guī)車速確定電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速通常以電動(dòng)汽車經(jīng)常跑動(dòng)的車速來確定電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，也即電動(dòng)機(jī)經(jīng)常 運(yùn)行的轉(zhuǎn)速。i i vg0.377尸其中：Nm電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min；ig 一變速器傳動(dòng)比io 一主減速器傳動(dòng)比;Vn一常規(guī)車速；Km/h; r 一滾動(dòng)半徑/m 以額定功率和額定轉(zhuǎn)速確定電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩：955

28、0尸N- Nm其中：TN一額定轉(zhuǎn)矩，N _m以最大爬坡度確定其短時(shí)工作條件下的低速轉(zhuǎn)矩假定以勻速爬坡，車輛在行駛過程中所受阻力有滾動(dòng)阻力，空氣阻力,坡道阻力。則電動(dòng)機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)力為:C AVF = cos a + 苛+ mg sin a其中：F廣電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)力，N; d_坡道角度值。再根據(jù)車輛驅(qū)動(dòng)力與電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)矩關(guān)系式，便可得出所需轉(zhuǎn)矩:T= F*r當(dāng)電動(dòng)汽車以額定車速在平地上勻速行駛時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩即為額定轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)加速性能在水平良好路面上，車輛的行駛加速度表小為:式中：Ttq 一電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；ig 變速器傳動(dòng)比；i0 一主減速器傳動(dòng)比；r 車輪半徑；”一傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率，包寸S變速器、

29、傳動(dòng)軸和主減速器；Fa車輛行駛的空氣阻力，*2115 ； Ff車輛行駛滾動(dòng)阻力 4 = M ，Ml總質(zhì)量；6轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量換算系數(shù)。十一、電機(jī)計(jì)算正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)與電勵(lì)磁凸極同步電動(dòng)機(jī)有著相似的內(nèi)部電磁關(guān)系，故可采用雙反應(yīng)理論來研究。需要指出的是，由于永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子直軸磁路 中永磁體的磁導(dǎo)率很小，使得電動(dòng)機(jī)直軸電樞反應(yīng)電感一般小于交軸電樞反應(yīng)電 感。同步電機(jī)的額定值1）額定電壓：是指在正常運(yùn)行時(shí)，按照制造廠的規(guī)定，定子三相繞組上的線電 壓。電壓的單位用V或kV表示。2）額定電流：流過定子繞組的線電流 。3）額定功率：是指在正常運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的輸出功率。A:對(duì)于發(fā)電機(jī)而言：輸出的是電功率。Pn3

30、UN nIn cos NB:對(duì)于電動(dòng)機(jī)而言：輸出的是機(jī)械功率。pn' 3U n I n n COS n4 .相數(shù)m : 一般m=35 .額定頻率：電源逆變器輸出頻率。6）額定轉(zhuǎn)速：額定轉(zhuǎn)速即為電機(jī)的同步速，在一定極數(shù)及頻率時(shí)，它的轉(zhuǎn)速是 定值。nN60fNP7）額定勵(lì)磁電壓8）額定勵(lì)磁電流電樞反應(yīng)：內(nèi)功率因數(shù)角W=00時(shí)軸q軸A軸交軸電樞反應(yīng)內(nèi)功率因數(shù)角3=900q軸A軸直軸去磁電樞反應(yīng)內(nèi)功率因數(shù)角W=-900q軸A軸直軸助磁電樞反應(yīng)內(nèi)功率因數(shù)角00V年900既有交軸又有直軸去磁電樞反應(yīng)電樞磁勢(shì)和電樞電流分量FaFad F aq直軸分量FadFa sin交軸分量FaqFa cos?1)

31、Li =00, q 1 aI Id I qI d I sinI q I cos交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)和勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)作用產(chǎn)生電磁力,形成制動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩Tem勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)超前電樞磁動(dòng)勢(shì)2）巾小=1800,交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)和勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)作用產(chǎn)生電磁力，形成驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩Tem電樞磁動(dòng)勢(shì)超前勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)?3）巾=小=900, I dI r，直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)也產(chǎn)生電磁力，但不形成電磁轉(zhuǎn)矩當(dāng)同步發(fā)電機(jī)供給滯后電流時(shí)，電樞磁勢(shì)除了一部分產(chǎn)生交軸電樞反應(yīng)外，還有一部分產(chǎn)生直軸去磁電樞反應(yīng)；當(dāng)電機(jī)供給超前電流時(shí)，電樞磁勢(shì)除了一部分產(chǎn)生交軸電樞反應(yīng)外，還有一部分產(chǎn)生直軸增磁電樞反應(yīng)。(3)同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行1) 隱極同步電機(jī)

32、的電樞反應(yīng)：在三相對(duì)稱電流通過電樞繞組后，所產(chǎn)生的匝鏈定子繞組的磁通為( a ) ，兩者在電樞繞組中所產(chǎn)生的全部電勢(shì)為.Ea E (jIaXa jIaX ).jIa(Xa X ) jIaXt式中 Xt X a X 稱為隱極同步電機(jī)的同步電抗。2) 凸極同步電機(jī)：將磁動(dòng)勢(shì)Fa 分解成沿直軸和交軸方向的兩個(gè)分量。FadFa sinFaqFa cos有： .E ad j I d Xad .E aq j I d X aq直軸和交軸電樞反應(yīng)電抗各和定子漏抗相加，便可以得到直軸同步電抗和交XdXaqX軸同步電抗，即：Xq在永磁同步電機(jī)中可以看成是凸極同步電機(jī)，故有：當(dāng)凸極同步發(fā)電機(jī)在對(duì)稱負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，氣隙

33、中也存在著兩種旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，即 轉(zhuǎn)子上磁極磁勢(shì)和定子上電樞磁勢(shì)。由于凸極電機(jī)中，轉(zhuǎn)子直軸和交軸上的氣隙 不等，在分析電樞磁勢(shì)影響時(shí)，必須按照前面我們所分析的將磁動(dòng)勢(shì)分解成直軸 和交軸兩個(gè)分量，然后和處理隱極電機(jī)一樣，不考慮磁路的飽和現(xiàn)象，應(yīng)用迭加 原理認(rèn)為它們各自獨(dú)立地產(chǎn)生相應(yīng)的磁通，并在電樞繞組內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。凸極發(fā)電機(jī)的電磁過程：I fpf => E(J Jd ad1Ead > Eg/ => =>/q => 反五=>0)叼=> Eaq,這樣，產(chǎn)生的端電壓為:Eo Ead Eaq E UI aRa整理得：E0 U jIdXad jlqXaq jlaXI

34、a Ra可以把漏抗壓降分解成兩個(gè)分量，即:j(Id Iq)XjIdX j IqXE0 U jId(XadX ) j Iq(Xaq X ) IaRaU j Id Xd j IqXqIaRa凸極發(fā)電機(jī)的相量圖如下:arctanxqIU sinU cos(4)凸極同步發(fā)電機(jī)的功角特性Pem mUIa cos mUI a cos( ) mUL cos cos mUI a sin sin aamUI a cos mUI d sin q凸極同步發(fā)電機(jī)的相量圖:從凸極發(fā)電機(jī)的相量圖可以看出:IaXa U sinq qIdXdE0 U cosIqIdU sin*E0 U cosXd最后，可得:U sinPemmU 一XqcosmU Eo Ucos sinXdUE。.mosinXd'''EmPem2(X Xq1)sin2Xd式中Pem為基本電磁功率；P'm為附加電磁功率顯然，此時(shí)當(dāng)功角=90。時(shí)