15年汽車工程會集ev058

２０１５ＣＧ 參 ?宮健 第車技術(shù)【】以電動車用永磁同步電機(jī)為研究對象?對電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動的構(gòu)成及成因進(jìn)行了分析?用有限元方法計算電機(jī)的磁鏈波形?進(jìn)而由數(shù)值計算得到電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動波形?并進(jìn)行分解得到轉(zhuǎn)矩波動的各次諧波?對比了理想正弦電流供電和非理想諧波電流供電兩種情況下電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動波形的特性?分析了各種電流偏差引起的電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動含量的變化?為電機(jī)控制及整車傳動系統(tǒng)的振動分析打下了基礎(chǔ)?【】永磁同步電機(jī)?轉(zhuǎn)矩波動?構(gòu)ＦｏｒＶｅｈｉｃｌｅＰＭＳＭＴｏｒｑｕｅＲｉｐｐｌｅＣｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎＹａｎｇＪｉｎｇｃａｎ?ＧｕｏＳｈｏｕｌｕｎ?ＬｉｕＲｕｙｉ?ＺｅｎｇＪｉｎｌｉｎｇ?ＧｏｎｇＪｉａｎ?ＳｕｎＸｉａｏｊｉ?ＷａｎｇＪｉｎｈａｏＣｈｉｎａＦＡＷＧｒｏｕｐＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＲ＆ＤＣｅｎｔｅｒＡｂｓｔｒａｃｔ:ＦｏｒｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆＰＭＳＭｉｎｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ?ｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｃａｕｓｅｓｏｆｍｏｔｏｒｔｏｒｑｕｅｒｉｐｐｌｅｉｓａｎａｌｙｚｅｄ.Ｕｓｉｎｇｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｍｏｔｏｒｆｌｕｘｗａｖｅｆｏｒｍ?ａｎｄｔｈｅｎｇｅｔｔｈｅｍｏｔｏｒｔｏｒｑｕｅｒｉｐｐｌｅｗａｖｅｆｏｒｍｂｙｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ?ａｎｄｕｓｉｎｇａＦｏｕｒｉｅｒｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｔｏｏｂｔａｉｎｔｏｒｑｕｅｒｉｐｐｌｅｏｆｅａｃｈｈａｒｍｏｎｉｃ.Ｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒｔｏｒｑｕｅｒｉｐｐｌｅｕｓｉｎｇｉｄｅａｌｓｉｎｕｓｏｉｄａｌｃｕｒｒｅｎｔｗｉｔｈｎｏｎｉｄｅａｌｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｈａｒｍｏｎｉｃｃｕｒｒｅｎｔｓｉｎｂｏｔｈｃａｓｅｓ?ｔｏｒｑｕｅｒｉｐｐｌｅｃａｕｓｅｄｂｙａｖａｒｉｅｔｙｏｆｃｕｒｒｅｎｔｄｅｖｉａｔｉｏｎｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ.Ａｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｆｏｒｍｏｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｄｒｉｖｅｌｉｎｅｖｉｂｒａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＰＭＳＭ?ｔｏｒｑｕｅｒｉｐｐｌｅ? 由于永磁同步電機(jī)在結(jié)構(gòu)上存在齒槽?在諧波畸變?使得永磁同步電機(jī)在運(yùn)行當(dāng)中存在轉(zhuǎn)矩波動象電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動通過轉(zhuǎn)子軸傳動到整個動力系統(tǒng)中?產(chǎn)生振動為了保證乘員的舒適性?從產(chǎn)生機(jī)理上講?于定位力矩和電磁波動轉(zhuǎn)矩由于定位力矩反映的是電機(jī)空載工況的性能?而不是負(fù)載?下文主要對永磁同步電機(jī)的

而非正弦性較好的分布式繞組或正弦繞組?同時定子開槽使得氣隙磁導(dǎo)在圓周方向非連續(xù)變化?即使當(dāng)定子繞組中通入三相對稱正弦電流時?三相繞組的磁鏈ψａψｂψｃ并不一定是為例?諧波磁鏈 為便于對各個階次磁鏈產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動進(jìn)行分析?采用永磁同步電機(jī)常用的基于轉(zhuǎn)子磁場的ｄｑ坐標(biāo)系三相磁鏈由定子三相坐標(biāo)系到轉(zhuǎn)子ｄｑ坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系式如 ψｄ １

ｃｏｓ( ｃｏｓ(α ψａ混合動力汽車采用Ｐ２構(gòu)型?電機(jī)為長徑比小的扁平 ２

結(jié)構(gòu)?其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表表

３ ｓｉｎ( ｓｉｎ(α ｓｉｎ(α＋１２０°)ｂ ０ ０ ０ 數(shù)值數(shù)值電機(jī)軸向長度２由于此２０極３０槽電機(jī)定子采用節(jié)距為１的集中繞組

分析時?令初始值α＝在ｄｑ０坐標(biāo)系中?Ｔｅ＝１５ｐ(ψｄ ψｑＩｄ 由表可得?此電機(jī)諧波磁鏈中只含有次及６ｋｋ＝１２次分量?且不含有其他的倍數(shù)次諧波磁鏈?其中３

２０１５ＣＧ表 表 ＡＢＣ幅值/００４００４００４相位３０２０９８９３幅值/０００相位５幅值/０００相位８２２０２３７７幅值/０００相位３２８７５２幅值/０００相位３幅值/０００相位８３３６２０３ψａ３＝ψｂ３＝ψｃ３＝ψ３ｃｏｓ(３ωｔ＋θ３故ｄｑ軸下３次諧波磁鏈ψｄ３＝ψｑ３＝ψａ＝ψ１ｃｏｓ(ωｔ＋θ１)＋ψｃｏｓ(５ωｔ＋θ ＋ψ７ｃｏｓ(７ωｔ＋θ７)ψｂ＝ψ１ｃｏｓ(ωｔ＋θ１１２０°) ψｃｏｓ(５ωｔ＋θ＋１２０°) ψ７ｃｏｓ(７ωｔ＋θ７１２０°)ψｃ＝ψ１ｃｏｓ(ωｔ＋θ１＋１２０°)ψｃｏｓ(５ωｔ＋ １２０°)ψｃｏｓ(７ωｔ＋θ＋１２０°) ψｄ＝ψ１ｃｏｓ(β１)＋ψｃｏｓ(６ωｔ＋β ＋ψ７ｃｏｓ(６ωｔ＋β７)

三相正弦的繞組電流與正弦的磁鏈產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩是恒定的?轉(zhuǎn)矩沒有波動由于電機(jī)自身磁路繞組分布等導(dǎo)致繞組磁鏈畸變?繞組中的電流與諧波磁鏈相互作用產(chǎn)生電磁波動轉(zhuǎn)矩在磁鏈諧波中?５次７次諧波含量最高?產(chǎn)生的電磁波動轉(zhuǎn)矩幅值較大?１１次和１３次及更高次諧波磁鏈幅值較低?產(chǎn)生波動轉(zhuǎn)矩幅值較小?所以在總體的電磁波動轉(zhuǎn)矩中?以Ｔ６１占主體地位?比較直觀就是Ｔｅ在一個電周期內(nèi)(電機(jī)的極對數(shù)為１０?３６°機(jī)械角度)有六個波頭通過對電磁轉(zhuǎn)矩的ｄｑ軸模型數(shù)值計算可一目了然地３電動汽車在工作中?需要經(jīng)過逆變器將電池側(cè)的直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電供給電機(jī)定子繞組逆變器開關(guān)器件調(diào)制方式一般采用控制?斬波調(diào)制得到的交流電流存在畸變６?電流相比有偏差? ψｓｉｎ(６ωｔ＋β 由式(４)可看出?磁鏈基波與次諧波相序一致次諧波與基波相序相反以此類推６ｋ次諧波與基波相序與基波相序一致?其諧波旋轉(zhuǎn)磁場也與基波一致由于轉(zhuǎn)子主極磁場與定子電樞磁場方向一致轉(zhuǎn)速相同所以６ｋ１次諧波電流及６ｋ＋１次諧波電生的磁場相對于轉(zhuǎn)子主極磁場轉(zhuǎn)速為６ｋ倍令基波磁鏈ψｄ＝ψｃｏｓβ

逆變器輸出電流常見畸變是電流中出現(xiàn)高頻奇次諧波?對于三相對稱繞組永磁同步電機(jī)?電流諧波頻率中不會含有３的倍數(shù)次的成分所以諧波電流的頻次為６ｋ±１次(ｋ＝１?２?３)７?此時?三相繞組的電流可表示為Ｉａ＝Ｉ１ｃｏｓ(ωｔ＋θ１)＋Ｉｃｏｓ(５ωｔ＋θψｑ１＝ψ１ｓｉｎ(β１)?６次諧波磁 ＋Ｉ７ｃｏｓ(７ωｔ＋θ７)Ｉ＝Ｉｃｏｓ(ωｔ＋ １２０°)ψｄ６＝ψｃｏｓ(６ωｔβ)ψ７ｃｏｓ(６ωｔβ７)ψｑ６＝ψｓｉｎ(６ωｔ＋β)ψ７ｓｉｎ(６ωｔ＋β７其他高次諧波磁鏈以此類推可得出基波轉(zhuǎn)矩

Ｉｃｏｓ(５ωｔ＋θ＋１２０°) Ｉｃｏｓ(７ωｔ＋ １２０°) 次磁鏈與基波電流形成的轉(zhuǎn)矩Ｔｅ６１次磁鏈與基波電流形成的轉(zhuǎn)矩Ｔｅ１２１?高次諧波磁鏈對應(yīng)的諧波電磁轉(zhuǎn)矩以此類推上述轉(zhuǎn)矩分量表達(dá)式如下:Ｔ＝１５ｐ(ψ ψＩ

Ｉｃ＝Ｉ１ｃｏｓ(ωｔ＋θ１＋１２０°) Ｉｃｏｓ(５ωｔ＋ １２０°) Ｉ７ｃｏｓ(７ωｔ＋θ７＋１２０°) ｑ１ 諧波電流經(jīng)過ｄｑＴｅ６１＝１５ｐ(ψｄ６Ｉｑψｑ６Ｉｄ ＩｄＴｅ６１＝１５ｐ(ψｄ６Ｉｑψｑ６Ｉｄ Ｉｄ＝Ｉ１ｃｏｓ(θ１)＋Ｉｃｏｓ(６ωｔ＋θ

＋Ｉｃｏｓ(６ωｔ＋θ) Ｉｑ＝Ｉｓｉｎ(θ)Ｉｓｉｎ(６ωｔ＋θ ＝１５ｐ( Ｉ Ｉ ｄ(６ｋ±１) ｑ(６ｋ±１) ２０１５ＣＧ 基波Ｉｄ１＝Ｉ１ｃｏｓ(θ１)?Ｉｑ１＝Ｉ１ｓｉｎ(θ１)?６次電流Ｉｄ６＝Ｉｃｏｓ(６ωｔ＋θ)＋Ｉ７ｃｏｓ(６ωｔ＋θ７)?Ｉｑ６＝Ｉｓｉｎ(６ωｔ＋θ)Ｉ７ｓｉｎ(６ωｔ＋θ７)?以此類推一般而言?１７次及高于１７次的諧波產(chǎn)生波動電磁轉(zhuǎn)矩較小?分析中暫忽略不計 Ｔｅ６１基波磁鏈與次電流形６１２１波磁鏈與次電流形成的轉(zhuǎn)矩Ｔｅ１１２６次磁鏈與１２次電１２次磁鏈與次電流形成的轉(zhuǎn)矩Ｔｅ６６次磁鏈與１２次電流形成的轉(zhuǎn)矩Ｔｅ１２１２上述轉(zhuǎn)矩表達(dá)式如下:Ｔｅ１＝１５ｐ(ψｄ１Ｉｑ１ψｑ１Ｉｄ１Ｔｅ６１＝１５ｐ(ψｄ６ ψｑ６Ｉｄ１Ｔｅ１６＝１５ｐ(ψｄ１ ψｑ１Ｉｄ６ＴＴ＝１５ｐ(ψ

ψＩ

ｄ１２

ｑ１２Ｔｅ１１２＝１５ｐ(ψｄ１ ψｑ１Ｉｄ１２ Ｔｅ６１２＝１５ｐ(ψｄ６ ψｑ６Ｉｄ１２Ｔｅ１２６＝１５ｐ(ψｄ１２ ψｑ１２Ｉｄ６Ｔｅ６６＝１５ｐ(ψｄ６ ψｑ６Ｉｄ６

圖 Ｔｅ１２１２＝１５ｐ(

[(Ｉ１＋Δａ)(ｓｉｎ(θ１表

＋(ΔａΔｂ)ｓｉｎ(２ωｔ＋θ１＋ ＋(Ｉ１＋Δｂ)(ｓｉｎ( Ｉ＝３[(Ｉ＋Δａ)ｃｏｓ( ５７７２５７７２３３２

＋(ΔａΔｂ)ｃｏｓ(２ωｔ＋

＋由上式可得出各個階次轉(zhuǎn)矩波形所示上述９次分量次分量次６１２??略不計波動轉(zhuǎn)矩的主要成分還是次波動轉(zhuǎn)矩Ｔｅ６和次波動轉(zhuǎn)矩

＋(Ｉ１＋Δｂ)ｃｏｓ(θ１由上式可看出? Ｉｑ除一個直流分量外?還有一個從圖中可得出ＡＢＣ三相電流幅值相差較大可明??幅值與(ΔａΔｂ)的大小成正 除此之外?還有次與次波動轉(zhuǎn)矩?由于Ｔｅ幅值較大?從波形上看?ｅ１２由于幅值較小 ｅ１２由于幅值較小

ｅ１)后?電磁轉(zhuǎn)矩在一個電周期依然有ｅ１)后?電磁轉(zhuǎn)矩在一個電周期依然有是呈現(xiàn)個波頭的情況Ｔｅ６和Ｔｅ１２Ｔｅ６＝Ｔｅ１６＋Ｔｅ６Ｔｅ１２＝Ｔｅ１１２＋Ｔｅ１２３

逆變器輸出電流的偏差不僅局限于諧波電流?也可能會出現(xiàn)三相電流幅值的偏差?即三相電流不再對稱由于電樞繞組為三相對稱星型聯(lián)結(jié)?三相電流之和為零此時僅含有幅值Ｉａ＝(Ｉ１＋Δａ)ｃｏｓ(ωｔ＋θ１

圖 ３ Ｉｂ＝(Ｉ１＋Δｂ)ｃｏｓ(ωｔ＋θ１１２０°)Ｉｃ＝ ＩａＩｂ

即三相繞組電流之間不再相差１２０°此時?僅含有相位偏式中?Δａ≠Δｂ?假設(shè)Δａ>Δｂ(對最果無影響?下同

Ｉａ＝Ｉ１ｃｏｓ(ωｔ＋θ１＋Ｉｂ＝Ｉ１ｃｏｓ(ωｔ＋θ１１２０°＋Δｂ)Ｉｃ＝ ＩａＩｂ

２０１５ＣＧ弧度制中?γｒａｄ?將ｓｉｎ(γγ(γ為弧度制?差在以內(nèi)

Ｉｄ＝Ｉ１ｃｏｓ(θ１) ２ΔＣｓｉｎ(ωｔ＋３０°＋ ｄ Ｉ１[ｓｉｎ(θ１＋Δａ Ｉ Ｉｓｉｎ(θ) (ΔａΔｂ)

＋Δａ＋

２ ３ΔＣｃｏｓ(ωｔ＋３０°＋ Ｉｑ

其中ΔＣΔφ是與ΔａΔｂ有關(guān)的常數(shù)可看出ＩｄＩｑＩ[ｃｏｓ(θ＋Δａ６０°) 中有一個與電流基波同頻率的一個波動?如圖５所示令 (ΔａΔｂ)

２ωｔ＋θ＋Δａ＋Δｂ Ｔｅ１＝１５ｐ(ψｄ１Ｉｑψｑ１Ｉｄ 由上式可看出?Ｉｄ Ｉｑ除一個直流分量外?還有一個幅值為(ΔａΔｂ)πＩ１/(１８０３)頻率為２ω的二倍電頻率的交流分量?仿真中?設(shè)定Δａ＝１°Δｂ＝１°雖然相角偏差比較大?此時產(chǎn)生的２ω圖 假設(shè)逆變器輸出的交流電流出現(xiàn)直流分量的偏差?即三相繞組電流在一個電周期內(nèi)的平均值不再為零此時?僅含有Ｉａ＝Ｉ１ｃｏｓ(ωｔ＋θ１)＋Ｉｂ＝Ｉ１ｃｏｓ(ωｔ＋ １２０°)＋ Ｉｃ Ｉａ式中Δａ≠Δｂ?經(jīng)過變換后

圖 ４本文分析了永磁同步電機(jī)在工作中轉(zhuǎn)矩波動的構(gòu)成及轉(zhuǎn)矩波動成分各自產(chǎn)生的機(jī)理電機(jī)負(fù)載時其轉(zhuǎn)矩波動一部分是由于電機(jī)本身磁路結(jié)構(gòu)引起的?當(dāng)在三相繞組中通入三相對稱正弦電流時?繞組磁鏈依然存在畸變?可獲得電機(jī)的各個頻次的電磁轉(zhuǎn)矩波動?其中以６ω轉(zhuǎn)矩波動為主此外?由于ＳＶＰＷＭ控制中?逆變器輸出的電流并不是完全正弦的?可能存在各種各樣的偏差?如幅值的偏差相位的偏差直流分量的偏差以及高頻次諧波的偏差?這些電流偏差會引起相應(yīng)頻次的轉(zhuǎn)矩波動?情況比通入理想三相電流時轉(zhuǎn)矩波動更復(fù)雜?為減少這些轉(zhuǎn)矩波動對電機(jī)傳動系統(tǒng)的影響?需要減少這些逆變器輸出電流偏差在電機(jī)工作中?如果檢測到在一個電周期內(nèi)?有較明顯的一倍頻或二倍頻的轉(zhuǎn)矩波動?此時應(yīng)當(dāng)是三相電流出現(xiàn)了