电动汽车用永磁同步电机浅析

电动汽车用永磁同步电机浅析

摘要：本文首先介绍了目前常用的电动机类型；然后着重介绍电动汽车用永磁同步电机在设计制造过程中可能会遇到的关键技术问题，还介绍了一些目前应用比较广泛的永磁同步电机的控制策略。

关键词：电动汽车；永磁同步电机；关键技术；控制策略

Superficial Analysis of Permanent Magnet Synchronous Motor

in Electric Vehicle

Abstract：The article first introduces the type of motors used commonly now,then introduce the key technology problem in the design and manufacture of permanent magnet synchronous motors,and also describes some control strategies of the permanent magnet synchronous motors.

Key words：electric vehicle; permanent magnet synchronous motor;key technology;control strategy

0引言

当今环保和能源问题备受关注，为解决这些问题，电动汽车呈现加速发展的趋势；同时电动汽车容易实现智能化，有助于改进和提高车辆的安全和使用性能。电动汽车对其驱动系统的要求是转矩控制能力良好,转矩密度高,运行可靠性及在整个调速范围内的效率尽可能高,从而保证车辆具有良好的动力性能和操控性,同时在车载动力电池未能取得突破的情况下,延长车辆的续驶里程。研究并开发出高水平的电机驱动控制系统,对提高我国电动汽车驱动系统水平及电动汽车的产业化具有重要意义[1]。

随着永磁材料性能的提高和成本的降低,永磁同步电动机以其高效率、高功率因数和高功率密度等优点,正逐渐成为电动汽车驱动系统的主流电机之一。

1概述

永磁电动机既具有交流电动机的无电刷结构、运行可靠等优点,又具有直流电动机的调速性能好的优点,且无需励磁绕组,可以做到体积小、控制效率高,是当前电动汽车电动机研发与应用的热点。永磁电动机驱动系统可以分为无刷直流电动机(BLD-CM)系统和永磁同步电动机(PMSM)系统[2]。永磁同步电动机(PMSM)系统具有高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性以及低噪声的特点,通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能,提高电动机的调速范围,因此在电动汽车驱动

方面具有较高的应用价值,已经受到国内外电动汽车界的高度重视,并在日本得到了普遍的应用[3],是一种比较理想的电动汽车驱动系统。

日本1965年就开始研制电动车,于1967年成立了日本电动车协会。1996年,丰田汽车公司的电动车RAV4就采用了东京电机公司的插入式永磁同步电机作为驱动电机,其下属的日本富士电子研究所研制的永磁同步电机可以达到最大功率50kW,最高转速1300 r/min。1998年1月,尼桑公司研发的新一代电动小客车在美国加利福尼亚州投入使用。驱动电机采用了钕铁硼材料,电机体积很小。表1为该电动车驱动电机的技术指标[4]。

表1 日本尼桑公司电动小客车驱动电机指标

外形尺寸/mm 206×300 最大转矩/N*m 160

重量/kg 39 最大输出功率/kW 62

极数8 最大速度r*min-113 100

额定输出/kW 40(连续) 最大效率/% 95

额定电压/V 180(交流)

2关键技术

永磁同步电机关键技术可以分为两大类:一类是以电机本身作为主体的关键技术,包括永磁同步电机设计、制造及永磁材料的研究等,这类关键技术,更加关注永磁同步电机本身的特性和性能、制造工艺及新型永磁材料在电机制造中的应用及发展；另一类是以电机为被控对象的关键技术,主要着力于电机的控制性能如电机运行的稳定性、电机的运行效率、电机的带载能力、特殊场合下的特殊应用等,这类关键技术主要解决如何保证永磁同步电机高效、可靠启动和运行的问题。本文主要讨论第二类永磁同步电机关键技术中的电机结构设计、电机转矩特性以及电机控制策略,下面先简要介绍永磁同步电机的相关技术。

2.1电机结构设计

永磁同步电机的功率因数大，效率高，功率密度大，是一种比较理想的驱动电机。但正由于电磁结构中转子励磁不能随意改变，导致电机弱磁困难，调速特性不如直流电机。目前，永磁同步电机理论还不如直流电机和感应电机完善，还有许多问题需要进一步研究，主要有以下两方面。

1)电机效率 : 永磁同步电机低速效率较低 ,如何通过设计降低低速损耗 ,减小低速额定电流是目前研究的热点之一。

2)电机的弱磁能力 : 永磁同步电机由于转子是永磁体励磁 ,随着转速的升高 ,电动机电压会逐浙达到逆变器所能输出的电压极限 ,这时要想继续升高转速只有靠调节定子电流的大小和相位

增加直轴去磁电流来等效弱磁提高转速。电机的弱磁能力大小主要与直轴电抗和反电势大小有关 , 但永磁体串联在直轴磁路中 , 所以直轴磁路一般磁阻较大 ,弱磁能力较小；电机反电势较大时，

也会降低电机的最高转速。如图1所示表示国内某汽车厂家生产的永磁同步电机。

图1 国内某汽车厂家生产的永磁同步电机

2.2电机转矩特性

近年来,为了提高电机转矩特性，许多学者和研究机构在永磁同步电机的结构设计上进行了大胆的尝试和革新，并且取得了许多新进展。为了解决槽宽和齿部宽度的矛盾,开发了横向磁通电机(Transverse FluxMachine)，电枢线圈和齿槽结构在空间上垂直,主磁通沿着电机的轴向流通，提高了电机的功率密度；采用双层的永磁体布置，使得电机交轴电导提高，增加了电机的输出转矩和最大功率；改变定子齿形和磁极形状以减少电机转矩脉动等。

为了提高电机的转矩特性，国内外专家对此进行了一系列深入的研究。日本电机工程研究实验室与其它公司合作推出采用双层永磁体的内置式永磁同步电机，提高了电机的交轴电导，使电机转矩增加10%，最大效率区增10%，最大峰值效率可达97%以上，主要运行区域效率可大于93%。

2.3电机控制策略

电动车驱动电机要求低速大转矩且有一定的高速恒功率运行范围，所以相应控制策略的研究也主要集中在提高低速转矩特性和高速恒功率特性上。

低速控制策略：为了提高驱动电机的低速转矩，一般采用最大转矩控制。早期永磁同步电机转子采用表面式磁钢，由于直轴和交轴磁路的磁阻相同，所以采用i d=0控制。控制命令中直轴电流设为0，从而实现最大转矩控制。随着同步电机结构的发展，永磁同步电机转子多采用内置式磁钢，利用磁阻转矩增加电机的输出转矩。i d=0控制电机电枢电流的直轴分量为0，不能利用电机的磁阻转矩，控制效果不好。目前，永磁同步电机低速时常采用矢量控制，包括气隙磁场定向、转子磁链定向、定子磁链定向等。

高速控制策略：为了获得更宽广的恒功率运行范围，永磁同步电机高速运行通常采用弱磁控制。

目前，国内外很多研究部门对永磁同步电机的控制策略进行了研究。新加坡理工大学电气学院研究的永磁同步电机控制策略低速时通过恒转矩控制模块计算出产生转矩所需直轴和交轴电流的大小，进行恒转矩控制;高速时运行于弱磁控制模式，根据直轴和交轴电流的参考值计算所需的电枢电流大小。日本大阪大学通过控制电枢电流的直轴成分减小电机的损耗，从而提高电机的效率。