永磁同步电机性能要求与技术现状分析

在各类驱动电机中, 永磁同步电机能量密度高, 效率高、体积小、惯性低、响应快, 有很好的应用前景。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。

作为车辆电驱动系统的中心环节, 驱动电机的总体性能是设计研制技术的关键之一。根据车辆运行的特殊环境以及电驱动车辆自身的特点, 对驱动电机的技术要求主要是:

( 1)体积小、重量轻; 有较高的功率和转矩密度;

( 2)要求在宽速域范围内, 电动机和驱动控制器都有较高的效率;

( 3)有良好的控制性能以及过载能力, 以提高车辆的起动和加速性能。

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）提高电机转矩特性

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。

1.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 id= 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。id= 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。

2.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。另外, 在电机采用低速转矩控制和高速弱磁控制的同时, 还要考虑如何

提高电机的效率。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。通过对不同参数的电机进

行仿真, 结果表明利用直轴电流的弱磁效应可以提高电机的效率。

3.提高输出转矩

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 %。

4.降低转矩脉动

在抑制转矩脉动方面, 通常通过对电机结构进行优化设计来实现。例如: 采用不均匀气隙, 在转子上分布圆形孔洞, 优化定子齿形, 优化磁极形状等等。图 2为一种新型

永磁体形状设计。磁桥宽度保持不变, 随着角度 H变小, 转矩脉动和齿槽转矩减小。

3）提高弱磁扩速能力

弱磁控制可以实现永磁同步电动机在低速时能输出恒定转矩, 高速时能输出恒定功率, 有较宽的调速范围。较弱的弱磁性能能够在逆变器容量不变的情况下提高系统性能; 或者说在保持系统性能不变的前提下降低电机的最大功率, 从而降低逆变器的容量。因此对永磁同步电动机进行弱磁控制并且拓宽弱磁范围有着重要的意义。

为了提高电机效率、扩大电机的弱磁能力, 国内外提出了许多弱磁设计方案: 其中代表性的主要有:

( 1)定子采用深槽结构: 通过采用深槽结构增加直轴漏杭, 从而增加电机的弱磁能力。日本人采用这种方法设计出的样机最高速度可达13 000 r/min。但采用这种方法高速铁耗比较大。日本电机采用了高性能低饱和硅钢片, 采用普通的硅钢片材料设计效果不会很好。

( 2)复合转子结构: 复合式转子由永磁段和轴向层叠磁阻段组成, 两者同轴置于同

一定子铁心内。可以对这两部分进行独立设计, 磁阻段用于控制电机直、交轴电抗参数, 以获得需要的凸极比。这种结构可以增大电机的直轴电抗, 扩大电机的转速范围。但

这种结构会使转矩密度降低 , 高速时铁磁损耗很大。

( 3)交替极结构永磁电机: 这种电机的定子由叠片铁心、铁轭以及 3相绕组组成; 沿圆周的直流绕组被放置在定子铁心的中间。转子极分为两部分:一部分放径向磁化的

永磁体, 一部分为铁极结构。该结构容易实现弱磁控制, 但直流绕组的引入减小了功率密度, 对空间体积的要求也增加了。

( 4)双套定子绕组: 低速时采用低速绕组提高电机的转矩、降低电流从而提高电机的效率, 高速时采用高速绕组降低电机的反电势扩大电机的高速运行范围。美国技术公司就采用了这项技术。沈阳工业大学和香港大学也对这项技术进行了研究。香港大学通过实验证明采用双套绕组后永磁同步电机的最高转速可由 2 000 r /mi n 扩大到 4 500 r /min以上。