符荣;窦满峰
【摘 要】In this paper, the main parameters influencing motor running characteristics are analyzed in depth for driving requirements under each of different running conditions of IPMSM for electric automobiles. In order to a-chieve maximum output torque under low speed operating conditions and to extend the field weakening range of the motor at high speed constant power operating conditions, the quadrature axis inductance parameter values Lq of IPMSM should be improved to the greatest extent possible during design. Furthermore, a 30 kw prototype of IPMSM is designed for traction electric automobiles;the main performances, including that of electromagnetic field, of the 30 kw prototype are analyzed with finite element method;then the experimental parameters, no-load test and load test of the 30 kw prototype are accomplished. The calculation results with FEM agree with the experimental results for the 30 kw prototype;these results and their analysis show preliminarily the validity of the design and analysis.%针对电动汽车驱动电机既要满足低速区
大转矩输出，同时又要满足高速恒功率区宽弱磁调速范围的特殊需求，提出采用V型转子磁路结构的内置式永磁同步电机作为驱动电机；通过对影响这种结构电机运行特性的主要参数理论分析表明：提高内置式永磁同步电机交轴电感Lq 参数值，不仅有利于提高电机恒功区弱磁扩速范围，而且同时也满足低速区的大转矩输出要求。同时，采用这种结构设计了30 kw电动汽车驱动用内置式永磁同步电机，结合有限元对样机主要性能进行了电磁场计算；并对样机进行了参数实验、空载实验、负载实验。通过对比分析，样机实验测试结果与设计计算值、电磁场仿真计算结果相吻合，表明所研究V型内置式永磁同步电机结构及提高电机交轴电感Lq 参数的设计方法是一种能够满足电动汽车驱动电机输出特性需求的有效方法。
【期刊名称】《西北工业大学学报》
【年(卷),期】2014(000)005
【总页数】7页(P737-743)
【关键词】电动汽车;内置式永磁同步电机;电机设计;有限元;实验
【作 者】符荣;窦满峰
【作者单位】西北工业大学 自动化学院，陕西 西安 710072;西北工业大学 自动化学院，陕西 西安 710072
【正文语种】中 文
【中图分类】TM301.2
随着各国城市汽车保有量的大幅增加,汽车尾气“碳排放”超标加剧了城市空气污染;同时,人类正面临石油资源的日渐枯竭,寻新能源替代石油资源成为解决问题的关键。电动汽车以电能为动力能源,具有零排放、低噪声和节能等优点,因此,电动汽车的研发与推广受到世界各国政府的高度重视[1]。
驱动电机作为电动汽车的核心部件,它性能的优劣直接对电动汽车的整车性能产生重要影响。研发高性能电动汽车驱动电机成为目前电动汽车研究领域的重要方向之一[2]。电动汽车驱动电机的类型主要有:感应电机、无刷直流电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等,其中,内置式永磁同步电机以其结构简单、效率高、弱磁调速性能优良等一系列优点,受到电动汽车牵引电机行业的广泛关注[3]。
电动汽车驱动电机的运行工况复杂多变,如在城市拥堵路况下需要频繁起动、加速、停车;而在高速公路路况下,又需要高速超车。因此,本文针对电动汽车驱动用永磁同步电机的运行工况变化范围大,电机工作点变化频繁,对内置式永磁同步电机参数的变化对驱动电机输出特性的影响进行深入分析。分析表明:为了同时满足驱动电机低速区大转矩输出,高速恒功区宽弱磁范围的性能要求,在设计电机时,必须尽量提高内置式永磁同步电机交轴电感Lq参数值。同时,对30 kw电动汽车驱动用内置式永磁同步电机进行了样机设计;并结合有限元对样机进行电磁场计算;最后,对样机进行实验研究,通过计算结果与实验结果的对比分析,证明了样机设计分析的正确性。
1 电动汽车用PMSM的输出特性分析
电动汽车驱动用永磁同步电动机要求能够频繁起动、停车、加减速,即驱动电机要求在低速或爬坡时输出大转矩,并且要求具有很宽的高速恒功率调速范围。如图1所示,给出某70 kw电动汽车驱动电机输出特性图。
图1 电动汽车驱动电机输出特性图
由于实际电动汽车驱动电机是由逆变器提供电压,而有限的逆变器直流侧电压所引起的电流调节器的饱和特性,使得驱动电机的转矩和功率会过早下降。若驱动电机能具备较强的弱磁性能,就能保证在逆变器容量不变的前提下,提高驱动电机的启动加速能力、爬坡能力、扩大高速运行范围能力。因此,合理设计永磁同步电机转子结构对提高驱动电机弱磁性能有着非常重要的意义。
2 转子结构的选择
永磁同步电机根据转子结构的不同分为表面贴装式永磁同步电机(SPMSM)(也称为隐极式永磁同步电机)与内置式永磁同步电机(IPMSM)(也称为凸极式永磁同步电机)。如图2所示,给出永磁同步电机转子结构示意图。
图2 PMSM的转子结构示意图汽车逆变器
表面式永磁同步电机是在转子表面贴装永磁体,如图2a)所示。由于永磁体的磁导率接近于空气磁导率,所以这种转子结构的凸极效应较小,一般多用于中小功率的高精度伺服控制系统当中。如图2b)～图2d)所示的转子结构都是内置式转子结构。内置式永磁同步电机的永磁体位
于转子内部,永磁体外部有软磁材料制成的极靴保护,转子结构简单、坚固,而且,内置式结构永磁体加工成本比表贴式瓦型永磁体加工成本要低很多。
内置式永磁同步电机由于永磁体被埋入转子铁心内部,导致存在永磁体的直轴磁路磁阻比交轴磁路磁阻大,从而导致电机的交轴电感Lq比直轴电感Ld大,而由交、直轴磁路不对称产生的磁阻转矩有利于提高电机的过载能力和功率密度,且为电动汽车驱动电机的弱磁扩速提供了可能[3]。
图2b)为径向内置式转子结构,这种转子结构漏磁小,而图2c)切向内置式转子结构的漏磁较大,所以,一般大功率驱动电机都采用径向内置式转子结构。为了进一步提高电机功率密度,减小电机体积,通常采用图2d)V型混合式转子结构,这种结构与径向内置式结构相比,可以提供更大永磁体放置空间。通过比较,本文选择V型混合式作为电动汽车驱动用内置式永磁同步电机的转子结构形式。
3 电机参数对驱动电机输出特性的影响
永磁同步电动机转子采用永磁体励磁方式,与传统电励磁同步电机相比,转子磁场无法直接调
节,为了保证高速恒功区的稳定运行,必须采用弱磁升速的方法来实现,也就是在牵引电机的高速运行区必须对电机进行弱磁控制。实际弱磁控制是利用直轴电枢反应使电机气隙磁场减弱,从而达到等效于减弱磁场的效果。
3.1 驱动IPMSM的数学模型
实际驱动牵引用内置式永磁同步电机由逆变器供电,其端电压方程us可表示为:
(1)
而在dq坐标系,电机电磁转矩Tem可表示为:
ψfiq+idiq(Ld-Lq)]
(2)
式中：Rs为电机定子电阻;Ld、Lq分别为电机定子绕组的d、q轴电感;ψf为转子永磁体磁链;p为电机极对数;id、iq为永磁同步电机定子电流在d、q轴上的分量;β是电流控制角,即定子电枢电流is超前于q轴的电角度。
由于实际定子端电压与定子电流都会受到逆变器容量的限制,设端电压、电流极限值分别ulim、ilim,当忽略定子电阻压降时有:
≤ilim
(3)
≤ulim
(4)
由(4)式可以看出,电机的端电压与电机转速成正比,当电机转速达到额定转速时,电机端电压也达到额定电压值,如果想继续提高转速,就需要通过弱磁控制来满足端电压极限值的要求。
所以,电机转速,以及最高理想转速分别为:
(5)
(6)
当逆变器容量、电机结构确定时,即参数ulim、ilim与p基本确定,若要提高电机在额定转速以上的弱磁扩速能力,由(5)式与(6)式可知:可以通过减小转子永磁体磁链ψf、或增大直轴电感Ld与交轴电感Lq来实现。
而若要提高电机在额定转速以下的输出转矩,根据(2)式可知:可以通过增大转子永磁体磁链参数ψf,或者增大交电感Lq、减小直轴电感Ld、或增大直交轴电感之间的差值|Lq-Ld|就能实现;但在进行参数调整时必须同时满足端电压方程式(1)。
3.2 电机主要参数对输出特性的影响
为了在电机设计时,采取正确的措施对电机的主要参数进行调整,以满足电动汽车驱动电机在不同工况下的性能要求。本文对所设计30 kw电动汽车驱动用内置式永磁同步样机的主要参数:转子永磁体磁链ψf、直轴电感Ld、交轴电感Lq分别进行调整,深入研究每种参数变化对驱动电机的输出特性不同影响。30 kw内置式永磁同步样机结构截面图,如图3所示。
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