新能源汽車永磁同步驅(qū)動電機性能提升分析

釹鐵硼稀土永磁材料的磁性能和機械性能都明顯高于鐵氧體和鋁鎳鈷永磁材料，加工性能好，我國稀土產(chǎn)量占世界總量的80％以上。具有得天
獨厚的稀土資源，因此釹鐵硼稀土永磁材料更加
適用于新能源汽車永磁同步驅(qū)動電機。

2轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對永磁同步驅(qū)動電機性能的影響

永磁同步驅(qū)動電機以轉(zhuǎn)子上永磁鋼的安裝方式可分為表面式和內(nèi)置式兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又可分為表貼式和嵌入式兩種．內(nèi)置式按永磁鋼勵磁方向可分為徑向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和集徑向與切向為一體的混合磁路的永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其d軸和q軸電感相等，轉(zhuǎn)子不具有凸極效應(yīng)，因此不產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，由于永磁鋼直接暴露在氣隙磁場中，導致永磁鋼易退磁，其弱磁能力受到限制。嵌入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，q軸電感大于d軸電感，轉(zhuǎn)子具有凸極效應(yīng)，因此有磁阻轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生。利用磁阻轉(zhuǎn)矩可有效提高電機的功率密度。嵌入式結(jié)構(gòu)動態(tài)性能較表貼式有所改善，但漏磁系數(shù)和制造成本均大于表貼式。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁鋼位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁鋼外表面與定子鐵心內(nèi)圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴。用以保護內(nèi)置式轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)的永磁鋼．因其轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)具有不對稱性而產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。有助于提高永磁同步驅(qū)動電機的過載能力和功率密度。而且易于“弱磁”擴速。

選用合適的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對永磁同步驅(qū)動電機性能有著極其重要的影響。日本豐田公司生產(chǎn)的混合動力汽車Prius(2003、2004、2010)、2007Ca唧和2008LS600h，本田公司生產(chǎn)2005Accord．其主驅(qū)動電機都采用了永磁同步驅(qū)動電機，但轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不盡相同。其中，2005Accord為表面嵌入式結(jié)構(gòu)，Prius、2007Camry和2008Ls600h為內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，2003Prius的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為“一”字型，2004Prius、2010 Prius和2007Camry為“V”字型。2008Ls600h為“三角”型結(jié)構(gòu)，如圖2所示，主要參數(shù)如表1

采用分數(shù)槽或整數(shù)槽是根據(jù)電機性能和生產(chǎn)工藝來考慮的，采用分數(shù)槽繞組較整數(shù)槽繞組有如下優(yōu)點同：

1)平均每對磁極下對應(yīng)的槽數(shù)大為減少，以較少數(shù)目的大槽代替較多數(shù)目的小槽，電樞沖片槽數(shù)較少．電樞鐵芯制造工藝相對簡單，同時又可減少槽絕緣相對占據(jù)的空間，有利于提高槽滿率，
進而提高電機性能。

2)一般采用分數(shù)槽時，電機線圈端部較短，不僅通過節(jié)約銅線使電機繞組電阻減少，而且同等情況下減少了電機銅耗，提高電機效率和降低溫升。

3)當不采用斜槽時，可通過繞組的短距和分布效應(yīng)。改善反電動勢波形的正弦性，進而減小電機的轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲。

4)當采用節(jié)距l(xiāng)，=1(分數(shù)槽集中繞組)時，可采用自動繞線，不僅提高了勞動生產(chǎn)率，簡化嵌線工藝和接線，而且降低了成本，與此同時，每個線圈只繞在一個齒上，縮短了線圈周長和繞組端部伸出長度．進一步降低用銅量，各個線圈端部沒有重疊。不必設(shè)相間絕緣。

51通過極槽配合的合理選?。捎梅謹?shù)槽集中繞組相對于整數(shù)槽繞組對減少齒槽轉(zhuǎn)矩、提高
輸出功率更為行之有效，且其弱磁擴速能力也有一定提高。與整數(shù)槽繞組相比分數(shù)槽繞組的主要不足之處是：槽數(shù)與極數(shù)選擇有嚴格的約束、繞組系數(shù)稍低、繞組電感較大、電樞反應(yīng)磁動勢有諧波導致轉(zhuǎn)子渦流損耗和噪聲。目前，選擇有較低磁動勢諧波的極槽配合、轉(zhuǎn)子鐵軛采用疊片式降低渦流損耗、采用高電阻率的永磁材料、適當增大氣隙、調(diào)整槽口寬度等措施都能有效彌補分數(shù)槽繞組的不足之處。根據(jù)以上分析，分數(shù)槽繞組可以有效提高槽滿率，降低電機銅耗，減少齒槽轉(zhuǎn)矩，無論是性能指標還是經(jīng)濟陛。更加適合永磁同步驅(qū)動電機。

4 控制策略對永磁同步驅(qū)動電機性能的影響

永磁同步驅(qū)動電機目前典型的兩種控制策略是矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。兩者有著各自的優(yōu)缺點。矢量控制是建立在被控永磁同步驅(qū)動電機的數(shù)學模型之后，電機轉(zhuǎn)矩通過控制電樞繞組電流來實現(xiàn)。永磁同步驅(qū)動電機在矢量控制下低速轉(zhuǎn)矩相對平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，在轉(zhuǎn)子磁場定向矢量的控制下，不需要無功勵磁電流，因此單位電流可產(chǎn)生大的電磁轉(zhuǎn)矩。相對于矢量控制。直接轉(zhuǎn)矩控制省去了復雜的空間坐標變換．只需采用定子磁鏈定向控制，便可在定子坐標系內(nèi)實現(xiàn)對電動機磁鏈、轉(zhuǎn)矩的直接觀察和控制【4】，具有控制方式簡單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快和便于實現(xiàn)全數(shù)字化的優(yōu)點。

目前，先進的控制算法應(yīng)用于兩種控制策略取得了不錯的成效，如基于滑模變結(jié)構(gòu)的永磁同步驅(qū)動電機直接轉(zhuǎn)矩控制，解決了傳統(tǒng)永磁同步驅(qū)動電機直接轉(zhuǎn)矩控制中存在的電流、磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動較大的問題嗍。基于占空比控制的永磁同步驅(qū)動電機新型直接轉(zhuǎn)矩控制方法，通過精確的數(shù)學模型利用轉(zhuǎn)矩誤差計算出當前所選有效電壓矢量的作用時間在整個采樣周期中的占空比。實時地調(diào)整有效電壓矢量的作用時間．有效減小了轉(zhuǎn)矩脈動?；诒壤环e分一微分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的小腦模型關(guān)節(jié)控制器CMAC研D)引入到永磁同步電動機交流調(diào)速系統(tǒng)中，取代傳統(tǒng)的雙環(huán)控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速外環(huán)PI控制器等。

另外，在矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制策略研究的基礎(chǔ)上，高性能控制技術(shù)也發(fā)展迅速，極大地提升了永磁同步驅(qū)動電機的各項性能。

1)弱磁擴速技術(shù)。電動汽車尤其是直接驅(qū)動型電動汽車需要永磁同步驅(qū)動電機有較寬的調(diào)速范圍．而電機的調(diào)速范圍受限于電機本身的機械結(jié)構(gòu)強度和基速以上恒功率區(qū)的范圍。針對這一情況需要進行弱磁控制。采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)使電機具有凸極效應(yīng)．并充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩拓寬弱磁區(qū)域的范圍。

2)轉(zhuǎn)矩脈動抑制技術(shù)。永磁同步驅(qū)動電機轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生的原因主要有兩方面：自身結(jié)構(gòu)引起的非理想化磁路和控制方法對引入?yún)?shù)的誤差放大。因此。通過優(yōu)化永磁同步驅(qū)動電機的結(jié)構(gòu)，改善轉(zhuǎn)子磁場分布，也可從電機控制層面出發(fā)，優(yōu)化控制策略，減小定子齒槽轉(zhuǎn)矩，終實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動抑制

5 結(jié)束語

本文分析了永磁材料磁特性、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、電樞繞組和控制策略對永磁同步驅(qū)動電機性能的影響，永磁鋼采用釹鐵硼稀土永磁材料、轉(zhuǎn)子選用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)、電樞繞組選用分數(shù)槽繞組并同時配合直接轉(zhuǎn)矩弱磁擴速技術(shù)。能有效提升永磁同步驅(qū)動電機的主要性能指標。