新能源汽車永磁同步驅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動電機。

2轉子結構對永磁同步驅動電機性能的影響

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

表貼式轉子結構，其d軸和q軸電感相等，轉子不具有凸極效應，因此不產生磁阻轉矩，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。嵌入式轉子結構，q軸電感大于d軸電感，轉子具有凸極效應，因此有磁阻轉矩產生。利用磁阻轉矩可有效提高電機的功率密度。嵌入式結構動態(tài)性能較表貼式有所改善，但漏磁系數和制造成本均大于表貼式。內置式轉子結構的永磁鋼位于轉子內部，永磁鋼外表面與定子鐵心內圓之間有鐵磁物質制成的極靴。用以保護內置式轉子鐵芯內的永磁鋼．因其轉子磁路結構具有不對稱性而產生磁阻轉矩。有助于提高永磁同步驅動電機的過載能力和功率密度。而且易于“弱磁”擴速。

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

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

1)平均每對磁極下對應的槽數大為減少，以較少數目的大槽代替較多數目的小槽，電樞沖片槽數較少．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。改善反電動勢波形的正弦性，進而減小電機的轉矩脈動和噪聲。

4)當采用節(jié)距l(xiāng)，=1(分數槽集中繞組)時，可采用自動繞線，不僅提高了勞動生產率，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。不必設相間絕緣。

51通過極槽配合的合理選?。捎梅謹挡奂欣@組相對于整數槽繞組對減少齒槽轉矩、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。與整數槽繞組相比分數槽繞組的主要不足之處是：槽數與極數選擇有嚴格的約束、繞組系數稍低、繞組電感較大、電樞反應磁動勢有諧波導致轉子渦流損耗和噪聲。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、調整槽口寬度等措施都能有效彌補分數槽繞組的不足之處。根據以上分析，分數槽繞組可以有效提高槽滿率，降低電機銅耗，減少齒槽轉矩，無論是性能指標還是經濟陛。更加適合永磁同步驅動電機。

4 控制策略對永磁同步驅動電機性能的影響

永磁同步驅動電機目前典型的兩種控制策略是矢量控制和直接轉矩控制。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動電機的數學模型之后，電機轉矩通過控制電樞繞組電流來實現。永磁同步驅動電機在矢量控制下低速轉矩相對平穩(wěn)，調速范圍較寬，在轉子磁場定向矢量的控制下，不需要無功勵磁電流，因此單位電流可產生大的電磁轉矩。相對于矢量控制。直接轉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實現對電動機磁鏈、轉矩的直接觀察和控制【4】，具有控制方式簡單、轉矩響應快和便于實現全數字化的優(yōu)點。

目前，先進的控制算法應用于兩種控制策略取得了不錯的成效，如基于滑模變結構的永磁同步驅動電機直接轉矩控制，解決了傳統(tǒng)永磁同步驅動電機直接轉矩控制中存在的電流、磁鏈和轉矩脈動較大的問題嗍?；谡伎毡瓤刂频挠来磐津寗与姍C新型直接轉矩控制方法，通過精確的數學模型利用轉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。實時地調整有效電壓矢量的作用時間．有效減小了轉矩脈動。基于比例一積分一微分神經網絡的小腦模型關節(jié)控制器CMAC研D)引入到永磁同步電動機交流調速系統(tǒng)中，取代傳統(tǒng)的雙環(huán)控制系統(tǒng)中的轉速外環(huán)PI控制器等。

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

1)弱磁擴速技術。電動汽車尤其是直接驅動型電動汽車需要永磁同步驅動電機有較寬的調速范圍．而電機的調速范圍受限于電機本身的機械結構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。采用內置式轉子結構使電機具有凸極效應．并充分利用磁阻轉矩拓寬弱磁區(qū)域的范圍。

2)轉矩脈動抑制技術。永磁同步驅動電機轉矩脈動產生的原因主要有兩方面：自身結構引起的非理想化磁路和控制方法對引入參數的誤差放大。因此。通過優(yōu)化永磁同步驅動電機的結構，改善轉子磁場分布，也可從電機控制層面出發(fā)，優(yōu)化控制策略，減小定子齒槽轉矩，終實現轉矩脈動抑制

5 結束語

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