定子斜槽的新型車用混合勵磁永磁同步電動機(jī)研制

劉仲恕

(福建工程學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建福州 350118)

電動汽車所使用的電動機(jī)從大的方面來分，可以分為電勵磁電動機(jī)和永磁體即磁鋼勵磁兩種方式，電勵磁電動機(jī)是指所有使用交直流電流產(chǎn)生激磁磁場的電機(jī)而永磁體勵磁電動機(jī)是指所有使用磁鋼等永磁體產(chǎn)生激磁磁場的電機(jī)。但以上兩種勵磁方式的車用電動機(jī)中，電勵磁電動機(jī)由于勵磁繞組銅損耗的存在使得電動機(jī)效率較低而且由于其較低的功率密度所以其主要尺寸都比較大。永磁同步電機(jī)雖然容易實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩和高效率輸出，但由于其氣隙磁場由永磁體單獨(dú)提供，電機(jī)制成后氣隙磁場無法改變和調(diào)節(jié)，由此帶來的問題是電機(jī)在恒功率運(yùn)行時無法實(shí)現(xiàn)很寬范圍的弱磁調(diào)速。有鑒于此，混合勵磁永磁同步電動機(jī)從電機(jī)本體結(jié)構(gòu)上將上述兩種電動機(jī)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，從而在運(yùn)行性能上充分實(shí)現(xiàn)了兩種電動機(jī)的固有優(yōu)點(diǎn)。因而，混合勵磁同步電動機(jī)應(yīng)用在電動汽車中，不僅具有較大的起動轉(zhuǎn)矩和低速恒轉(zhuǎn)矩特性，使汽車具有良好的加速性能，而且在恒功率運(yùn)行時可以實(shí)現(xiàn)汽車較寬范圍的高速行駛能力[1]。本文所研制的混合勵磁永磁同步電動機(jī)特殊之處在于定子鐵心槽是斜向開槽的，可以有效削弱定、轉(zhuǎn)子所感應(yīng)的齒諧波電勢，減小電機(jī)的附加損耗，減小異步附加轉(zhuǎn)矩的影響，減小電動機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動及振動噪音，使汽車在運(yùn)行過程中始終保持舒適和高效[4]。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

混合勵磁永磁同步電動機(jī)的進(jìn)行能量傳遞和轉(zhuǎn)換的氣隙磁場由轉(zhuǎn)子上的N/S磁鋼以及定子中的環(huán)形勵磁繞組中的直流勵磁電流共同產(chǎn)生。這兩個勵磁源所起的作用不同，轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁磁動勢對氣隙磁場的產(chǎn)生起主導(dǎo)作用，定子勵磁電流所產(chǎn)生的電勵磁磁動勢起輔助調(diào)節(jié)作用。本論文以目前較為成熟和典型的軸向和徑向混合磁路同步電動機(jī)結(jié)構(gòu)作為所設(shè)計電動機(jī)的結(jié)構(gòu)。圖1所示的是本次所研制的定子鐵心槽為斜槽的混合勵磁永磁同步電動機(jī)[1]。

圖1 軸向/徑向磁場混合勵磁同步電機(jī)Fig.1 Axial/radial magnetic hybrid excitation synchronous motor

混合勵磁永磁同步電動機(jī)有兩套繞組，一套繞組為均勻分布在定子鐵心內(nèi)圓表面的對稱的三相電樞繞組，另一套繞組為定子鐵心中間所放置的環(huán)形直流勵磁繞組。由于環(huán)形直流勵磁繞組處于整段定子鐵心中間，所以，定子鐵心被分為兩段，在定子鐵心和機(jī)座之間還有一層定子背軛將定子鐵心連接在一起。轉(zhuǎn)子也分為兩部分:由同極性的磁鋼和鐵心即中間極間隔均勻排列在轉(zhuǎn)子外圓表面構(gòu)成了兩個磁極端，轉(zhuǎn)子軸向氣隙磁場的傳導(dǎo)是通過套在轉(zhuǎn)軸上的導(dǎo)磁性能良好的實(shí)心套筒(與定子背軛的作用和位置相同，這個套筒亦可稱之為轉(zhuǎn)子背軛)來實(shí)現(xiàn)的。對于環(huán)形勵磁繞組中的電流可作如下分析:①當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的軸向磁場和定子環(huán)形勵磁電流產(chǎn)生的軸向磁場互相抵消即當(dāng)定子環(huán)形勵磁電流大于零時，對于進(jìn)行電磁和機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和傳遞的徑向磁場而言，此時勵磁電流起增磁作用;②當(dāng)勵磁電流產(chǎn)生磁場對轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的徑向磁場起削弱作用即當(dāng)勵磁電流小于零時，此時勵磁電流起去磁作用[2];③當(dāng)定子環(huán)形勵磁電流為零時，氣隙中的磁場由轉(zhuǎn)子磁鋼單獨(dú)建立。與普通混合勵磁永磁同步電動機(jī)不同，此次所研究的樣機(jī)定子鐵心槽采用斜槽設(shè)計。定子鐵心采用斜槽設(shè)計后，為了正確求解混合勵磁永磁同步電動機(jī)對應(yīng)于定子鐵心不同斜槽程度下的運(yùn)行性能[1]。

2 定子斜槽寬度不同對效率的影響

表1為采用上述軟件對定子鐵心不同斜槽寬度下運(yùn)行特性計算得到的結(jié)果。

表1 轉(zhuǎn)矩和效率[3]Tab.1 Torque and efficient

由表1可以得出結(jié)論:新型混合勵磁永磁同步電動機(jī)的輸出功率和效率隨著定子鐵心采用斜槽后略有減小，這是由于定子鐵心采用斜槽后在定、轉(zhuǎn)子之間所產(chǎn)生的合成電磁磁場有所減小所造成的。另外，電動機(jī)異步附加轉(zhuǎn)矩隨著定子鐵心采用斜槽而使定、轉(zhuǎn)子齒諧波分量減小而減小。從表1所示的結(jié)果還可以得出結(jié)論，當(dāng)定子鐵心斜槽寬度為整數(shù)倍定子槽距倍數(shù)時，電動機(jī)的異步附加轉(zhuǎn)矩達(dá)到最小，此時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩脈動最小。綜合考慮各種因素，本次設(shè)計研制的新型車用混合勵磁永磁同步電動機(jī)采用的定子鐵心斜槽寬度為一個定子槽距[3]。

3 運(yùn)行特性

以恒定同步速旋轉(zhuǎn)的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)定子電壓方程為[4]

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

定子磁鏈方程為

上述式(1)～(3)中:ud，uq為定子直交軸電壓;id，iq為定子直交軸電流;Ld，Lq為定子直交軸電感;R為定子每相交、直軸電阻(電機(jī)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于隱極機(jī)，所以這兩個電阻相等);ω為定子電流角頻率;p為轉(zhuǎn)子極對數(shù);ψf為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下混合磁鏈(不同于永磁同步電動機(jī)，ψf為轉(zhuǎn)子永磁體基波磁鏈與定子直流勵磁電流產(chǎn)生的磁鏈之和);ψd，ψq為定子直交軸磁鏈。

電動機(jī)效率為

上式中:Pe為電動機(jī)的電磁功率;pt為電動機(jī)的鐵損耗;pj為定子兩種繞組損耗。

4 控制策略和仿真結(jié)果

電動汽車在不同的路況其性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是通過控制系統(tǒng)適當(dāng)?shù)貐f(xié)調(diào)控制混合勵磁同步電動機(jī)的勵磁電流與電樞電流來完成的[5]。前一節(jié)已經(jīng)建立了混合勵磁永磁同步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型，據(jù)此可以構(gòu)建一個雙閉環(huán)的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。接著可以用 Matlab工具箱中的仿真模型在 siminlink下進(jìn)行仿真。勵磁電流的控制為:1)當(dāng)定子勵磁電流為零時，電動機(jī)所能夠達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速為nmax，由結(jié)果可知，當(dāng)電樞電壓與電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)不變時，電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)速正比于與永磁體所產(chǎn)生的磁勢[6];2)當(dāng)定子勵磁電流的大小和方向都發(fā)生改變時，依據(jù)勵磁電流控制器的輸出來調(diào)節(jié)勵磁電流，從而實(shí)現(xiàn)對氣隙合成磁場的控制，最終實(shí)現(xiàn)電動機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩和恒功率高速寬調(diào)速范圍的控制[6]。

圖2 混合勵磁同步電機(jī)系統(tǒng)控制框圖Fig.2 System control block diagram of hybrid excitation synchronous motor

圖2 所示的是混合勵磁同步電動機(jī)應(yīng)用在電動汽車中的運(yùn)行特性曲線。

圖3 車用電動機(jī)特性曲線Fig.3 Characteristic curve of motor vehicle

圖4 特性曲線在坐標(biāo)平面上可以劃分為以下兩個區(qū)域:A區(qū)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和B區(qū)恒功率區(qū)，A區(qū)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)主要應(yīng)用于當(dāng)汽車起步、停車或加速和減速時，需要克服慣性阻尼，實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)在基速以下運(yùn)行[7]。B區(qū)恒功率區(qū)主要應(yīng)用于當(dāng)汽車行駛在路況較好的路面時，此時電動機(jī)轉(zhuǎn)速超過基速。新型混合勵磁永磁同步電動機(jī)運(yùn)行的高速區(qū)(即恒功率B區(qū))轉(zhuǎn)速可以比其他同步電動機(jī)達(dá)到更寬廣的調(diào)速范圍[8]。我們對新型混合勵磁永磁同步電動機(jī)的定子勵磁電流所采取的控制策略為:當(dāng)路況較差而需要減速時，勵磁電流控制器通過增磁方式實(shí)現(xiàn)勵磁電流的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)車用電動機(jī)低速、大轉(zhuǎn)矩調(diào)速;當(dāng)路面較為平坦時，勵磁電流控制器通過弱磁方式實(shí)現(xiàn)勵磁電流的調(diào)節(jié)，從而使車用電動機(jī)的高速運(yùn)行段的速度調(diào)節(jié)區(qū)域更大。

此外，這里需要特別指出的是:在傳統(tǒng)的電氣驅(qū)動系統(tǒng)中，由于大部分傳統(tǒng)電動機(jī)不能直接運(yùn)行于非常寬的速度區(qū)間，因此起動和發(fā)電機(jī)通常是由兩個電機(jī)分別執(zhí)行。隨著電機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，將起動電機(jī)和發(fā)電機(jī)結(jié)合為一體，作為驅(qū)動系統(tǒng)的一部分，也變得越來越可行了。起動發(fā)電機(jī)是根據(jù)不同路況實(shí)現(xiàn)車用電機(jī)“一機(jī)雙用”功能的電機(jī)。在幾種車用電動機(jī)中，混合勵磁同步電動機(jī)由于其獨(dú)有的磁通控制靈活性使其在起動發(fā)電機(jī)的應(yīng)用上獨(dú)樹一幟[5]。圖4，圖5得出的仿真結(jié)果是混合勵磁永磁同步電動機(jī)運(yùn)行在電動機(jī)狀態(tài)時的動態(tài)運(yùn)行特性。電機(jī)內(nèi)部參數(shù)為:定子繞組電阻為R=0.323Ω，永磁體磁鏈為0.324Wb，轉(zhuǎn)動慣量為 J=0.217 8 kg·m2，極數(shù)為4，最大轉(zhuǎn)速nmax為1 500 r/min。

首先我們得出的是混合勵磁永磁同步電機(jī)工作在電動機(jī)狀態(tài)的運(yùn)行特性。圖4為電機(jī)If=0時的動態(tài)運(yùn)行特性，而圖5為增磁方式下即If＞0時的動態(tài)運(yùn)行特性。從圖中可見，當(dāng)有增磁電流時，其起動轉(zhuǎn)矩比無增磁電流即If=0時大很多，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以很順利地達(dá)到給定值1 500 r/min左右。而無增磁電流時，起動轉(zhuǎn)矩很小，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速只能達(dá)到500 r/min左右，當(dāng)不存在增磁電流時，電動機(jī)起動困難，起動轉(zhuǎn)矩很小。從仿真結(jié)果可以看出，增磁電流可以使混合勵磁永磁同步電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩大大增大、起動過程大大縮短[5]。

圖4 無增磁電流(If=0)時的起動特性Fig.4 Starting characteristics without exciting current(If=0)characteristics

接著，本文研究該電動機(jī)運(yùn)行在發(fā)電機(jī)狀態(tài)(下坡、減速、制動時)的特性。圖6和圖7為混合勵磁永磁同步電機(jī)在不同負(fù)載情況下整流輸出電壓隨著電流的變化而變化的仿真結(jié)果。通過比較我們發(fā)現(xiàn)，混合勵磁永磁同步電動機(jī)在發(fā)電狀態(tài)下足以保證寬范圍的恒壓輸出，從而對蓄電池進(jìn)行充電。

從以上仿真結(jié)果可以得出結(jié)論:新型混合勵磁永磁同步電動機(jī)可縮短動態(tài)響應(yīng)時間，增大電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩，并使電動機(jī)調(diào)速范圍在高速時得到很大程度的提高。而且在有些路況下(下坡、減速、制動時)混合勵磁永磁同步電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能給蓄電池充電。

圖5 有增磁電流(If＞0)時的起動特性Fig.5 Starting characteristics with exciting current(If＞0)

圖6 無勵磁控制下的整流電壓輸出特性Fig.6 Output characteristics of rectified voltage without excitation control current

5 結(jié)語

研究了一種定子斜槽的新型車用混合勵磁永磁同步電動機(jī)，由分析和仿真結(jié)果可以得出如下結(jié)論:與傳統(tǒng)定子直槽永磁混合勵磁永磁電動機(jī)相比，它不僅繼承了其起動轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)響應(yīng)好，調(diào)速范圍廣的優(yōu)勢等諸多優(yōu)點(diǎn)，而且由于定子斜槽使轉(zhuǎn)矩脈動大為降低，所以電動汽車運(yùn)行更加平穩(wěn)舒適。同時在有些路況下(下坡、減速、制動時)車用混合勵磁電機(jī)可工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)將相關(guān)的機(jī)械能回饋并對蓄電池進(jìn)行充電。在混合動力電動汽車應(yīng)用中，它能在短時間內(nèi)帶動內(nèi)燃機(jī)至怠速狀態(tài)，然后再切換至不同的運(yùn)行狀態(tài)。

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