新能源汽車永磁同步電機及控制系統(tǒng)的設計應用研究

韓新江

摘要：隨著全球環(huán)境壓力的不斷加大，新能源汽車已成為全球汽車產(chǎn)業(yè)升級換代的主要發(fā)展方向，電池技術、電機技術、整車控制技術作為新能源汽車的三大核心技術，在汽車應用方面有了更高的要求，研究開發(fā)新型新能源汽車專用電機和控制器系統(tǒng)，對于我國民族汽車工業(yè)發(fā)展，具有十分重要和深遠的意義。隨著永磁同步電機各應用領域的快速發(fā)展，本文以永磁同步電動機設計和控制系統(tǒng)算法設計為對象展開研究，發(fā)現(xiàn)永磁電機在新能源汽車行業(yè)具有良好的市場應用前景。

關鍵詞：新能源汽車；永磁同步電機設計；參數(shù)控制；仿真分析

1引言

2017年4月工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、科技部聯(lián)合印發(fā)《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》我國汽車產(chǎn)量仍將保持平穩(wěn)增長。預計到2020年，我國新能源汽車生產(chǎn)能力達200萬輛，2016年新能源汽車銷量達到57萬輛，受益于新能源汽車市場規(guī)模的不斷擴大，新能源汽車專用永磁同步電機的產(chǎn)銷量也隨之增長。

永磁同步電機因其動力性強、能耗低、體積小、能量密度高等特點，其適用范圍越來越廣泛，但是由于車輛使用的特殊性、復雜性，汽車對電機運行的穩(wěn)定性精度要求越來越高，因此對永磁同步電機的性能和控制的設計也提出了更高的要求。

2新能源汽車永磁同步電機的設計研究

日本1965年就開始研制電動車，德國第三代奧迪混合電動車驅動電機采用了永磁同步電機。世界各國研發(fā)使用的電機各自有各自的優(yōu)點和缺點，在系統(tǒng)匹配上歷時時間長，與現(xiàn)有的車輛研發(fā)生產(chǎn)工藝條件等情況有不足之處，因此為了能夠全面、系統(tǒng)的進行新能源汽車永磁同步電機設計，需要從電機定子、轉子、弱磁控制、模擬仿真等方面進行研究：

2.1電機結構設計

2.1.1電機定子結構設計

（1）長徑比選擇

在電機設計過程中，隨著電機長徑比的增加，體積增大，轉子體積不變，轉子轉動慣量降低，電機用銅量增加，通過合理選擇電機長徑比，提高電機功率密度。

（2）極對數(shù)選擇

在電機槽極比不變的情況下，隨著電機極對數(shù)的增加，電機定子鐵芯軛部用鐵量減小，電機體積減??；隨著電機極對數(shù)的增加，電機輸入電流頻率增加，電機鐵耗增加，效率降低。在高速電機設計中，合理選擇電機極對數(shù)，能夠適當提高電機功率密度。

（3）電負荷選擇

在電機熱負荷一定的情況下，隨著電負荷的增加，電機轉子體積減小，轉動慣量降低，定子外徑先減小后增加，同時電機用銅量不斷增加。合理選擇電機電負荷，綜合電機鐵芯質量和用銅量，才能實現(xiàn)電機質量最優(yōu)化，提高電機功率密度。

（4）定子槽型選擇

在電機定子槽型結構設計中，定子磁路不存在磁密奇點，為均衡定子軛部各位置磁密，形成均勻旋轉磁場，改善軛部和齒部與軛部交接處磁路，改善繞組漏感，并方便嵌放成型繞組，通過對槽型分析計算、性能評估、樣機工藝試制與試驗評測，最終發(fā)現(xiàn)半開口梯形槽設計符合設計要求。

2.1.2電機轉子設計

（1）電機氣隙長度選擇

從永磁同步電機電磁性能上來說，氣隙長度越小，電機功率因數(shù)變大，電機效率增加，轉矩密度增加，電機弱磁調速范圍變寬，但同時也容易產(chǎn)生振動和噪聲，而氣隙長度太小，又很難保證電機運行時的同軸度，電機運行的可靠性會降低，同時電機裝配難度提高。因此在氣隙長度選擇上，應綜合考慮電機振動、噪聲、氣隙磁密、雜散損耗以及裝配工業(yè)和生產(chǎn)成本。

（2）永磁體布局方式選擇

在永磁電機轉子永磁體布局方式選擇過程中，通過利用電機有限元仿真軟件進行設計與仿真，可以看出V型內(nèi)置式結構永磁體利用率最高，可使永磁體勵磁集中，漏磁減少，同時高速低轉矩設計，電機轉子每極空間大、交直軸電感均大幅度提高，電機弱磁范圍寬，并且在很高轉速時，仍然能夠輸出較大功率。

（3）轉子表面氣隙結構設計

為達到永磁同步電機平穩(wěn)運行轉矩的目標，需要解決氣隙磁密波形中諧波含量多的問題，它對永磁同步電機的轉矩脈動、震動噪聲、效率等影響是非常大，需要進一步對永磁同步電機進行優(yōu)化，提高氣隙磁密和反電勢正弦性。

2.1.3電機溫升與振動

（1）電機溫升

電機電磁設計的實質從溫升限值出發(fā)，確定電機各部分的幾何尺寸，電機溫升也是除磁路飽和外限值電機輸出轉矩的重要限值因素。在電機設計過程中，通過利用ANSYS軟件，對電機溫升進行仿真，分析電機額定轉速空載定子鐵芯、繞組和電機額定負載時電機定子溫度分布得出結論，可以通過合理設計電機各部分材料、結構以及尺寸，優(yōu)化設計電機機殼表面結構并選擇高性能電機冷卻方式，是降低電機溫升的兩個主要途徑，也是降低電機溫升的兩大難點，見上圖。

（2）振動和噪聲

電機噪聲一般由磁通振蕩產(chǎn)生，由于永磁同步電動機磁極質量集中，在磁拉力和集中力的相互作用下，電機座體容易產(chǎn)生振動。在電機設計中，主要通過優(yōu)化磁極系數(shù)和轉子磁極形狀減少了磁通振蕩和振動電磁力。

其次，電機端蓋、定子、轉子產(chǎn)生共振也會引起噪聲，通過NVH特性曲線分析得出結論：雖然不能完全避免共振，但是通過防止齒頻與固有頻率的一致程度，使機殼、端蓋的固有頻率高出130%以上，電機軸的最高轉速高于額定轉速35%以上就可以避免共振產(chǎn)生。

2.2永磁同步電機控制策略的研究

純電動車輛行駛中，電機控制器的控制策略和車輛行駛時的路面、駕駛員本身以及車輛自身具有密切關系，需要進行綜合分析之后才能達到較好的控制效果。

控制器硬件部分主要由主電路、控制電路、采樣及檢測電路組成，主電路的核心部件是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊，控制電路以英飛凌汽車級芯片TC1797為核心，構成全數(shù)字矢量控制系統(tǒng)，同時還具有多種故障檢測及保護功能?？刂破鬈浖绦蛑饕煽刂浦鞒绦蚝蚉WM中斷服務子程序組成：主程序初始化、參數(shù)設定、過壓、過流保護等功能；PWM中斷服務子程序完成電流采樣，轉速計算，矢量變換和PwM輸出等功能。

為了提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，控制器中采用空間矢量脈寬調制（SVPWM）算法，不僅使電壓利用率得到提高，還可以減少電流輸出諧波和電機的轉矩脈動，并且容易數(shù)字化的實現(xiàn)。在每個PWM周期內(nèi)對部分PWM脈寬進行修正，有效改善由死區(qū)效應引起的輸出波形畸變，減小誤補償隨時間積累所產(chǎn)生的影響，在基速以下的恒力矩區(qū)采用了MTPA控制算法，實踐證明這種算法在0Hz可提供200%的零速轉矩，為了實現(xiàn)精確穩(wěn)定控制，還要設計檢測電路，主要采用的是霍爾（HALL）傳感器和旋轉變壓器對電流及轉速進行檢測，以獲得實時的電機參數(shù)。

采用空間矢量脈寬調制（SVPWM）算法，再加上檢測電路的實時數(shù)據(jù)，可以使得控制器及時的獲取電機運行參數(shù)和整車運行參數(shù)，整個控制器系統(tǒng)采用速度和電流雙閉環(huán)控制，內(nèi)置速度控制閉環(huán)能夠實現(xiàn)轉速無靜差調節(jié)的目的，內(nèi)置電流控制環(huán)使轉矩響應時間<10ms，實現(xiàn)1%高精度閉環(huán)控制，滿足對電流和頻率輸出的更高穩(wěn)定性及更高精度的要求，能夠實現(xiàn)快速響應，保證電機和車輛平穩(wěn)運行。

3結語

永磁同步電機在新能源電動車上的應用范圍在快速增加，電機性能的優(yōu)劣和控制系統(tǒng)的匹配在未來應用過程中，還有很長的研發(fā)道路要走，本文通過在電機設計過程中，利用多種電磁和結構分析方法，對電機定子、轉子、電機軸以及機殼和端蓋結構尺寸進行設計和優(yōu)化，同時利用多種電機分析軟件，對電機的機械強度、振動噪聲以及溫升進行了分析和驗算，并在控制算法上對電機控制進行了分析和試驗評估，在保證了電機運行的安全性、可靠性和整車舒適性的基礎上，實現(xiàn)了電機輕量化、高速化以及高效化，在新能源汽車行業(yè)驅動控制系統(tǒng)方面具有良好的應用價值。