基于混合動力車用需求的永磁同步電機設計分析

雍玉芳，孫宏毅

上海力信電氣技術(shù)有限公司

基于混合動力車用需求的永磁同步電機設計分析

雍玉芳，孫宏毅

上海力信電氣技術(shù)有限公司

對于插電式混合動力電動車來說，其對于永磁同步電機的需要主要在于低脈動轉(zhuǎn)矩、高效以及高功率密度。縱觀我國插電式混合動力電動車來說，其在電機方面不但存在較大的缺口，同時相應的產(chǎn)品技術(shù)含量較低，在一定程度上制約著插電式混合動力電動車的發(fā)展。鑒于此，本研究主要基于插電式混合動力車用需求，深入探討了永磁同步電機的設計分析，旨在為相關(guān)研究提供一定的理論參考。

混合動力車；永磁同步電機；設計

電機及相關(guān)驅(qū)動系統(tǒng)在插電式混合動力電動車來說，在其行使進程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，對應性能涉及到插電式混合動力電動車最終行使的安全性與質(zhì)量。因為插電式混合動力電動車本身的行駛工況相對較為復雜，導致驅(qū)動插電式混合動力電動車的電動機轉(zhuǎn)矩往往會產(chǎn)生巨大的變化[1]。然而，電動機本身的抗負債能力相對較低，然而在外部發(fā)生較大的對象特征或者擾動的情況下，速度均會產(chǎn)生一定程度的落差。所以，針對上述情況，必須要深入研究基于混合動力車用需求的永磁同步電機，對我國插電式混合動力電動車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的促進作用。

一、永磁同步電機設計整體要求分析

基于插電式混合動力電動車運行實際需求情況來看，插電式混合動力電動車對應的電機機械結(jié)構(gòu)設計必須要基于變速箱接口與離合器接口的要求來開展。與此同時，綜合考慮插電式混合動力電動車電機實際運行狀況，本研究主要是通過定子機殼水冷途徑，有效解決了散熱問題[2]。

由于插電式混合動力電動車在自身結(jié)構(gòu)方面的需求較為特殊，其通常必須在軸心位置預留超出離合器的相關(guān)控制。因為上述原因，對于電機轉(zhuǎn)速位置與反饋設施的設計就變得至關(guān)重要，這就需要旋轉(zhuǎn)變壓器的獨立設置。

二、設計方案分析

綜合參考電氣參數(shù)要求、電機結(jié)構(gòu)方面所提出的條件制約，同時充分參考最近幾年以來永磁同步電機的發(fā)展態(tài)勢，本研究采用分數(shù)槽繞組的結(jié)構(gòu)方式。具體來說，主要包含豐田生產(chǎn)的CIVIC電機系統(tǒng)、PRIUS電機系統(tǒng)等，其均選擇分數(shù)槽的模式進行設置。

實施仿真分析處理之后得出，16極18槽（即8極9槽）是最為理想的方式。主要因素在于該結(jié)構(gòu)本身不存在齒槽轉(zhuǎn)矩，從而有效防止在上述過短的鐵心當中疊長上斜槽或斜極的問題，斜極或者斜槽的主要目標在于有效抵消齒槽轉(zhuǎn)矩[3]。除此之外，本研究所選擇的結(jié)構(gòu)屬于現(xiàn)階段能量體積密度最高的類型，即便是最短的端部也是有效提升效率的重要保障，并且在軸向尺寸方面的限制，也直接證明了該方案是最為理想的。

為保障插電式混合動力電動車電機散熱需求，基于總裝電機狀況下，對于電機釘子特性外圓機繞組端部都需要填充導熱硅脂，同時分別在繞組端部增加Pt100熱電阻針對繞組溫度實施實時檢測，保障溫度的合理控制。

旋轉(zhuǎn)變壓器是整個電機系統(tǒng)當中至關(guān)重要的一部分，因為其本身結(jié)構(gòu)所存在的特殊性，不能在軸伸端進行設置，一般的安裝位置需要選擇在內(nèi)圓部分進行。因為電機強磁場的干擾，其會影響旋變低壓信號，通常采用內(nèi)置式外轉(zhuǎn)子磁阻旋轉(zhuǎn)變壓器，然后安裝屏蔽罩。本研究在進行試驗以后，最終獲得結(jié)果較為理想，能夠滿足系統(tǒng)抗干擾的相關(guān)要求。

三、機械接口設計概述

選擇定子機殼水冷方案，能夠有效解決電機在散熱方面存在的問題。通過深入的研究之后，本研究最終選擇機殼增加散熱銅管模式，并且選擇導熱硅膠進行機殼、銅管的空隙實施有效的填充，從而有效提升散熱的成效。與此同時，為進一步降低機殼的重量，從而有效保障散熱的效果與機械強度，本研究采用汽車輪轂鋁作為機殼的材料，同時選擇T6工藝實施處理。在進行實驗的進程中，出現(xiàn)連接離合器摩擦片位置的飛輪產(chǎn)生發(fā)熱過高的現(xiàn)象，通過分析以后得出是空間的局限，端部漏磁場在飛輪生成的渦輪作用所引發(fā)。最終，本研究采用不導磁的不銹鋼材料來完全取代鑄鋼，使得飛輪的發(fā)熱現(xiàn)象得以有效控制。

四、工作外特性分析

本研究針對混合動力車永磁同步電機實施外特性實驗測試，最終結(jié)果見圖1。通過圖1能夠看出，處在額定電壓320V情況下，混合動力車用永磁同步電機對應的峰值功率為25Kw、峰值扭矩130Nm，能夠有效滿足混合動力車使用需求。

圖1 額定電壓320V下的工作外特性

綜上所述，本研究所設計的混合動力車用永磁同步電機，通過采用分數(shù)槽繞組，有效解決了其所存在的傳感器、冷卻、電磁渦流等方面的問題，通過選擇定子機殼水冷途徑，全面解決了散熱方面暴露出來的問題。與此同時，針對飛輪材料的選擇，采用不導磁的不銹鋼材料來完全取代鑄鋼。本研究針對設計的永磁同步電機實施臺架外特性測試，最終測試結(jié)果充分證明本研究設計可以有效滿足插電式混合動力電動車的相關(guān)需求。

[1]王斌，王躍，郭偉，王兆安.基于定子磁鏈降階狀態(tài)觀測的永磁同步電機無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學報，2014，(03)：160-171+195.

[2]王慶龍，張興，張崇巍.永磁同步電機矢量控制雙滑模模型參考自適應系統(tǒng)轉(zhuǎn)速辨識[J].中國電機工程學報，2014，(06)：897-902.

[3]張洪帥，王平，韓邦成.基于模糊PI模型參考自適應的高速永磁同步電機轉(zhuǎn)子位置檢測[J].中國電機工程學報，2014，(12)：1889-1896.