探討車用內(nèi)置式永磁電機(jī)損耗最小簡易控制

吳 昊，蘇錦智

（1.海軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局，陜西 西安 710000；2.包頭長安永磁電機(jī)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

0 引 言

汽車是當(dāng)前人們交通出行的重要代步工具。汽車工業(yè)發(fā)展過程中，機(jī)械系統(tǒng)通過電力輸出動力更加節(jié)能和環(huán)保。而電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用過程中，合理應(yīng)用內(nèi)置式永磁電機(jī)可以更好地促進(jìn)汽車電力系統(tǒng)的動力能轉(zhuǎn)換。內(nèi)置式永磁電機(jī)日常工作時(shí)會有一定的損耗，影響電機(jī)工作，造成較大的能源浪費(fèi)。在實(shí)際應(yīng)用內(nèi)置式永磁電機(jī)時(shí)，需分析永磁電機(jī)的損耗最小控制策略，這對電機(jī)裝置的整體優(yōu)化具有重要意義。

1 汽車內(nèi)置式永磁電機(jī)簡要闡述

汽車內(nèi)置式永磁電機(jī)（Interior Permanent Magnet Synchronours Motor，IPMSM）是車輛中的重要裝置，主要完成汽車電能驅(qū)動和轉(zhuǎn)換，為汽車運(yùn)行提供電力能源。此外，它對合理控制汽車運(yùn)行也有非常重要的作用。汽車內(nèi)置式永磁電機(jī)主要包括永磁材料、機(jī)座、定子鐵芯、風(fēng)罩、轉(zhuǎn)子鐵芯以及端蓋等。這些結(jié)構(gòu)裝置確保電機(jī)應(yīng)用更加有效，最大程度地提升了內(nèi)置式永磁電機(jī)的使用效果。內(nèi)置式永磁電機(jī)主要利用狀態(tài)反饋線性化結(jié)構(gòu)原理，利用解耦器、解耦矩陣、Park Clarke變換裝置、速度和位置檢測單元、SVPW單元以及整理單元等器件來完成驅(qū)動。系統(tǒng)電流通過后，利用調(diào)節(jié)器完成電力調(diào)節(jié)和控制，解耦器、Park逆變裝置以及SVPW單元進(jìn)行反饋線解耦，確保內(nèi)置式永磁電機(jī)完成電力驅(qū)動，為汽車提供充足的電力動力。

2 汽車內(nèi)置式永磁電機(jī)損耗分析

內(nèi)置式永磁電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過程中存在一定的損耗，導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行效率下降，從而影響系統(tǒng)的實(shí)際工作效率。當(dāng)前內(nèi)置式永磁電機(jī)損耗主要包括鐵芯損耗和電機(jī)銅損。

電機(jī)銅損是永磁電機(jī)的重要損耗，主要包括基礎(chǔ)銅損耗和附加銅損耗。基礎(chǔ)銅損耗為電流流過定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組在導(dǎo)線電阻上產(chǎn)生的損耗。附加銅損耗為交流電在定子繞組上因趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)引起的額外損耗以及定子繞組各股線之間的循環(huán)電流引起的雜散銅損耗。二者相加對整個(gè)電機(jī)的運(yùn)行造成了嚴(yán)重的損耗影響。電機(jī)損耗控制過程中要完成銅損耗的精準(zhǔn)計(jì)算，主要計(jì)算公式為：

式中，Iu代表定子電流；Rcu代表75 ℃下定子電阻值；Qcu代表銅損耗。實(shí)際損耗設(shè)計(jì)中需確保損耗最小值控制設(shè)計(jì)的合理性，這樣才能提升損耗控制效果。

鐵芯損耗是永磁電機(jī)運(yùn)行過程中的常見損耗，占汽車發(fā)電機(jī)總體損耗的大部分。發(fā)電機(jī)鐵芯損耗主要是主磁通在定子鐵芯內(nèi)產(chǎn)生的磁滯損耗、渦流損耗以及附加損耗等。在電機(jī)損耗控制過程中，鐵芯損耗是主要內(nèi)容，其計(jì)算公式為：

式中，PFe代表內(nèi)置式永磁電機(jī)鐵損；Rc代表等效鐵損電阻；icd2和icp2為鐵損耗電流。通過計(jì)算鐵損耗，確保鐵芯損耗控制設(shè)計(jì)更加合理。

內(nèi)置式永磁電機(jī)的總損耗為銅損耗和鐵損耗之和，實(shí)際的鐵損耗設(shè)計(jì)過程中，共同控制銅損和鐵損，有效開展損耗控制工作，以提升損耗控制效果[1]。

3 汽車內(nèi)置式永磁電機(jī)損耗最小簡易控制方案

內(nèi)置式永磁電機(jī)損耗最小控制就是在實(shí)際的電機(jī)設(shè)計(jì)過程中合理掌控電機(jī)，最大程度地提升電機(jī)的工作效果，確保電機(jī)高效運(yùn)行。本文在內(nèi)置式永磁電機(jī)損耗最小簡易控制過程中，針對性提出了3種損耗控制方案，分別是id=0、MTPA控制以及LMC控制。

id=0指將等效在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸的電流值控制為0，從而實(shí)現(xiàn)對鐵損耗電流的有效控制，達(dá)到內(nèi)置式永磁電機(jī)損耗最小簡易控制的目的。

MTPA控制是指對內(nèi)置式永磁電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩比電流的控制。其控制轉(zhuǎn)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000～2 500 r/min，通過控制實(shí)際的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來控制整體電流的速度，同時(shí)合理掌控永磁電機(jī)[2]。

LMC控制利用損耗最小計(jì)算結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)反向電子轉(zhuǎn)子，確保永磁電機(jī)損耗設(shè)計(jì)的應(yīng)用更加有效。3種技術(shù)方案的設(shè)計(jì)應(yīng)用，確保汽車內(nèi)置永磁電機(jī)損耗最小控制。而在本次研究過程中，為了驗(yàn)證3種方案的損耗控制效果，利用MATLAB/Simulink建模環(huán)境完成系統(tǒng)損耗測試，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)損耗的策略控制，確保系統(tǒng)損耗控制更加有效，也能夠在最大程度上提升內(nèi)置式電機(jī)的控制效果，確保電機(jī)控制展開更加有效，最大程度上提升電機(jī)控制效果。

4 汽車內(nèi)置式永磁電機(jī)損耗最小簡易控制策略對比分析

4.1 汽車內(nèi)置式永磁電機(jī)損耗最小控制方案對比

為了驗(yàn)證3種汽車內(nèi)置式永磁電機(jī)損耗控制的效果，利用MATLAB/Simulink模型進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析。內(nèi)置式永磁電機(jī)損耗的原始參數(shù)如表1所示[3]。

表1 MATLAB/Simulink模型中內(nèi)置式永磁電機(jī)損耗參數(shù)

具體的MATLAB/Simulink仿真實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)定3種不同的電機(jī)工作參數(shù)，計(jì)算各方案的損耗控制。

在實(shí)際的模擬中設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為76 N·m。通過仿真實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，3種方案的損耗控制分別為93.63%、93.62%以及93.73%。控制效率最好的為LMC控制策略，其電機(jī)損耗值最小。

在實(shí)際的模擬中設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、設(shè)計(jì)額定轉(zhuǎn)矩為76 N·m。通過仿真實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，3種方案的損耗控制分別為85.6%、85.8%以及85.84%。控制效率最好的為LMC控制策略，其電機(jī)損耗值最小。同時(shí)通過本次實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，在額定轉(zhuǎn)矩沒變而電機(jī)轉(zhuǎn)速下降1 500 r/min的情況下，3種方案的電機(jī)損耗控制效率都受到了較大的影響。

在實(shí)際的模擬中設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、設(shè)計(jì)額定轉(zhuǎn)矩為40 N·m。通過仿真實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，3種方案的損耗控制分別為91.8%、91.9%以及92.1%?？刂菩首詈玫臑長MC控制策略，其電機(jī)損耗值最小。本次模擬實(shí)驗(yàn)中電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，減少實(shí)際的額定轉(zhuǎn)矩，3種方案的控制效率都有不同程度的減小，但是LMC控制效率的降低幅度相對較小，說明其受到的影響比較小[4]。

4.2 具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析研究

實(shí)驗(yàn)展開過程中，通過改變額定轉(zhuǎn)矩或電機(jī)轉(zhuǎn)速對比3種電機(jī)損耗控制策略的效果，得出以下結(jié)論。一是在不同的轉(zhuǎn)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速條件下，LMC策略效率最高，能夠完成內(nèi)置式永磁電機(jī)損耗最小控制。二是額定轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化對3種方案的損耗控制效率都有一定的影響，轉(zhuǎn)速減小或額定轉(zhuǎn)矩減小都會造成3種方案的控制效率降低。三是實(shí)驗(yàn)中電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，3種方案的損失控制效率下降幅度較大，而額定轉(zhuǎn)矩減小時(shí)，3種方案的損耗控制效率下降幅度相對較小，這說明電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化對內(nèi)置式永磁電機(jī)損耗最小控制策略具有重要影響[5]。

5 結(jié) 論

本文以具體方案設(shè)計(jì)和方案分析完成了車用內(nèi)置式電機(jī)損耗最小簡易控制策略探討，希望能夠?qū)囉脙?nèi)置式永磁電機(jī)損耗控制有所幫助。