電動(dòng)汽車用PMSM電磁設(shè)計(jì)及其轉(zhuǎn)矩控制

羅森僑，王金玉

(1.四川城市職業(yè)學(xué)院 汽車工程系，成都 610000；2.東北石油大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

0 引 言

汽車使用量的日益增加使大氣污染、溫室效應(yīng)以及不可再生的化石燃料的替代問題成為愈發(fā)受關(guān)注的重點(diǎn)。為解決上述問題，新能源車技術(shù)得到迅速發(fā)展。作為電動(dòng)汽車的重要部件，電動(dòng)汽車用牽引電機(jī)的類型主要包括直流電機(jī)、異步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)[1]。其中PMSM具有體積小、重量輕、損耗小、效率高等優(yōu)點(diǎn)[2]，加之永磁體材料的發(fā)展和電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，成為應(yīng)用最為廣泛的電動(dòng)汽車牽引電機(jī)。

電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子多為內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子永磁體的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，制造工藝越復(fù)雜，對應(yīng)的制造成本也就要高一些。復(fù)雜的轉(zhuǎn)子永磁體結(jié)構(gòu)，如“U”型、“分段”型具有更強(qiáng)的轉(zhuǎn)矩性能，并且在空載反電動(dòng)勢波形、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等方面均表現(xiàn)得更加優(yōu)越[3]。但基于性能需求和成本價(jià)格的雙重考慮，本文選擇“V”型內(nèi)置式永磁體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式。

在典型城市路況下對電動(dòng)汽車用電機(jī)的性能具有較高要求，如電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)在汽車頻繁啟停過程中要能夠具有快速的響應(yīng)能力、較寬的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍，同時(shí)在爬坡過程中需要滿足低速大轉(zhuǎn)矩的性能要求，這對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性具有較高要求。降低PMSM齒槽轉(zhuǎn)矩是提高電動(dòng)車用電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性的有效途徑。同時(shí)考慮到電動(dòng)車用電機(jī)的節(jié)能因素，應(yīng)降低其鐵損，這就要求減小氣隙磁密的波形畸變，因此在電機(jī)設(shè)計(jì)過程中還需要重點(diǎn)考慮磁密設(shè)計(jì)的合理性。

為此，本文進(jìn)行了電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)矩特性分析。為降低電動(dòng)汽車用PMSM齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，減小電機(jī)控制系統(tǒng)的控制誤差。本文設(shè)計(jì)了基于轉(zhuǎn)子永磁體磁極偏心結(jié)構(gòu)的電動(dòng)車用PMSM，可有效降低齒槽轉(zhuǎn)矩。

1 電磁設(shè)計(jì)和仿真

1.1 電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)功率確定

電動(dòng)汽車用PMSM功率的選擇對汽車整車動(dòng)力性能非常重要。若電機(jī)額定功率過大，將常處于欠載狀態(tài)，若額定功率較小，則常處于過載狀態(tài)[4]。電機(jī)功率選擇取決于最高車速、加速性能和最大爬坡度[5]。汽車在最高速度行駛時(shí)，永磁同步電機(jī)功率計(jì)算公式如[6]：

(1)

式中,vmax為最高車速，單位km/h；ηt為傳動(dòng)系統(tǒng)效率；m為整車質(zhì)量，單位kg；g為重力加速度，單位m/s2；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；CD為空氣阻力系數(shù)；A為汽車迎風(fēng)面面積，單位m2。

汽車在最大加速度行駛時(shí)，其功率計(jì)算公式如：

(2)

式中,vm為汽車加速的末速度，單位km/h(初速度為0)；β為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)，通常取1.08-1.10；dV/dt為汽車傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比。

汽車在最大爬坡度行駛時(shí)，其功率計(jì)算公式如:

(3)

式中,vi為汽車最大爬坡時(shí)所需要的速度，單位km/h；αmax為汽車汽車最大爬坡角度。

一臺(tái)電動(dòng)汽車的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 電動(dòng)汽車主要的性能參數(shù)

按以上參數(shù)代入計(jì)算電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)的最大驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算式，可得：Pmax1=45 kW、Pmax2=127 kW、Pmax 3=114 kW。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率應(yīng)該為以上3個(gè)功率中最大值，即Pmax=Max(Pmax1,Pmax2,Pmax3)。電動(dòng)機(jī)的額定功率Pn為

Pn=Pmax/λ

(4)

式中,λ為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的過載倍數(shù)，通常取1-3，本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)置過載倍數(shù)為1.5。

根據(jù)電動(dòng)汽車的參數(shù)，從而可確定該車所用驅(qū)動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)任務(wù)如下：

(1)額定電壓：540 V(DC，蓄電池供電)；

(2)額定轉(zhuǎn)速：1250 r/min；

(3)最高轉(zhuǎn)速：3000 r/min；

(4)額定功率：80 kW；峰值功率：135 kW。

1.2 電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)

為保證電動(dòng)汽車用PMSM的永磁體利用率、轉(zhuǎn)矩特性、弱磁性能、生產(chǎn)成本等[7]，PMSM轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)采用如圖1所示的內(nèi)置式轉(zhuǎn)子。

圖1 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

永磁體的槽形如圖2所示，槽形端部突出部分的作用是進(jìn)行頂部隔磁，防止出現(xiàn)明顯的漏磁問題；轉(zhuǎn)子上減重孔可以減輕轉(zhuǎn)子質(zhì)量，同時(shí)擴(kuò)大散熱面積，加快散熱速度。

圖2 永磁體的槽形

轉(zhuǎn)子采用偏心氣隙構(gòu)造，永磁體材料選擇釹鐵硼N35UH。綜合考慮電機(jī)轉(zhuǎn)速和變頻器頻率以及PMSM成本等因素，當(dāng)永磁同步電動(dòng)機(jī)極數(shù)為8極時(shí)，永磁材料利用率較高。永磁同步電動(dòng)機(jī)的主尺寸和電磁負(fù)荷的關(guān)系如:

(5)

式中,Di1為汽車電機(jī)定子內(nèi)徑，單位cm；Lef為汽車電機(jī)定子計(jì)算長度，單位cm；Temax為汽車電機(jī)輸出的最大轉(zhuǎn)矩，單位N·m；Bδ1為汽車電機(jī)氣隙磁密基波幅值，單位T；A為汽車電機(jī)定子線負(fù)荷的有效值，單位A/cm。

在選擇定子內(nèi)徑和長度上，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)以便于獲得較高的效率。永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的基本流程如圖3所示。

圖3 永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)流程

永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)的流程首先是假定結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算出有關(guān)的電磁參數(shù)[8]，再根據(jù)材料性能或工藝水平等判斷假定結(jié)構(gòu)是否可行，不可行時(shí)重新假定，直到得到可行的電磁和結(jié)構(gòu)方案。通過迭代計(jì)算，電動(dòng)車用PMSM主要的參數(shù)如表2所示。

表2 永磁同步電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

定子槽形采用梨形槽，電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 永磁同步電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子永磁體選用N35UH材料，有較高的居里溫度，可保證永磁體在高溫環(huán)境下長期運(yùn)行不退磁[9]。永磁體槽端應(yīng)用了空氣隔磁設(shè)計(jì)，可減少極間漏磁。此外轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為氣隙偏心結(jié)構(gòu)，這樣氣隙磁通密度波形類似于正弦波，可以起到降低齒槽轉(zhuǎn)矩的作用，最終達(dá)到減小振動(dòng)噪音的目的。

1.3 電動(dòng)汽車用PMSM的電磁場仿真

應(yīng)用有限元分析軟件Maxwell Ansoft建立電動(dòng)汽車用PMSM的電磁仿真模型，進(jìn)行磁通密度分布求解。對于8極48槽的永磁同步電動(dòng)機(jī)模型，考慮對稱性，取八分之一，即圓周45°的模型進(jìn)行有限元求解。

空載時(shí)，磁密分布云圖如圖5所示。定子齒磁密不超過1.50T，定子軛磁密的上限值為1.50T，均為進(jìn)入飽和狀態(tài)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，說明此設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性較好。在永磁體槽和轉(zhuǎn)子外部相連的位置，同極永磁體之間的區(qū)域，由于永磁體端部磁場疊加，磁場達(dá)到了飽和狀態(tài)，磁密值約為2.0T，不過這部分所占的比例非常小，對整體性能的影響基本可以忽略。

該永磁同步電動(dòng)機(jī)的空載氣隙磁密的波形以及傅里葉分解如圖6所示。由圖6(a)可知偏心氣隙時(shí)的空載氣隙磁密呈正弦波形態(tài)；圖6(b)展示了不同諧波下的氣隙磁密含量。

圖5 空載時(shí)磁密云圖

圖6 空載氣隙磁密波形以及其傅里葉分解圖

空載反電動(dòng)勢是決定永磁同步電動(dòng)機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩大小的關(guān)鍵因素，合理的空載反電動(dòng)勢能夠起到提升電動(dòng)機(jī)效率，降低溫升的效果。該永磁同步電動(dòng)機(jī)空載反電動(dòng)勢有效值和額定相電壓有效值之比為90%。

2 偏心氣隙結(jié)構(gòu)研究

采用偏心氣隙結(jié)構(gòu)如圖7所示，對電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)的氣隙磁密波形畸變率、齒槽轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩等均有一定的改善作用。

圖7 轉(zhuǎn)子偏心結(jié)構(gòu)

均勻氣隙和偏心氣隙磁密波形如圖8所示。

圖8 均勻氣隙和偏心氣隙磁密波形

均勻氣隙時(shí)氣隙磁密波形為平頂波，偏心氣隙時(shí)波形更加接近正弦波。偏心氣隙時(shí)，氣隙磁密波形畸變率為21.5%，均勻氣隙時(shí)氣隙磁密波形畸變率為14.1%。

偏心氣隙偏心距10 mm時(shí)，齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值最大值是6.8 Nm，均勻氣隙時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩幅值最大值是10.2 Nm，偏心氣隙比均勻氣隙的齒槽轉(zhuǎn)矩減少29.7%。不同位置的齒槽轉(zhuǎn)矩如圖9所示。

圖9 均勻氣隙和偏心氣隙齒槽轉(zhuǎn)矩

在額定轉(zhuǎn)速下，均勻氣隙和偏心氣隙結(jié)構(gòu)電磁轉(zhuǎn)矩波形如圖10所示。偏心氣隙結(jié)構(gòu)時(shí)，永磁同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的上、下限值分別為655 Nm和571 Nm，其平均值為613 Nm，永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為13.70% 。均勻氣隙時(shí)，永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩最大值最小值分別為632 Nm和476 Nm，平均值為554 Nm，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為28.70%。偏心氣隙的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)減少了14 %。

圖10 均勻氣隙和偏心氣隙電磁轉(zhuǎn)矩

均勻氣隙和偏心氣隙下的其他永磁同步電動(dòng)機(jī)性能對比如表3所示。

表3 均勻氣隙和不均勻氣隙下PMSM性能對比

采用不均勻氣隙，具有改善氣隙磁密波形的正弦性，減小空載反電動(dòng)勢的波形畸變率，額定轉(zhuǎn)矩變大，齒槽轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯得到了改善。

3 轉(zhuǎn)矩控制

永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制策略采用最大轉(zhuǎn)矩電流比(Maximum Torque Per Ampere, MTPA)控制策略，最大轉(zhuǎn)矩電流比控制的思想是在電磁轉(zhuǎn)矩相同的情況下，通過調(diào)整d、q軸電流使定子電流值最小。電動(dòng)汽車行駛過程中，車速變化歸結(jié)為電動(dòng)汽車用PMSM轉(zhuǎn)矩的變化?？刂齐妱?dòng)汽車用PMSM的電磁轉(zhuǎn)矩可對電動(dòng)汽車的速度進(jìn)行控制。汽車行駛加、減速時(shí)導(dǎo)致速度變化頻繁，在MTPA控制方法下，可有效節(jié)約電能，同時(shí)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性。

利用Matlab軟件對電動(dòng)汽車用PMSM的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，觀測MTPA控制方法的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。給定轉(zhuǎn)速1250 r/min,同時(shí)施加610 Nm的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)在0.4 s左右達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，在0.55 s時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增加到900 Nm，轉(zhuǎn)速隨后出現(xiàn)了波動(dòng)，然后很快恢復(fù)到額定轉(zhuǎn)速，如圖11所示。這表明MTPA控制方法有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，對負(fù)載的擾動(dòng)具有很好的魯棒性。

圖11 MTPA控制下轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)

4 樣機(jī)與試驗(yàn)

根據(jù)電磁設(shè)計(jì)方案，研制出一臺(tái)電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)樣機(jī)如圖12所示。

在215 r/min、607 r/min、750 r/min、1000 r/min、1250 r/min、1607 r/min、2000 r/min、2410 r/min、2800 r/min、3000 r/min 10個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩及功率。進(jìn)行平滑處理后的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速-功率曲線如圖13和圖14所示。試驗(yàn)的結(jié)果與相應(yīng)的系統(tǒng)仿真的結(jié)果十分接近。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了電磁設(shè)計(jì)和仿真的正確性和可行性。

圖12 電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)樣機(jī)

圖13 轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線

圖14 轉(zhuǎn)速-功率曲線

5 結(jié) 論

以電動(dòng)汽車整車參數(shù)及行駛條件為目標(biāo)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)完成一臺(tái)電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)。在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上，電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)采用偏心氣隙結(jié)構(gòu)，減小氣隙磁密、空載反電動(dòng)勢的波形畸變率和減小齒槽轉(zhuǎn)矩，改善電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)的性能。

在控制方法上，電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)選用MTPA控制，效率高，有利于提高能源利用率，同時(shí)，電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)的魯棒性較好，有利于抵抗外部干擾。

通過仿真分析軟件進(jìn)行輔助分析以及通過試制樣機(jī)和樣機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證了電磁和氣隙偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案方法的準(zhǔn)確性和控制策略選用的可行性，可滿足電動(dòng)汽車用電機(jī)的性能要求。