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電動汽車用永磁同步電動機場路結(jié)合設(shè)計計算

2022-01-23 00:34:53·  來源：驅(qū)動視界  
　
摘要 本文針對電動汽車驅(qū)動的特點 ,對永磁同步電動機的設(shè)計計算進行了研究 ,提出永磁同步電動機的場路結(jié)合設(shè)計計算方法。設(shè)計計算結(jié)果同試驗結(jié)果的對比表明 ,本
摘要 本文針對電動汽車驅(qū)動的特點 ,對永磁同步電動機的設(shè)計計算進行了研究 ,提出永磁同步電動機的場路結(jié)合設(shè)計計算方法。
設(shè)計計算結(jié)果同試驗結(jié)果的對比表明 ,本文提出的場路結(jié)合計算方法具有較高的計算精度。
關(guān)鍵詞 電動汽車 　永磁同步電動機 　場路結(jié)合
Abstract : The design of permanent magnet synchronous motor (PMSM) used in electric vehicle (EV) is described in this paper.
The effectiveness of the presented field2 circuit coupled method of PMSM is verified through prototype machine test.
Key words: Electric vehicle Permanent magnet synchronous motor Field2circuit coupled method
1. 引言
隨全球石油危機及環(huán)境污染的加劇 ,電動汽車的研究開發(fā)得到各國政府、汽車制造廠家及科研院所的普遍重視和廣泛關(guān)注 ,新品電動汽車層出不窮 ,并迅速推向市場。
電動汽車的關(guān)鍵問題是一次充電續(xù)行里程和價格 ,在目前車載蓄電池技術(shù)未能突破的前提下 ,緩解這一關(guān)鍵問題的主要因素是電動汽車的電驅(qū)動系統(tǒng)。
電動汽車的電驅(qū)動系統(tǒng)以驅(qū)動電機的不同而分類 ,包括直流有刷電動機系統(tǒng)、異步電動機系統(tǒng)、開關(guān)磁阻電動機系統(tǒng)、無刷直流電動機系統(tǒng)和永磁同步電動機系統(tǒng)。
其中永磁同步電動機系統(tǒng)具有最優(yōu)綜合指標(biāo) ,是電動汽車驅(qū)動的理想選擇 ,因此得到了廣泛應(yīng)用 ,特別是在日本 ,在新開發(fā)的電動汽車主要采用永磁同步電動機驅(qū)動 ,其次是無刷直流電動機。
在國內(nèi) ,電動樣車的驅(qū)動采用除永磁同步電動機外的各種電動機 ,對電動汽車用永磁同步電動機的驅(qū)動正處于樣機研究開發(fā)階段。
電動汽車具有各種不同的運行狀態(tài) ,如起動加速、制動減速、平路或爬坡及下坡的穩(wěn)態(tài)行駛 ,電動汽車的負(fù)載大小經(jīng)常是不同的。
因此作為驅(qū)動電機的永磁同步電動機設(shè)計必須考慮到這諸多不同運行狀態(tài)。
本文考慮到永磁同步電動機在電動汽車驅(qū)動中所存在的強烈的磁路飽和和交直軸磁路耦合及電動汽車的各種不同運行狀態(tài) ,給出永磁同步電動機的場路結(jié)合計算方法。
2. 電動汽車用 PMSM 的磁路局部飽和及交直軸磁路耦合
電動汽車用永磁同步電動機的大轉(zhuǎn)矩密度特點 ,使電機不但需采用高矯頑力磁體 ,而且需饋入大電流 ,導(dǎo)致電機中磁力線分布極度不均勻 ,特別在電機定子部分齒和轉(zhuǎn)子隔磁橋部分出現(xiàn)局部飽和現(xiàn)象。
如圖 1 所示 , 該圖為某電動汽車用PMSM 分別在交、直軸電流作用下的磁力線分布圖。

圖 1 電動汽車用 PMSM不同性質(zhì)負(fù)載電流下的磁力線分布圖
圖 2 為某電動汽車用 PMSM 交直軸電感隨交直軸電流的變化曲線。
可以看出 ,由于交軸磁路的飽和因素 ,交軸電流對交軸電感的影響較大 ,而直軸磁路的耦合因素對交軸電感的影響較小。
磁路飽和及交軸磁路耦合對直軸電感的影響僅在直軸電流較小而交軸電流較大時才發(fā)生。

圖 2 混合型磁路結(jié)構(gòu)(U 型) PMSM交直軸電感隨交直軸電流的變化
1 : Iq = 40A 2 : Iq = 80A 3 : Iq = 120A
4 : Iq = 160A 5 : Iq = 200A
3. PMSM 的場路結(jié)合設(shè)計計算方法
由上述分析可知 ,電動汽車用永磁同步電動機存在明顯的磁路局部飽和及交直軸共磁路問題。
這一局部飽和及交直軸共磁路問題是路設(shè)計計算 CAD 所難以考慮的 ,因此電動汽車用永磁同步電動機必須用場路結(jié)合的方法進行精確設(shè)計計算。
電動汽車用永磁同步電動機的設(shè)計不但要考慮電動汽車的額定運行工況 ,還必須考慮其它運行工況如電動汽車不同車速下的平路行駛、起動加速、低速爬坡等。
因此電動汽車用永磁同步電機的場路結(jié)合設(shè)計重點在于采用場路結(jié)合方法計算不同電機電流下的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線 ,以兼顧電動汽車的各個運行狀態(tài) ,保證其整體性能。
其中用場方法計算不同交直軸電流下的交直軸電感 ,其它計算用路方法進行。
永磁同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩及感應(yīng)電動勢重新寫于下式

式中所有量都為 abc 坐標(biāo)系下的值 , m 為電機相數(shù)。

圖 3 場路結(jié)合設(shè)計計算
給定電流 I ,由電磁場的有限元方法 (FEM)計算γ在 90°～180°范圍內(nèi)的交直軸電感 Lq ( I , γ) 、Ld ( I ,γ) 及 Ψ( I ,γ) 。
通過式(1) 計算電磁轉(zhuǎn)矩 Tem ( I ,γ) ,在諸多 Tem ( I ,γ) 中 ,找出最大值 T ( I) = Tem ( I ,γb ) ,該值即為電流 I 下恒轉(zhuǎn)矩運行時的優(yōu)化電磁轉(zhuǎn)矩。
由式 (2) 可得電流 I 下的轉(zhuǎn)折電角速度為 :

式中 U ———abc 坐標(biāo)系下相電壓最大值在γ∈[γb ,180°]范圍內(nèi) ,電機運行于弱磁狀態(tài)。
給出角度γ,可計算電磁轉(zhuǎn)矩 Tem ( I ,γ) 和電角速度 ω( I ,γ) = ( U - IR)ΠΨ( I ,γ) 。
利用路計算 CAD 可得到任意電角速度下的損耗轉(zhuǎn)矩 ,由此得到電流I 下電動機轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線。
改變電流 I ,可得電機不同電流下的機械特性曲線。
這一設(shè)計計算過程如圖 3 所示。
4. 樣機電機的設(shè)計
電動汽車的原型車為一臺輕微型客車 ,根據(jù)電動汽車的性能要求 , 驅(qū)動電的額定轉(zhuǎn)速為3000r/min ,最高轉(zhuǎn)速為 5500r/min ,驅(qū)動電機在0～3000r/min 時需輸出 40N·m 轉(zhuǎn)矩才能同時滿足電動汽車的起動加速及低速爬坡要求 ,在 5500r/min轉(zhuǎn)速時輸出 16N·m 轉(zhuǎn)矩能夠滿足電動汽車的最高車速要求。
選擇蓄電池的標(biāo)稱電壓為 240V。
利用異步電動機 Y112M-6 定子鐵心沖片、機殼及端蓋 ,并設(shè)計為 7. 5kW 永磁同步電動機 (3000r/min) ,定子斜槽一個齒距。
經(jīng)過場路結(jié)合設(shè)計計算得圖 4 所示的不同電機電流下的計算轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線 ,其額定負(fù)載運行時的計算效率達(dá) 93. 7 %。

圖 4 　樣機在不同電機電流下的計算轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線
1 : I = 80A 2 : I = 60A 3 : I = 40A
5. 樣機試驗
圖 5 為電機電流達(dá) 80A 時試驗轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線 ,可以看出與計算曲線符合較好。
圖 6 為不同轉(zhuǎn)速下電機的效率曲線 ,可以看出 ,電機具有較高的效率。

圖 5 　試驗轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線

圖 6 不同轉(zhuǎn)速下效率曲線
6. 結(jié)論
電動汽車具有各種不同的運行狀態(tài) ,如起動加速、制動減速、平路或爬坡及下坡的穩(wěn)態(tài)行駛 ,電動汽車的負(fù)載大小經(jīng)常是不同的。
因此作為驅(qū)動電機的永磁同步電動機設(shè)計必須考慮到這諸多不同運行狀態(tài)。
本文考慮到永磁同步電動機在電動汽車驅(qū)動中所存在的強烈的磁路飽和、交直軸磁路耦合以及電動汽車的各種不同運行狀態(tài) ,給出永磁同步電動機的場路結(jié)合計算方法。
試驗結(jié)果表明 ,本文所給出的場路結(jié)合計算方法能夠滿足工程實際需要。
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