電動汽車高效率開關磁阻電機系統設計

郭曉穎， 蘇建中， 馬志國， 閆志平， 高 超

(北京中紡銳力機電有限公司，北京 101102)

0 引言

電動汽車排放和環境污染度低，已經成為世界汽車工業的新趨勢。電動汽車使用有限能源，其核心部件之一的電機驅動系統應具備高效率特性。

開關磁阻電機系統(Switched Reluctance Motor Drive System，SRD)是一種新型機電一體化調速電機系統，由開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor，SRM)和控制器組成。SRM本身具備起動轉矩大、起動電流小、恒功率范圍寬、不用稀土材料、結構簡單、可靠性高等優勢，適用于電動汽車領域。但普通工業SRM效率較低，在電動汽車領域應用受到限制。

本文通過對SRM優選材料、優化電磁參數及結構方案，優化功率電路設計控制器，綜合應用控制策略和優化控制參數，實現高效率SRM。本SRD額定點效率＞93%、高效區＞50%，可廣泛應用于各種電動汽車。

1 SRD

SRD由SRM和控制器組成，如圖1所示，是一種新型機電一體化產品。SRM為雙凸極結構，根據“磁阻最小原理”運行。SRM結構簡單可靠，定子和轉子均由硅鋼片疊壓而成，定子上集中有繞組，轉子上沒有繞組和永磁體。SRM轉子轉動慣量小，約為永磁電機的1/2，空載和較輕負載時耗電小;無高速永磁渦輪損耗問題;控制方式靈活且可優化參數多。

圖1 SRD結構框圖

2 電機設計

由于采用雙凸極結構和磁路存在非線性，并且高速采用單脈沖控制策略，SRM的設計難度大，設計方法復雜。影響SRM基本性能的參數主要有轉子外徑Da、定子外徑Ds、鐵心長度la、氣隙g等。首先根據要求的電機外特性曲線和機械尺寸設計主要參數，再設計極弧、極寬、軛高等參數。

SRM損耗主要包括繞組銅損、鐵損、機械損耗和雜散損耗，盡量降低這些損耗，從而提高SRM效率。繞組銅損與繞組電流有效值I和阻值Rp有關。在滿足電機軛部最大磁通不飽和情況下增加定子槽深ds，提高槽滿率Ks，可增加繞組空間和導線截面積，從而降低Rp和繞組銅損。鐵損與硅鋼片規格和鐵心動態磁場有關。在選用高牌號硅鋼片基礎上，通過經驗分析和有限元分析，調整參數，可降低鐵損。機械損耗與軸承及空氣摩擦有關，需選用高質量無摩擦軸承。雜散損耗原因復雜，在設計過程按照經驗值估計計算。

本系統SRM要求額定功率為PN=30 kW，額定轉速為n=3 500 r/min，額定電壓U=336 V，額定點最高效率為97%，主要損耗計算如下。

繞組銅損:

式中:q——經驗系數。

鐵損:

式中:G——經驗系數，G=0.18e2K/p;

ρ——硅鋼片電導率;

e——硅鋼片厚度;

K——補償系數。

機械損耗:

雜散損耗估計為

總損耗為∑P=(PCu+PFe+Pfw+Pg)=842.9 W，設計此SRM效率:

3 控制器設計

SRM控制器主要包括功率電路、控制電路、驅動電路、控制電源和接口電路。功率電路是直流電源和SRM的接口，控制繞組和電源的快速且低損耗開通和關斷，提供儲能回饋路徑?？刂破鲹p耗主要在于功率電路部分損耗，合理設計功率電路是SRM調速系統設計的關鍵之一。

本系統采用雙開關型功率電路，如圖2(a)所示，每相包括兩個IGBT和兩個續流二極管。當一相上兩個IGBT打開時，由電源Us向電機繞組供電;當兩個IGBT關斷時，相電流通過兩個續流二極管反壓續流，將電機繞組磁場儲能迅速回饋到Us，實現快速換相，如圖2(b)實線所示。當關閉一相上一個 IGBT，電機繞組電流在另一組IGBT和續流二極管間零壓續流，如圖2(b)虛線所示。

圖2 雙開關型功率電路

功率電路開關和續流過程中的損耗主要包括IGBT和續流二極管的損耗。IGBT損耗包括導通損耗和開關損耗。IGBT導通飽和電壓UCEsat導致導通損耗;開關損耗包括開通能耗Eon和關斷能耗Eoff。續流二極管損耗同樣包括導通損耗和開關損耗。續流二極管正向導通電壓Uf導致導通損耗;反向恢復能耗Erec導致開關損耗。根據電機系統本身電壓、功率要求初步選型功率模塊，再深入比較初選模塊的損耗、開關性能、封裝形式等，選擇最優功率模塊。本文系統選用新一代功率模塊，較早期模塊損耗降低20%以上，設計控制器效率達97%以上。

4 控制策略

SRM可控參數主要包括開通角、關斷角、主電路電壓和相電流上限。SRM主要控制策略包括電流斬波、電壓斬波和單脈沖三種。根據轉速選擇不同控制策略，優化控制參數。

4.1 電流斬波

電流斬波是當轉子位置處于電流導通區間時，比較相電流i與電流斬波限值iT，若i＜iT，則IGBT開通，電流上升達斬波限值;若i≥iT，則IGBT關斷，電流下降;相電流維持于斬波限值附近波動，如圖3所示，上方曲線為控制波形，下方曲線為相電流波形。電流斬波方式直接控制相電流，控制結果精確，轉矩平穩，用于低速段運行。

圖3 電流斬波時控制和相電流波形

4.2 電壓斬波

電壓斬波是當轉子位置處于電流導通區間時，使IGBT工作于PWM狀態。PWM頻率固定，通過調制占空比控制相繞組上電壓有效值。如圖4所示，上方曲線為控制波形，下方曲線為相電流波形。電壓斬波時，可通過選擇適當PWM頻率控制相電流變化率，調節占空比控制相電流幅值，用于中速段運行。

圖4 電壓斬波方式時控制和相電流波形

4.3 單脈沖

單脈沖通過調整開通角和關斷角來控制相電流，是一種有效的控制方式。在轉速和母線電壓確定時，固定開通角，增加關斷角，增加相電流;固定關斷角，減小開通角，增加相電流。如圖5所示，上方曲線為控制波形，下方曲線為相電流波形。在不同轉速時，一般將開通角固定，通過調整關斷角找到最優相電流波形，達到最優效率。圖6給出不同轉速點時最優效率的關斷角趨勢。單脈沖時，轉矩調節范圍大，電機效率較高，用于高速運行。

圖5 單脈沖方式時控制和電流波形

圖6 關斷角趨勢圖

5 試驗研究

應用某大功率測控機對該SRD進行測試，該電機系統額定轉速為3 500 r/min，最高轉速達7 000 r/min，輸出最大功率達80 kW，輸出最大扭矩達220 N·m。測試每個轉速點和轉矩點的輸出扭矩、輸入功率和輸出功率，繪制MAP圖，如圖7所示?？梢姳維RD最高效率達93.17%，高效區(效率＞80%區域)達72.12%，達到預定高效率目標。

圖7 SRM MAP圖

6 結語

本文通過優化SRM參數，選用新型IGBT模塊設計控制器，綜合應用三種控制方式，實現高效率SRD。結合SRM本身起動轉矩大、起動電流小、恒功率范圍寬、可靠性高、成本低的特點，本SRD非常適用于各種電動汽車。

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