永磁同步電動(dòng)機(jī)在混合動(dòng)力汽車上的應(yīng)用探析

王媛波 朱軍

【摘 要】在車用電動(dòng)機(jī)中，永磁同步電動(dòng)機(jī)是比較流行的，一般分為兩種類型，分別為永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)和永磁直流有刷電動(dòng)機(jī)，永磁放置位置是兩者主要差別。本文主要從永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和其在豐田Prius轎車中的應(yīng)用兩個(gè)方面，對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)在混合動(dòng)力汽車上的應(yīng)用進(jìn)行探析。對(duì)于永磁直流有刷電動(dòng)機(jī)而言，不轉(zhuǎn)動(dòng)的定子是其永磁的存放位置，并將線圈安置于轉(zhuǎn)子上，電流經(jīng)過(guò)換向片和碳刷傳遞到轉(zhuǎn)子上。

【關(guān)鍵詞】永磁同步電動(dòng)機(jī) 混合動(dòng)力 汽車 豐田Prius轎車

1永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

1.1定子

散熱機(jī)構(gòu)和線圈是定子部分的主要組成，對(duì)于車載產(chǎn)品而言，對(duì)空間都有有一定限制，且對(duì)燃料使用效率具有較高要求，因此，當(dāng)輸出功率相同時(shí)，縮小體積將成為最佳的散熱方式和獲得較高效率的方式。比如，在永磁同步電動(dòng)機(jī)中，發(fā)生在定子部分的損失高達(dá)85%以上，損耗主要為鐵損和銅損，如果磁場(chǎng)安置合理，鐵損將大大減少。

1.2轉(zhuǎn)子

根據(jù)永磁的植入方式，轉(zhuǎn)子可以分為表面貼磁和內(nèi)置磁鐵兩種，如圖1所示。對(duì)于較高的震動(dòng)，內(nèi)置磁鐵具有較好的承受能力，且在高速時(shí)，磁鐵不容易出現(xiàn)飛脫現(xiàn)象，因此，在車輛使用中，適用性比較高，如果對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的定功率操作區(qū)間進(jìn)行擴(kuò)展，必須對(duì)d軸電感和q軸電感的比值進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，還必須考慮對(duì)q軸電感飽和問(wèn)題的解決。在永磁電動(dòng)機(jī)的使用過(guò)程中，為了確保產(chǎn)品的穩(wěn)定性，應(yīng)該考慮磁性受到外界環(huán)境的影響，磁性影響因素一般為：（1）老化：經(jīng)過(guò)充磁之后，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，磁鐵會(huì)出現(xiàn)磁力緩慢衰退現(xiàn)象，比如釹鐵硼（NdFeB），10年之后，導(dǎo)磁力將會(huì)衰減0.2%左右；（2）溫度效應(yīng)：在高溫情形下，將永磁置于一段時(shí)間，磁鐵的材質(zhì)組織將會(huì)發(fā)生變化，對(duì)磁鐵充磁后的特性具有嚴(yán)重的影響；（3）外在磁場(chǎng)：弱磁和驅(qū)動(dòng)異常是最常出現(xiàn)的，磁鐵充磁后，將會(huì)出現(xiàn)不可逆的磁性退磁現(xiàn)象。

圖1 轉(zhuǎn)子的各種貼磁方式

1.3 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)機(jī)構(gòu)

永磁同步電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，為了定子電流可以進(jìn)入到最佳位置，需要對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)位置的相關(guān)信息進(jìn)行了解，以便形成所需磁場(chǎng)，這樣可以得到最大輸出效率和最佳轉(zhuǎn)矩。旋轉(zhuǎn)變壓器、霍爾感測(cè)組件及編碼器是三種最為常見的檢測(cè)機(jī)構(gòu)，對(duì)于環(huán)境的變動(dòng)，具有較好的適應(yīng)性，在汽車中應(yīng)用的較為廣泛。

2在豐田Prius轎車中永磁同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用

在混合動(dòng)力汽車中，豐田Prius轎車是最為典型的代表，在此轎車中，混合動(dòng)力系統(tǒng)是其主要的動(dòng)力中樞，兩種混合動(dòng)力為電動(dòng)機(jī)和汽油機(jī)，工作中的結(jié)合方式就是并聯(lián)和串聯(lián)，具有較好的低排放效果。

2.1 在豐田Prius轎車中，電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)內(nèi)置于轉(zhuǎn)子的方式是以釹鐵硼磁鐵的方式植入的，對(duì)于轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)位置，使用的檢測(cè)方法為旋轉(zhuǎn)變壓器。為了獲得最大化的轉(zhuǎn)矩輸出，混合動(dòng)力系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)技術(shù)和動(dòng)力電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了適當(dāng)修改：（1）使用“V”型作為轉(zhuǎn)子磁鐵設(shè)置；（2）在驅(qū)動(dòng)器的使用過(guò)程中，應(yīng)用的切換技術(shù)為過(guò)調(diào)變；（3）使用電壓增壓電路，對(duì)負(fù)載電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。在電壓調(diào)整過(guò)程中，可以通過(guò)整體效率、輸出功率及電機(jī)轉(zhuǎn)速等方式找出最佳工作點(diǎn)。

2.2永磁同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)動(dòng)力裝置相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，具有較好的加速性能和動(dòng)力性能，且無(wú)沖擊，加速有力。在混合動(dòng)力汽車的應(yīng)用中，永磁同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)主要為：（1）提升電動(dòng)機(jī)的額定功率和轉(zhuǎn)矩：當(dāng)電壓上升為500V時(shí)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的額定電流一定，最大額定輸出轉(zhuǎn)矩可以提高25倍。對(duì)于傳統(tǒng)動(dòng)力裝置而言，最高轉(zhuǎn)速具有固定的范圍，可是永磁同步電動(dòng)機(jī)對(duì)于效率較差的區(qū)域可以進(jìn)行有效縮減；另一方面，對(duì)于電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)能量而言，有利于效率回升；（2）動(dòng)力裝置的體積可以達(dá)到最小化：動(dòng)力電動(dòng)機(jī)在進(jìn)行轉(zhuǎn)矩區(qū)擴(kuò)展時(shí)，主要是通過(guò)提升直流電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)輸出功率增加到50kW時(shí)，與過(guò)去相比，雖然增加了17kW，但是，動(dòng)力電動(dòng)機(jī)的體積并沒(méi)有太大變化，而發(fā)電機(jī)增加輸出功率的方式也是如此。（3）有利于燃油經(jīng)濟(jì)性的提高：在怠速情況下，電動(dòng)機(jī)將會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)熄火現(xiàn)象，有利于能量損失的降低；在制動(dòng)或減速情況下，汽車的動(dòng)能可以被轉(zhuǎn)化為熱量；在大部分時(shí)間下，發(fā)動(dòng)機(jī)都能實(shí)現(xiàn)高效工作；在加速時(shí)，向電動(dòng)機(jī)補(bǔ)充動(dòng)力，有利于發(fā)電機(jī)低效率情況的解決；在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)化效率較低的情況下，電動(dòng)機(jī)仍然可以驅(qū)動(dòng)汽車，當(dāng)發(fā)電機(jī)效率較高時(shí)，對(duì)發(fā)電機(jī)的充電具有帶動(dòng)作用，有利于整體效率的提升。

2.3永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制方式：磁場(chǎng)正交控制

當(dāng)定子線圈處于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)正交處時(shí)，定子線圈也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，根據(jù)電動(dòng)機(jī)原理可得，在此情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩將會(huì)達(dá)到最大值，因此，只要找到轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)位置后，便可確定電動(dòng)機(jī)的控制重點(diǎn)，使用的檢測(cè)方法為將傳感組件安裝于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置上，對(duì)磁場(chǎng)位置進(jìn)行檢測(cè)。此檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)與直流電動(dòng)機(jī)是一樣的。

3結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文以豐田豐田Prius轎車為例，對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)在混合動(dòng)力汽車上的應(yīng)用進(jìn)行探析，可見，在混合動(dòng)力汽車中，永磁同步電動(dòng)機(jī)的使用具有較多優(yōu)點(diǎn)，不僅有利于電動(dòng)機(jī)額定功率和轉(zhuǎn)矩的提升，還有利于燃油經(jīng)濟(jì)性的提高，因此，在混合動(dòng)力汽車中，永磁同步電動(dòng)機(jī)具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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