新能源汽車中交流永磁電動(dòng)機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

段殼，沈天賜

新能源汽車中交流永磁電動(dòng)機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

段殼，沈天賜

（北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

交流永磁電動(dòng)機(jī)憑借其優(yōu)越性能在新能源汽車中得到廣泛的應(yīng)用，文章介紹了無刷直流電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)這兩類交流永磁電動(dòng)機(jī)，分析了其結(jié)構(gòu)、原理和調(diào)速控制等基本特性，根據(jù)永磁同步電機(jī)內(nèi)部的電磁關(guān)系，應(yīng)用了雙反應(yīng)原理來分析其特性。

新能源汽車；交流永磁電動(dòng)機(jī)；無刷直流電動(dòng)機(jī)；永磁同步電動(dòng)機(jī)；雙反應(yīng)原理

CLC NO.: U469 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-105-03

前言

節(jié)能環(huán)保成為了當(dāng)今汽車工業(yè)發(fā)展的主題，發(fā)展新能源汽車已經(jīng)被普遍確立為節(jié)約化石能源和轉(zhuǎn)型低碳經(jīng)濟(jì)的重要途徑之一。無論是燃料汽車、純電動(dòng)汽車，還是混合動(dòng)力汽車，驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)既是共性技術(shù)，又是關(guān)鍵技術(shù)。

新能源車用電動(dòng)機(jī)主要有直流電動(dòng)機(jī)、交流異步電動(dòng)機(jī)和交流永磁電動(dòng)機(jī)等。其中直流電動(dòng)機(jī)雖然制動(dòng)性能優(yōu)越和控制精度高，但帶有機(jī)械換向裝置，存在固有缺陷；交流異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、良好的過載能力，但功率因數(shù)較低，降低了系統(tǒng)的效率；交流永磁電動(dòng)機(jī)除了具有容易制造、成本低廉、能滿足各種工況下的運(yùn)行需求外，還有功率因數(shù)高、效率高、轉(zhuǎn)矩密度高、恒功率調(diào)速范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，主要有無刷直流電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)兩種結(jié)構(gòu)，在新能源汽車中被廣泛使用。

1 無刷直流電動(dòng)機(jī)

1.1 無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

無刷直流電動(dòng)機(jī)（brushless DC motor,BLDCM）與普通直流電機(jī)采用磁場(chǎng)固定電樞旋轉(zhuǎn)式和必須經(jīng)過電刷和換向器這樣一個(gè)滑動(dòng)的機(jī)械接觸結(jié)構(gòu)饋送的結(jié)構(gòu)相反，即電樞繞組固定，永磁體安置在轉(zhuǎn)子上隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。電樞繞組的電流換向無需電刷與換向器，可借助位置傳感器、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和逆變器來實(shí)現(xiàn)電流的無觸點(diǎn)饋送。整體而言，無刷直流電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)機(jī)本體、逆變器、驅(qū)動(dòng)控制模塊和位置傳感器這四部分組成。

1.2 無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理

在無刷直流電動(dòng)機(jī)中，系統(tǒng)接收外界給定信號(hào)（如轉(zhuǎn)矩信號(hào)）和反映永磁磁極位置的傳感器的檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)模塊運(yùn)算控制，產(chǎn)生逆變器觸發(fā)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)逆變器按相應(yīng)的要求動(dòng)作，使直流側(cè)電壓通過逆變器轉(zhuǎn)化為三相電壓并加在三相電樞繞組上，產(chǎn)生三相方波電流。永磁磁場(chǎng)與電樞繞組中的三相方波電流相互作用產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。

1.3 無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本特性

1.3.1 無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式

為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)：定子繞組為三相對(duì)稱的60°相帶整距繞組；忽略開關(guān)管和續(xù)流二極管本身關(guān)斷時(shí)間對(duì)換流過程的影響；忽略電機(jī)鐵耗和溫度對(duì)參數(shù)的影響。

（1）定子電壓方程式電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

式中 pn---電機(jī)極對(duì)數(shù)；

w---電機(jī)的角速度(rad/s)。

（2）運(yùn)動(dòng)方程

機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為：

式中 TL---負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N·m)；

J ---轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (kg·m)。

1.3.2 無刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性

無刷直流電動(dòng)機(jī)的磁鏈隨空間角度θ的變化而變化，可以表示為：

式中 ψpm---最大磁鏈(Wb)，ψpm=N1Bδτ1lef；Bδ---永磁體產(chǎn)生的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度(T)；

τ1---電機(jī)的極距(m)；

lef ---鐵心有效長(zhǎng)度。

由上式可求出一相定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：

由于任意時(shí)刻定子繞組只有兩相通電，且理想運(yùn)行狀態(tài)時(shí)電動(dòng)機(jī)的相電流與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)同相位，電磁轉(zhuǎn)矩為：

式中 IDC---定子相電流有效值(A)。

忽略定子電流換相時(shí)間、定子繞組電感和電樞反應(yīng)，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電壓方程可表示為：

由式（1-4）和（1-5）可以得到無刷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與角速度之間的關(guān)系為：

由式（1-6）可以知道，通過調(diào)節(jié)磁鏈和端電壓便可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。在基速以下，一般采用PWM調(diào)制的方法來改變電動(dòng)機(jī)的端電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速。當(dāng)轉(zhuǎn)速高于基速時(shí)，需采用弱磁調(diào)速，無刷直流電動(dòng)機(jī)的弱磁是通過加大電流超前角，增大磁動(dòng)勢(shì)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的恒功率運(yùn)行。

2 永磁同步電動(dòng)機(jī)

2.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

永磁同步電動(dòng)機(jī)(permanent magnet synchronous motor, PWSM)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子與普通交流電動(dòng)機(jī)基本相同，由電樞鐵心和繞組組構(gòu)成，電樞鐵心采用可以減小電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)鐵耗的疊片結(jié)構(gòu)；電樞繞組采用集中繞組或分布短距繞組；對(duì)于極數(shù)較多的電動(dòng)機(jī)，還可以采用分?jǐn)?shù)槽繞組。轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)子鐵心、永磁體和轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的選擇，要滿足高速恒功率區(qū)域的提速性能和低速恒轉(zhuǎn)矩控制運(yùn)行的動(dòng)力性能，又要提高電樞反應(yīng)能力，增大弱磁能力和磁阻轉(zhuǎn)矩分量，以及提高電機(jī)與逆變器的利用率，保證電機(jī)能在最高轉(zhuǎn)速下安全可靠運(yùn)行。

永磁同步電動(dòng)機(jī)與交流異步電動(dòng)機(jī)相比還必須有用來檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)器，并以此控制電樞電流，達(dá)到對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的目的。

2.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理

永磁同步電動(dòng)機(jī)的交流電流逆變器調(diào)制電壓可變化的三相正弦波電壓，輸入永磁電動(dòng)機(jī)三相對(duì)稱繞組后，產(chǎn)生三相對(duì)稱電流，在正弦波電流和永磁磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子隨著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以相同的速度旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)速度為：

式中 n---轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(r/min)；

n1---同步轉(zhuǎn)速(r/min)；

f1---三相正弦波電壓的頻率(HZ)。永磁同步電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)定子繞組電流會(huì)產(chǎn)生電樞磁動(dòng)勢(shì)，它與永磁磁動(dòng)勢(shì)共同作用產(chǎn)生合成氣隙磁場(chǎng)，因此存在電樞反應(yīng)。電樞磁場(chǎng)與永磁磁場(chǎng)以相同的速度同向旋轉(zhuǎn)，所以彼此相對(duì)靜止。電樞磁場(chǎng)不僅會(huì)產(chǎn)生去磁和增磁作用，而且會(huì)使磁場(chǎng)波形畸變，直接影響永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能。

永磁同步電動(dòng)機(jī)與同步電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部電磁關(guān)系相似，故可采用雙反應(yīng)理論來分析其性質(zhì)。即分別求出直軸分量和交軸磁動(dòng)勢(shì)分量的電樞反應(yīng)，然后疊加。

2.2.1 電壓方程

忽略飽和磁路和電機(jī)溫度、鐵耗對(duì)參數(shù)的影響，永磁同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程為：其中

R1---定子繞組相電阻(Ω)；

X1---定子漏抗(Ω)；

Xad、Xaq ---直角軸電樞反應(yīng)電抗(Ω)；

Xd ---直軸同步電抗(歐姆)，Xd=Xad+X1；

Xq ---交軸同步電抗(歐姆)，Xq=Xad+X1。

由式（2-8）可以得到，永磁同步電動(dòng)機(jī)有三種工作狀態(tài)，分別為增磁狀態(tài)、去磁狀態(tài)以及臨界狀態(tài)，并滿足下列關(guān)系。

定子電流的直軸和交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)分量分別是：

2.2.2 功率和轉(zhuǎn)矩方程

永磁同步電動(dòng)機(jī)的輸入功率可以表示為：

電動(dòng)機(jī)的電磁功率為：

式中 PCua ---電樞繞組的銅損(W)。

若忽略電樞電阻的影響，電磁功率為：

式（2-14）的前半部分被稱為永磁轉(zhuǎn)矩，又稱基本電磁轉(zhuǎn)矩，由電樞磁場(chǎng)和永磁體相互作用產(chǎn)生；后半部分為磁阻轉(zhuǎn)矩。充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩可以提高永磁同步電功率密度和效率。

3 結(jié)束語

新能源汽車集機(jī)械設(shè)計(jì)制造、電氣控制、能源利用等領(lǐng)域中的高新技術(shù)于一體，體現(xiàn)了汽車、電機(jī)拖動(dòng)、計(jì)算機(jī)、新能源、新材料、自動(dòng)控制、化學(xué)電源等工程技術(shù)中的最新成果。車用電機(jī)是電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)部件的核心關(guān)鍵件之一，因此研究交流永磁電機(jī)技術(shù)等電機(jī)控制技術(shù)對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程至關(guān)重要。

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Application of AC Permanent Magnet Motor Technology in New Energy Vehicles

Duan Ke, Shen Tianci
( Beijing Forestry University Institute of Technology, Beijing 100083 )

The AC permanent magnet motor with its superior performance has been widely used in the new energy vehicles, this paper describes two types of AC permanent magnet motor, which are the brushless DC motor and permanent magnet synchronous motor.This paper analyze structure, principle and speed control and other basic characteristics of these two kinds of motors,according to the permanent magnet synchronous motor internal electromagnetic relationship, the application of the dual reaction principle to analyze its characteristics.

new energy vehicles; AC permanent magnet motor; Brushless DCmotor; Permanent magnet synchronous motor; Double reaction principle

U469

A

1671-7988 (2017)16-105-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.037

段殼（1996-）男，本科在讀，就讀于北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，側(cè)重于電機(jī)控制理論和機(jī)械制造技術(shù)。