定子斜槽的新型車用混合勵磁永磁同步電動機研制

劉仲恕

(福建工程學院信息科學與工程學院，福建福州 350118)

電動汽車所使用的電動機從大的方面來分，可以分為電勵磁電動機和永磁體即磁鋼勵磁兩種方式，電勵磁電動機是指所有使用交直流電流產生激磁磁場的電機而永磁體勵磁電動機是指所有使用磁鋼等永磁體產生激磁磁場的電機。但以上兩種勵磁方式的車用電動機中，電勵磁電動機由于勵磁繞組銅損耗的存在使得電動機效率較低而且由于其較低的功率密度所以其主要尺寸都比較大。永磁同步電機雖然容易實現低速大轉矩和高效率輸出，但由于其氣隙磁場由永磁體單獨提供，電機制成后氣隙磁場無法改變和調節，由此帶來的問題是電機在恒功率運行時無法實現很寬范圍的弱磁調速。有鑒于此，混合勵磁永磁同步電動機從電機本體結構上將上述兩種電動機進行有機結合，從而在運行性能上充分實現了兩種電動機的固有優點。因而，混合勵磁同步電動機應用在電動汽車中，不僅具有較大的起動轉矩和低速恒轉矩特性，使汽車具有良好的加速性能，而且在恒功率運行時可以實現汽車較寬范圍的高速行駛能力[1]。本文所研制的混合勵磁永磁同步電動機特殊之處在于定子鐵心槽是斜向開槽的，可以有效削弱定、轉子所感應的齒諧波電勢，減小電機的附加損耗，減小異步附加轉矩的影響，減小電動機轉矩脈動及振動噪音，使汽車在運行過程中始終保持舒適和高效[4]。

1 結構特點

混合勵磁永磁同步電動機的進行能量傳遞和轉換的氣隙磁場由轉子上的N/S磁鋼以及定子中的環形勵磁繞組中的直流勵磁電流共同產生。這兩個勵磁源所起的作用不同，轉子磁鋼產生的永磁磁動勢對氣隙磁場的產生起主導作用，定子勵磁電流所產生的電勵磁磁動勢起輔助調節作用。本論文以目前較為成熟和典型的軸向和徑向混合磁路同步電動機結構作為所設計電動機的結構。圖1所示的是本次所研制的定子鐵心槽為斜槽的混合勵磁永磁同步電動機[1]。

圖1 軸向/徑向磁場混合勵磁同步電機Fig.1 Axial/radial magnetic hybrid excitation synchronous motor

混合勵磁永磁同步電動機有兩套繞組，一套繞組為均勻分布在定子鐵心內圓表面的對稱的三相電樞繞組，另一套繞組為定子鐵心中間所放置的環形直流勵磁繞組。由于環形直流勵磁繞組處于整段定子鐵心中間，所以，定子鐵心被分為兩段，在定子鐵心和機座之間還有一層定子背軛將定子鐵心連接在一起。轉子也分為兩部分:由同極性的磁鋼和鐵心即中間極間隔均勻排列在轉子外圓表面構成了兩個磁極端，轉子軸向氣隙磁場的傳導是通過套在轉軸上的導磁性能良好的實心套筒(與定子背軛的作用和位置相同，這個套筒亦可稱之為轉子背軛)來實現的。對于環形勵磁繞組中的電流可作如下分析:①當轉子磁鋼產生的軸向磁場和定子環形勵磁電流產生的軸向磁場互相抵消即當定子環形勵磁電流大于零時，對于進行電磁和機電能量轉換和傳遞的徑向磁場而言，此時勵磁電流起增磁作用;②當勵磁電流產生磁場對轉子磁鋼產生的徑向磁場起削弱作用即當勵磁電流小于零時，此時勵磁電流起去磁作用[2];③當定子環形勵磁電流為零時，氣隙中的磁場由轉子磁鋼單獨建立。與普通混合勵磁永磁同步電動機不同，此次所研究的樣機定子鐵心槽采用斜槽設計。定子鐵心采用斜槽設計后，為了正確求解混合勵磁永磁同步電動機對應于定子鐵心不同斜槽程度下的運行性能[1]。

2 定子斜槽寬度不同對效率的影響

表1為采用上述軟件對定子鐵心不同斜槽寬度下運行特性計算得到的結果。

表1 轉矩和效率[3]Tab.1 Torque and efficient

由表1可以得出結論:新型混合勵磁永磁同步電動機的輸出功率和效率隨著定子鐵心采用斜槽后略有減小，這是由于定子鐵心采用斜槽后在定、轉子之間所產生的合成電磁磁場有所減小所造成的。另外，電動機異步附加轉矩隨著定子鐵心采用斜槽而使定、轉子齒諧波分量減小而減小。從表1所示的結果還可以得出結論，當定子鐵心斜槽寬度為整數倍定子槽距倍數時，電動機的異步附加轉矩達到最小，此時電動機輸出轉矩脈動最小。綜合考慮各種因素，本次設計研制的新型車用混合勵磁永磁同步電動機采用的定子鐵心斜槽寬度為一個定子槽距[3]。

3 運行特性

以恒定同步速旋轉的兩相旋轉坐標系中電動機的穩態定子電壓方程為[4]

電磁轉矩方程為

定子磁鏈方程為

上述式(1)～(3)中:ud，uq為定子直交軸電壓;id，iq為定子直交軸電流;Ld，Lq為定子直交軸電感;R為定子每相交、直軸電阻(電機結構相當于隱極機，所以這兩個電阻相等);ω為定子電流角頻率;p為轉子極對數;ψf為旋轉坐標系下混合磁鏈(不同于永磁同步電動機，ψf為轉子永磁體基波磁鏈與定子直流勵磁電流產生的磁鏈之和);ψd，ψq為定子直交軸磁鏈。

電動機效率為

上式中:Pe為電動機的電磁功率;pt為電動機的鐵損耗;pj為定子兩種繞組損耗。

4 控制策略和仿真結果

電動汽車在不同的路況其性能指標的實現是通過控制系統適當地協調控制混合勵磁同步電動機的勵磁電流與電樞電流來完成的[5]。前一節已經建立了混合勵磁永磁同步電動機數學模型，據此可以構建一個雙閉環的控制系統，系統控制框圖如圖2所示。接著可以用 Matlab工具箱中的仿真模型在 siminlink下進行仿真。勵磁電流的控制為:1)當定子勵磁電流為零時，電動機所能夠達到的最大轉速為nmax，由結果可知，當電樞電壓與電機結構參數不變時，電動機的最大轉速正比于與永磁體所產生的磁勢[6];2)當定子勵磁電流的大小和方向都發生改變時，依據勵磁電流控制器的輸出來調節勵磁電流，從而實現對氣隙合成磁場的控制，最終實現電動機低速大轉矩和恒功率高速寬調速范圍的控制[6]。

圖2 混合勵磁同步電機系統控制框圖Fig.2 System control block diagram of hybrid excitation synchronous motor

圖2 所示的是混合勵磁同步電動機應用在電動汽車中的運行特性曲線。

圖3 車用電動機特性曲線Fig.3 Characteristic curve of motor vehicle

圖4 特性曲線在坐標平面上可以劃分為以下兩個區域:A區恒轉矩區和B區恒功率區，A區恒轉矩區主要應用于當汽車起步、停車或加速和減速時，需要克服慣性阻尼，實現大轉矩，電動機在基速以下運行[7]。B區恒功率區主要應用于當汽車行駛在路況較好的路面時，此時電動機轉速超過基速。新型混合勵磁永磁同步電動機運行的高速區(即恒功率B區)轉速可以比其他同步電動機達到更寬廣的調速范圍[8]。我們對新型混合勵磁永磁同步電動機的定子勵磁電流所采取的控制策略為:當路況較差而需要減速時，勵磁電流控制器通過增磁方式實現勵磁電流的調節，實現車用電動機低速、大轉矩調速;當路面較為平坦時，勵磁電流控制器通過弱磁方式實現勵磁電流的調節，從而使車用電動機的高速運行段的速度調節區域更大。

此外，這里需要特別指出的是:在傳統的電氣驅動系統中，由于大部分傳統電動機不能直接運行于非常寬的速度區間，因此起動和發電機通常是由兩個電機分別執行。隨著電機技術和電子技術的發展，將起動電機和發電機結合為一體，作為驅動系統的一部分，也變得越來越可行了。起動發電機是根據不同路況實現車用電機“一機雙用”功能的電機。在幾種車用電動機中，混合勵磁同步電動機由于其獨有的磁通控制靈活性使其在起動發電機的應用上獨樹一幟[5]。圖4，圖5得出的仿真結果是混合勵磁永磁同步電動機運行在電動機狀態時的動態運行特性。電機內部參數為:定子繞組電阻為R=0.323Ω，永磁體磁鏈為0.324Wb，轉動慣量為 J=0.217 8 kg·m2，極數為4，最大轉速nmax為1 500 r/min。

首先我們得出的是混合勵磁永磁同步電機工作在電動機狀態的運行特性。圖4為電機If=0時的動態運行特性，而圖5為增磁方式下即If＞0時的動態運行特性。從圖中可見，當有增磁電流時，其起動轉矩比無增磁電流即If=0時大很多，電動機的轉速可以很順利地達到給定值1 500 r/min左右。而無增磁電流時，起動轉矩很小，電動機的轉速只能達到500 r/min左右，當不存在增磁電流時，電動機起動困難，起動轉矩很小。從仿真結果可以看出，增磁電流可以使混合勵磁永磁同步電動機的起動轉矩大大增大、起動過程大大縮短[5]。

圖4 無增磁電流(If=0)時的起動特性Fig.4 Starting characteristics without exciting current(If=0)characteristics

接著，本文研究該電動機運行在發電機狀態(下坡、減速、制動時)的特性。圖6和圖7為混合勵磁永磁同步電機在不同負載情況下整流輸出電壓隨著電流的變化而變化的仿真結果。通過比較我們發現，混合勵磁永磁同步電動機在發電狀態下足以保證寬范圍的恒壓輸出，從而對蓄電池進行充電。

從以上仿真結果可以得出結論:新型混合勵磁永磁同步電動機可縮短動態響應時間，增大電動機的起動轉矩，并使電動機調速范圍在高速時得到很大程度的提高。而且在有些路況下(下坡、減速、制動時)混合勵磁永磁同步電機運行在發電機狀態，將機械能轉化為電能給蓄電池充電。

圖5 有增磁電流(If＞0)時的起動特性Fig.5 Starting characteristics with exciting current(If＞0)

圖6 無勵磁控制下的整流電壓輸出特性Fig.6 Output characteristics of rectified voltage without excitation control current

5 結語

研究了一種定子斜槽的新型車用混合勵磁永磁同步電動機，由分析和仿真結果可以得出如下結論:與傳統定子直槽永磁混合勵磁永磁電動機相比，它不僅繼承了其起動轉矩大，動態響應好，調速范圍廣的優勢等諸多優點，而且由于定子斜槽使轉矩脈動大為降低，所以電動汽車運行更加平穩舒適。同時在有些路況下(下坡、減速、制動時)車用混合勵磁電機可工作在發電機狀態將相關的機械能回饋并對蓄電池進行充電。在混合動力電動汽車應用中，它能在短時間內帶動內燃機至怠速狀態，然后再切換至不同的運行狀態。

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