電動汽車用永磁同步電動機弱磁研究綜述

朱永彬 林 珍

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350116）

隨著世界范圍內資源、能源及環境問題日益凸顯，電動汽車以其較高的能量利用率和環境友好性逐漸取代傳統能源汽車，帶來整個行業的變革。因此近年來，電動汽車的研發與推廣應用受到越來越多國家的重視[1]。

驅動電機及其控制系統作為電動汽車的關鍵部件，對整車性能優劣起決定性作用。稀土永磁同步電機（PMSM）自20世紀80年代面世以來，以其轉矩密度高、效率及功率因數高、結構和尺寸靈活多樣等優點，廣受推廣應用。隨著電力電子器件及變頻技術的發展，永磁同步電動機優越的調速性能更加明顯，因而在包括電動汽車在內的多種領域得到更加廣泛的應用。由于電動汽車具有頻繁啟停、負荷爬坡、頻繁加減速等復雜循環工況，要求其驅動系統不僅具有高功率、高轉矩密度，還要求有一個較寬的調速范圍，以滿足各種工況[2]。

電動汽車用PMSM轉子由稀土永磁體勵磁，由于勵磁磁場不可調節，同時受直流母線電壓及逆變器容量限制，在系統超過額定功率后，隨著轉速上升，輸出功率將下降，若不采用弱磁擴速，則無法運行到較高的轉速。因此，如何進行弱磁控制以盡可能擴大汽車用永磁電動機的調速范圍，成為國內外學者關注的熱點[1-3]。

1 永磁同步電動機結構模型及弱磁原理

依轉子永磁體安裝位置不同，車用永磁同步電動機可分為表貼式和內置式兩種。表貼式永磁電動機永磁體位于轉子表面，由于永磁體磁導率接近空氣，PMSM工作氣隙相對均勻，等效氣隙較大，直軸電抗小，無磁阻轉矩，不適合弱磁控制。內置式永磁電動機永磁體位于轉子內部，其直、交軸磁路不對稱，由此產生的磁阻轉矩可提高電動機過載能力及轉矩、功率密度，且同功率密度下電動機直軸電感較表貼式大，這就為弱磁擴速帶來優勢。

內置式永磁同步電動機dq軸數學模型如下。

電壓方程

電磁轉矩方程

由逆變器電壓電流約束條件為

電動機運行時有電壓平衡方程式

式中，ω為電動機角速度，R1為定子繞組相電阻。

忽略R1，則恒轉矩運行時能獲得的最高轉速為

式中，γ為電流超前角，is為逆變器輸出電流。電流直交軸分量隨γ變化如圖1所示。

圖1 電流直交軸分量隨γ 變化

隨著γ的增大，直軸分量逐漸增大。當γ增大到 90°時，is最終將全部轉化為直軸電流，此時可獲得的理想最高轉速為

從式（6）可以看出，當轉速隨端電壓升高到基準額定轉速時，逆變器輸出電壓達到極限，在此之前電動機為恒轉矩運行。若要繼續提高轉速，必須采用弱磁控制。而當逆變器端電壓U和輸出電流is達最大值后，由于id和iq受到is幅值的限制，電動機的弱磁性能也將受到限制。如何從電機本體設計著手，通過優化電動機參數和轉子磁路結構，使電動機獲得良好的擴速性能，成為問題的關鍵[4-5]。

2 新型結構永磁同步電動機弱磁研究現狀

實際上，傳統結構的永磁同步電動機，無論采取何種轉子結構，其永磁體總是串聯在電動機的直軸磁路上，等效氣隙較大，采取參數優化所獲得的直軸電抗依然較小，在正常的電樞電壓下，即使電流為純直軸電流，弱磁效果依然差強人意；而永磁體在弱磁控制時面臨的退磁風險，也制約著電動機擴速性能的提高。因而近年來各國學者們一直在研究新的特種結構電動機，以滿足更多更廣場合弱磁擴速的需要。下文從幾種不同弱磁手段，介紹多種新型結構永磁同步電動機。

2.1 改變轉子結構使磁通可控

傳統永磁電動機通常采用單一永磁體勵磁，其直軸電感較小，弱磁擴速時id幅值需要很大，才能產生足夠的直軸去磁磁動勢，這就增大了定子繞組損耗；而由于逆變器輸出容量限制，id不可能無限增大，導致弱磁能力往往不理想。為此，采用兩種永磁體構成混合式轉子磁路結構，通過控制輔助永磁體充磁方向，使氣隙永磁磁通可控，成為一種思路。天津大學陳益廣教授運用這種方法，提出了一種內置混合式磁通可控永磁同步電動機，其結構如圖2所示[7-8]。

圖2 混合式轉子磁通可控電動機

該電動機在轉子永磁體槽內同時放置釹鐵硼和鋁鎳鈷兩種永磁體，由于鋁鎳鈷永磁的剩磁密度很高而矯頑力較低，通過控制直軸電流矢量脈沖的方向和幅值可以控制鋁鎳鈷永磁的磁化方向和強度；而釹鐵硼的剩磁和矯頑力都很高，其充磁方向不會隨id脈沖方向改變。氣隙中永磁磁通主要由釹鐵硼提供，其磁化方向長度決定著氣隙永磁磁場的強弱，也即決定著電動機的低速性能。施加正向id脈沖時，鋁鎳鈷與釹鐵硼磁化方向一致，此時為助磁作用。施加反向id脈沖時，不同的id幅值決定鋁鎳鈷被反向磁化的強弱，也即決定了鋁鎳鈷將釹鐵硼產生的磁通在轉子內旁路的數量不同，這就使得氣隙永磁磁通變得可控，達到弱磁控制的目的。

另一思路指出，雖然單一永磁體勵磁時，轉子向電樞繞組提供的永磁磁通難以調節，但若能通過增加一段轉子，向定子繞組提供反向磁通，其最終效果也是弱磁。因而學者們提出復合轉子結構電動機并進行了研究，其中為電動汽車驅動而設計的永磁加磁阻的復合轉子是一種可行性較高的方式，其結構如圖3所示[9]。

圖3 復合式轉子結構

奧地利學者W. Muhlegger較早提出這種結構轉子并對此作了深入研究，這種復合式轉子結構由一個永磁段和一個磁阻段構成，兩段轉子的直軸方向一致，并使二者之間有一定的間隙，以減少漏磁。這種轉子結構可以使電動機直軸電感較大，利于弱磁，但由于增加了磁阻段，電動機轉矩、功率密度不可避免地降低，且高速運行時鐵耗較大。

2.2 改變磁通路徑弱磁

傳統弱磁方法利用直軸電流產生的去磁磁動勢進行弱磁，永磁體面臨不可逆退磁的風險，電動機性能可能遭到永久性破壞[10-11]。

由式（6）可知，增大直軸電感，可以獲得更高的轉速。為盡可能增大內置式永磁同步電動機的直軸電感，以增強其弱磁能力，有學者提出將轉子內永磁體分段放置的思想。文獻[12]中Rukmi Dutta，M. F. Rahman等人提出一種電動機徑向磁路分段的轉子結構，如圖4所示。

圖4 轉子永磁體分段結構

該電動機利用隔磁磁橋將永磁體分為三段。傳統結構的內置式永磁電動機，永磁體整體串聯在直軸磁路中，其直軸磁路大部為鐵心，磁通經鐵心穿過永磁體，使得磁路飽和程度較高，直軸電感相對較小。通過隔磁磁橋將永磁體分為三段，使原磁通路徑被切斷，飽和程度降低，增大了直軸電感。經過實際樣機試驗對比分析可知，該電動機弱磁范圍為 600～6000r/min，表明分段永磁體結構具有優秀的弱磁能力。

文獻[13]提出了一種新型永磁同步電動機，如圖5所示。不同于傳統電動機，該電動機在永磁體外層再增加一層鐵心，并利用隔磁磁橋，將外層鐵心分為8段，A、B、C、D均位于交軸位置上，另外四段覆蓋在永磁體上。

圖5 通過改變磁通路徑弱磁

當恒功率運行時，電樞繞組中通以直軸電流，電樞反應磁場通過永磁體表面的鐵心，再由A、B、C、D四塊軟鐵各自形成通路。這樣利用直軸電流改變磁通路徑，減少了從永磁體到電樞的磁通，而通過永磁體本身的磁通并沒有變化，這不僅增強了電動機的弱磁能力，也可避免永磁體發生不可逆退磁。

2.3 采用多段轉子磁場相互抵消弱磁

在對電動機齒槽效應研究的過程中發現，采用轉子斜極，可以削弱電動機齒槽轉矩。受此試驗結果的啟發，有學者提出將電動機轉子分段，調節各段轉子之間的夾角，便可控制通過電樞繞組中的永磁磁通，從而實現弱磁的目的[14-17]。

文獻[18]提出一種兩段轉子結構電動機，如圖6所示。以各段轉子磁極直軸夾角為基準度量轉子之間的相對位置，當兩段轉子夾角為 0°時，它們的磁通完全一致，疊加后使氣隙磁場最大。調節直軸夾角，使兩段轉子的磁場出現相位差，其共同作用的磁場將會減少，這就達到了弱磁控制的目的。

圖6 轉子分段結構電動機

該電動機的技術難點主要集中于如何在電動機運行的過程中調節轉子段之間的夾角，關于調節機構的設計，學者們也做了相關研究。文獻[15]中提出一種螺旋調節機構，如圖7所示，該機構在調節轉子之間夾角的同時，還可以調節轉子與定子相對位置，改變定轉子耦合面積，從而使弱磁能力得到提高[17]。

圖7 轉子分段結構螺旋調節裝置

2.4 改變勵磁回路磁阻弱磁

電動機在旋轉過程中不可避免產生離心力，且離心力隨轉速上升而增大。利用這個離心力，控制電動機結構隨轉速變化，就可以控制氣隙磁場，實現弱磁。

比較有代表性的是哈爾濱工業大學窛寶泉等人提出的利用離心力動態調節磁路磁阻的8極切向轉子磁路結構電動機[19-20]，其結構如圖8所示，在同一永磁體槽中，槽最外側為位置固定的副永磁體，主永磁體初始位置在槽內靠近轉子軛的部位，且可在槽內滑動。如圖所示在轉子永磁體槽靠近副永磁體一端的外側，放置倒三角形的非導磁材料。

圖8 動態調節磁路轉子結構

基速以下運行時，離心力較小，主永磁體位于圖中初始位置，此時轉子勵磁磁路不通過非導磁材料，氣隙磁通較大。隨著轉速上升超過基速，離心力逐漸增大，主永磁體開始沿槽向外側移動，磁路同時向外側移動，由于非導磁材料的存在，磁路磁阻增大，氣隙磁場減弱，實現弱磁。

除以上各種弱磁方法以外，學者們受電勵磁同步電動機控制勵磁電流調節磁場的啟發，還提出將永磁同步電動機加裝勵磁繞組進行調磁，形成混合勵磁同步電動機，可集電勵磁電動機和永磁同步電動機的優點于一身，實現高轉矩、功率密度，寬調速范圍，適宜做電動汽車驅動電動機。

3 電動機參數對弱磁運行性能的影響

3.1 凸極率ρ 對電動機弱磁恒功率性能的影響

調速永磁同步電動機高速區恒功率性能一直是國內外學者研究的重點。當其轉速達到基速時，逆變器輸出電壓已達極限，若轉速繼續升高，反電勢隨之增大。若反電勢超過端電壓，逆變器將無法向電動機輸入能量，若無應對措施，電動機在進入高速區后輸出功率將迅速下降，無法保持恒功率運行。如何使PMSM能運行到較高的轉速而又不降低低速區輸出轉矩和高速區輸出功率，成為問題的關鍵。

凸極率ρ=Lq/Ld是影響電動機運行性能的一個重要因素，在保持定子不變的情況下，提高Laq與Laq之比，可以提高功率因數，進而提高效率[6]。當凸極率ρ≠1時，電動機具有磁阻轉矩，但大于1和小于1的選擇，對電動機性能有較大影響。實際應用結果表明，雖然Ld＞Lq電動機在弱磁區比Lq＞Ld結構有略高的輸出轉矩，但其恒轉矩區性能卻明顯劣于Lq＞Ld結構，故在恒功率運行性能相近時，ρ＞1電動機具有明顯的優勢。

文獻[21]著重研究了不同凸極率電動機的恒轉矩運行和弱磁擴速運行時的輸出功率特性，并通過仿真實驗得出電動機在不同凸極率時，電動機的轉速—轉矩、轉速—功率曲線，如圖 9（a）、（b）所示，與圖中曲線對應不同Ld、Lq取值情況見表1。

圖9 不同凸極率下的轉矩和功率曲線

表1 Ld、Lq取值情況

對比#1到#3曲線可知，隨Ld、Lq增大，恒轉矩區輸出轉矩略有增大，但恒轉矩運行范圍也變窄；而由#3和#6曲線可以看出，在恒功率運行性能相近的情況下，凸極率提高時，恒轉矩性能有了很大的提高。由#2和#5曲線可知，無論凸極率如何取，使永磁磁鏈Ψf和直軸電感Ld標幺值相等，在弱磁高速運行時，都能保持電動機輸出功率恒定而不迅速降低，并保持一個較大的擴速范圍。可見，電動機Ld、Lq選取的最優原則應該是Ld取大但又要接近Ψf。但Lq＞Ld的電動機在恒轉矩區具有更好的運行性能，它的輸出轉矩和功率均比Ld＞Lq的電動機高出很多，故而更適合恒轉矩區負載大，調速范圍也較大的場合。

3.2 轉子結構參數對電動機弱磁擴速的影響

不同的轉子磁路結構，直交軸電感等參數不同，從而影響電動機的運行性能。作為電動汽車驅動用電動機，為增大轉矩密度，應增加其永磁體用量，而徑向永磁體結構無法充分利用轉子內空間，顯然是不合適的，因此多采用U型及V型轉子。清華大學許家群等以輕型客車用7.5kW PMSM為例，運用有限元方法，分析了轉子磁路結構對驅動電動機性能的影響，指出電動汽車驅動用PMSM的永磁體結構應綜合考慮電動機的弱磁能力、抗退磁能力、機械強度以及對磁阻轉矩的利用等方面[22]。其實驗主要對瓦片型和U型轉子結構進行分析，轉子結構對比如圖10所示。

圖10 電動汽車用PMSM轉子結構類型

由理論分析可知：直軸電感Ld的大小直接決定著電動機的弱磁調速能力，仿真中將轉子d軸與定子A相繞組軸線重合后可加載最大直軸電流。實驗表明U型結構轉子最大直軸電流時的電感是瓦片型結構的1.18倍，具有更強的弱磁能力。在相同的直軸去磁磁動勢下，前者使氣息磁密減少了 62.1%，而后者只減少了 46.5%，故而在獲得相同的弱磁性能時，U型結構只需更低的直軸電流，這就意味著有更大的交軸電流以提供有功功率；最大交軸電流時，U型轉子結構電動機同樣比瓦片型轉子結構電動機具有更大的交軸電感。此外，U型結構具有更大的永磁體擺放空間，有利于設計較大的漏磁系數，利于弱磁，在抗退磁能力方面，兩種結構的電動機相近。可見，U型轉子結構比瓦片型轉子結構電動機具有更好的弱磁性能。

由前文及電動機理想最高轉速式（5）可知，電動機的弱磁擴速能力與永磁磁鏈Ψf及直軸電感Ld直接相關。同時，氣隙長度δ、永磁體充磁方向長度hM、空載漏磁系數δ0參數及轉子磁極結構的選擇，均對電動機的直交軸電感Ld、Lq有著較大的影響。為探索這些參數對電動機弱磁能力的影響，對電動機進行優化，提高電動機的擴速范圍，學者們也作了相應的研究。

一般情況下隨氣隙長度δ的增加，直交軸電感有所減少。隨永磁體充磁方向長度hM的增加，直軸電樞反應電抗Xad減少，且氣隙長度δ對Xad的影響逐漸減少；而氣隙長度δ對Xaq的影響比對Xad的影響要大。故而內置式PMSM氣隙長度不宜過大，否則導致直軸電感較小而弱磁能力不足，電動機調速范圍窄。文獻[23]指出，當氣隙和隔磁磁橋長度適當增大時，空載漏磁系數增大，利于弱磁擴速。電機設計時，為盡可能獲取較大的直軸電感，應選擇合理的氣隙長度和永磁體磁化方向長度，使直軸電感和漏磁系數合理配合，獲得良好的擴速性能。

3.3 電機參數誤差對電動機弱磁性能的影響

在進行弱磁控制的過程中，若控制算法使用的電動機參數與實際參數之間存在誤差，對電動機弱磁能力的實現有較為明顯的影響。浙江大學陳陽生、諸自強，英國謝菲爾德大學D. Howe等人，結合電動機控制策略，以一臺6極無刷直流電動機為例，研究了反電勢E（永磁磁鏈Ψf）、直交軸電感Ld和Lq定子繞組電阻R1、直流母線電壓Udc等對永磁同步電動機弱磁性能的影響[24]。在高速區弱磁運行狀態，控制算法所用反電勢值E等于或稍大于測量的實際值時，電動機實際直交軸電流id和iq可以精確地跟蹤控制器指令電流。而前者低于后者時，電流誤差顯著增大，且基值轉速有所增大，恒功率調速范圍增大，但輸出轉矩略有減少。弱磁運行狀態下，運用于控制算法的Ld較實際值低時，其弱磁能力迅速下降，但q軸電感的參數誤差對弱磁能力的影響則不太明顯。

4 采用控制算法進行弱磁

隨著永磁同步電動機矢量控制和直接轉矩控制方法的日漸成熟，除優化電動機結構和磁路設計外，還可以從控制策略入手，通過合適的控制算法，實現永磁同步電動機的弱磁控制，以下將介紹幾種較有代表性的弱磁控制方法。

4.1 超前角弱磁控制

控制超前角即控制定子電流中的直軸去磁分量id以實現弱磁。由圖 1中電流向量圖可知，γ為電流超前角，id=issinγ，iq=iscosγ，恒轉矩運行時使γ為0。進入弱磁區后，控制γ增大，id隨之增大，實現弱磁。實際運行中，γ的輸入由PI調節器給定。

針對傳統超前角控制方法在電動機由恒轉矩運行向弱磁運行過渡時，產生d、q軸電流振蕩，進而導致速度滑坡，文獻[25]提出一種改進型超前角弱磁控制算法。該方法采用一種運算量較小的SVPWM過調制算法，以零電壓矢量作用時間T0是否小于零作為過調制起始點的依據，在逆變器直流側電壓不變的前提下增大其交流電壓輸出，提高電壓輸出能力，改善動態性能；而針對弱磁區穩態運行時制定子輸入電壓，導致輸出功率下降，文獻提出采用q軸電流誤差閉環來代替電壓閉環的方法，在弱磁區將 q軸電流誤差Δiq輸入PI調節器生成超前角γ，并由此計算出新的id、iq，在運行時，需注意限制id使其小于電動機最大去磁電流。

4.2 電流調節器法

傳統的電流調節器算法基于磁場定向，包含兩個電流調節器，即一個交軸電流調節器和一個直軸電流調節器，電流調機器包含電壓補償環節和前饋解耦環節，控制過程中，交軸電流取決于角頻率給定值和實際值之間的差值，定子電流由最大轉矩電流比控制方案決定。式（7）為 PMSM 交軸電壓方程。由方程可知，在弱磁狀態下的某一轉速ωr運行時，uq受ulim限制，id、iq相互耦合，無法獨立控制。由于電壓限制，隨著電動機轉速的上升，電流調節器逐漸飽和，id系數（斜率）絕對值變大，直交軸間的耦合逐漸加強，導致控制效果變差。

為解決這個問題，學者們轉而利用這種耦合作用，提出單電流調節器弱磁控制，即僅控制直軸電流，完成弱磁控制。比較具有代表性的是電流耦合調節定交軸電壓（CCR-FQV）和改進后的電流耦合調節變交軸電壓（CCR-VQV），前者固定交軸電壓指令，但無法充分利用直流側電壓，效率和負載能力下降，調速范圍也變窄；后者隨電動機工況改變交軸電壓指令，但其魯棒性較差。

針對以上兩種控制方法所出現的問題，文獻[26]提出一種改進的CCR-VQV方法。當電動機工作在弱磁狀態下某一轉速rω的最優工作點時，其交直軸電壓必然滿足電壓極限公式，從而其交軸電壓指令可由式（8）給定。

如此在電動機弱磁運行時，交直軸電流可以同時滿足式（2）、式（3）、式（7），工作點時鐘被固定在電壓極限橢圓上，使直流側電壓得到充分利用。同時該方法具有魯棒性強，無需查表，便于移植的特點。

4.3 前饋弱磁

針對恒轉矩區向弱磁區轉換時產生的直交軸電流振蕩、轉速、輸出功率滑坡，Thomas. M. J[27]提出前饋弱磁方案。文獻[28]提出通過電流解耦控制和給定電壓補償的方法對電動機進行控制，能夠在直流母線電壓、電動機轉速及負載變化較大的情況下實現向弱磁區的切換，但該方法對電動機參數的依賴性較高。

文獻[29]提出一種基于前饋控制的弱磁控制策略，將直、交軸電流隨轉矩及定子磁鏈的變化關系制成表格，在電動機運行過程中，根據轉矩及定子磁鏈的參考值通過實時查表得出電動機直、交軸電流給定值；同時針對運行過程中電動機參數的漂移問題，在前饋控制基礎上疊加基于輸出電壓的閉環控制。實驗表明，該方法具有較快的動態響應速度，可以滿足系統要求。

4.4 過調制方法

過調制算法根據零電壓矢量的作用時間判斷過調制的起點，查表確定調制比，實現SVPWM過調制算法。文獻[30]將電壓閉環控制運用到過調制算法中，提高了母線電壓利用率，同時也提高了轉折速度和弱磁區的輸出轉矩和輸出功率，盡可能挖掘電動機輸出潛力。

4.5 六步電壓法

文獻[31]還提出六步電壓法，屬于較早起的弱磁方法，通過調節電動機的功角來調節電動機的輸出轉矩，實現了對直流母線電壓的最大利用，但是這種方法需要估算定子磁鏈，且對電動機參數和負載條件較為敏感，魯棒性較差。

5 結論

作為電動汽車牽引電機，必須具有轉矩、功率密度大、調速范圍寬、系統效率高、適應環境能力強、電磁兼容性好等特點，此外還需考慮電動機的制作成本和使用壽命等。

本文從電機本體結構和控制策略兩方面綜述了近年來永磁同步電動機弱磁性能的研究發展狀況。電機結構的創新，雖然一定程度上提高了電動機的弱磁運行能力，但其結構的復雜為控制帶來困難；而當前各種控制算法中也存在諸如對電機參數的依賴性、計算轉矩輸出需要知道功角、需要估算定子磁鏈等問題。如何從本體結構和控制策略兩方面結合，尋找既適于弱磁運行，又易于進行弱磁控制的電動機成為未來研究的重點方向。本文介紹的新型結構電動機的各種弱磁思想，為后續的電動汽車用的永磁同步電動機研究提供思路，讀者可綜合考慮自身實際運用場合及性能要求，采取適宜的結構實現弱磁。

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