新能源汽車永磁同步電機及控制系統的設計應用研究

韓新江

摘要：隨著全球環境壓力的不斷加大，新能源汽車已成為全球汽車產業升級換代的主要發展方向，電池技術、電機技術、整車控制技術作為新能源汽車的三大核心技術，在汽車應用方面有了更高的要求，研究開發新型新能源汽車專用電機和控制器系統，對于我國民族汽車工業發展，具有十分重要和深遠的意義。隨著永磁同步電機各應用領域的快速發展，本文以永磁同步電動機設計和控制系統算法設計為對象展開研究，發現永磁電機在新能源汽車行業具有良好的市場應用前景。

關鍵詞：新能源汽車；永磁同步電機設計；參數控制；仿真分析

1引言

2017年4月工業和信息化部、發展改革委、科技部聯合印發《汽車產業中長期發展規劃》我國汽車產量仍將保持平穩增長。預計到2020年，我國新能源汽車生產能力達200萬輛，2016年新能源汽車銷量達到57萬輛，受益于新能源汽車市場規模的不斷擴大，新能源汽車專用永磁同步電機的產銷量也隨之增長。

永磁同步電機因其動力性強、能耗低、體積小、能量密度高等特點，其適用范圍越來越廣泛，但是由于車輛使用的特殊性、復雜性，汽車對電機運行的穩定性精度要求越來越高，因此對永磁同步電機的性能和控制的設計也提出了更高的要求。

2新能源汽車永磁同步電機的設計研究

日本1965年就開始研制電動車，德國第三代奧迪混合電動車驅動電機采用了永磁同步電機。世界各國研發使用的電機各自有各自的優點和缺點，在系統匹配上歷時時間長，與現有的車輛研發生產工藝條件等情況有不足之處，因此為了能夠全面、系統的進行新能源汽車永磁同步電機設計，需要從電機定子、轉子、弱磁控制、模擬仿真等方面進行研究：

2.1電機結構設計

2.1.1電機定子結構設計

（1）長徑比選擇

在電機設計過程中，隨著電機長徑比的增加，體積增大，轉子體積不變，轉子轉動慣量降低，電機用銅量增加，通過合理選擇電機長徑比，提高電機功率密度。

（2）極對數選擇

在電機槽極比不變的情況下，隨著電機極對數的增加，電機定子鐵芯軛部用鐵量減小，電機體積減小；隨著電機極對數的增加，電機輸入電流頻率增加，電機鐵耗增加，效率降低。在高速電機設計中，合理選擇電機極對數，能夠適當提高電機功率密度。

（3）電負荷選擇

在電機熱負荷一定的情況下，隨著電負荷的增加，電機轉子體積減小，轉動慣量降低，定子外徑先減小后增加，同時電機用銅量不斷增加。合理選擇電機電負荷，綜合電機鐵芯質量和用銅量，才能實現電機質量最優化，提高電機功率密度。

（4）定子槽型選擇

在電機定子槽型結構設計中，定子磁路不存在磁密奇點，為均衡定子軛部各位置磁密，形成均勻旋轉磁場，改善軛部和齒部與軛部交接處磁路，改善繞組漏感，并方便嵌放成型繞組，通過對槽型分析計算、性能評估、樣機工藝試制與試驗評測，最終發現半開口梯形槽設計符合設計要求。

2.1.2電機轉子設計

（1）電機氣隙長度選擇

從永磁同步電機電磁性能上來說，氣隙長度越小，電機功率因數變大，電機效率增加，轉矩密度增加，電機弱磁調速范圍變寬，但同時也容易產生振動和噪聲，而氣隙長度太小，又很難保證電機運行時的同軸度，電機運行的可靠性會降低，同時電機裝配難度提高。因此在氣隙長度選擇上，應綜合考慮電機振動、噪聲、氣隙磁密、雜散損耗以及裝配工業和生產成本。

（2）永磁體布局方式選擇

在永磁電機轉子永磁體布局方式選擇過程中，通過利用電機有限元仿真軟件進行設計與仿真，可以看出V型內置式結構永磁體利用率最高，可使永磁體勵磁集中，漏磁減少，同時高速低轉矩設計，電機轉子每極空間大、交直軸電感均大幅度提高，電機弱磁范圍寬，并且在很高轉速時，仍然能夠輸出較大功率。

（3）轉子表面氣隙結構設計

為達到永磁同步電機平穩運行轉矩的目標，需要解決氣隙磁密波形中諧波含量多的問題，它對永磁同步電機的轉矩脈動、震動噪聲、效率等影響是非常大，需要進一步對永磁同步電機進行優化，提高氣隙磁密和反電勢正弦性。

2.1.3電機溫升與振動

（1）電機溫升

電機電磁設計的實質從溫升限值出發，確定電機各部分的幾何尺寸，電機溫升也是除磁路飽和外限值電機輸出轉矩的重要限值因素。在電機設計過程中，通過利用ANSYS軟件，對電機溫升進行仿真，分析電機額定轉速空載定子鐵芯、繞組和電機額定負載時電機定子溫度分布得出結論，可以通過合理設計電機各部分材料、結構以及尺寸，優化設計電機機殼表面結構并選擇高性能電機冷卻方式，是降低電機溫升的兩個主要途徑，也是降低電機溫升的兩大難點，見上圖。

（2）振動和噪聲

電機噪聲一般由磁通振蕩產生，由于永磁同步電動機磁極質量集中，在磁拉力和集中力的相互作用下，電機座體容易產生振動。在電機設計中，主要通過優化磁極系數和轉子磁極形狀減少了磁通振蕩和振動電磁力。

其次，電機端蓋、定子、轉子產生共振也會引起噪聲，通過NVH特性曲線分析得出結論：雖然不能完全避免共振，但是通過防止齒頻與固有頻率的一致程度，使機殼、端蓋的固有頻率高出130%以上，電機軸的最高轉速高于額定轉速35%以上就可以避免共振產生。

2.2永磁同步電機控制策略的研究

純電動車輛行駛中，電機控制器的控制策略和車輛行駛時的路面、駕駛員本身以及車輛自身具有密切關系，需要進行綜合分析之后才能達到較好的控制效果。

控制器硬件部分主要由主電路、控制電路、采樣及檢測電路組成，主電路的核心部件是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊，控制電路以英飛凌汽車級芯片TC1797為核心，構成全數字矢量控制系統，同時還具有多種故障檢測及保護功能。控制器軟件程序主要由控制主程序和PWM中斷服務子程序組成：主程序初始化、參數設定、過壓、過流保護等功能；PWM中斷服務子程序完成電流采樣，轉速計算，矢量變換和PwM輸出等功能。

為了提高系統的動態性能，控制器中采用空間矢量脈寬調制（SVPWM）算法，不僅使電壓利用率得到提高，還可以減少電流輸出諧波和電機的轉矩脈動，并且容易數字化的實現。在每個PWM周期內對部分PWM脈寬進行修正，有效改善由死區效應引起的輸出波形畸變，減小誤補償隨時間積累所產生的影響，在基速以下的恒力矩區采用了MTPA控制算法，實踐證明這種算法在0Hz可提供200%的零速轉矩，為了實現精確穩定控制，還要設計檢測電路，主要采用的是霍爾（HALL）傳感器和旋轉變壓器對電流及轉速進行檢測，以獲得實時的電機參數。

采用空間矢量脈寬調制（SVPWM）算法，再加上檢測電路的實時數據，可以使得控制器及時的獲取電機運行參數和整車運行參數，整個控制器系統采用速度和電流雙閉環控制，內置速度控制閉環能夠實現轉速無靜差調節的目的，內置電流控制環使轉矩響應時間<10ms，實現1%高精度閉環控制，滿足對電流和頻率輸出的更高穩定性及更高精度的要求，能夠實現快速響應，保證電機和車輛平穩運行。

3結語

永磁同步電機在新能源電動車上的應用范圍在快速增加，電機性能的優劣和控制系統的匹配在未來應用過程中，還有很長的研發道路要走，本文通過在電機設計過程中，利用多種電磁和結構分析方法，對電機定子、轉子、電機軸以及機殼和端蓋結構尺寸進行設計和優化，同時利用多種電機分析軟件，對電機的機械強度、振動噪聲以及溫升進行了分析和驗算，并在控制算法上對電機控制進行了分析和試驗評估，在保證了電機運行的安全性、可靠性和整車舒適性的基礎上，實現了電機輕量化、高速化以及高效化，在新能源汽車行業驅動控制系統方面具有良好的應用價值。