探討車用內置式永磁電機損耗最小簡易控制

吳 昊，蘇錦智

（1.海軍裝備部駐西安地區軍事代表局，陜西 西安 710000；2.包頭長安永磁電機有限公司，內蒙古 包頭 014030）

0 引 言

汽車是當前人們交通出行的重要代步工具。汽車工業發展過程中，機械系統通過電力輸出動力更加節能和環保。而電力系統設計應用過程中，合理應用內置式永磁電機可以更好地促進汽車電力系統的動力能轉換。內置式永磁電機日常工作時會有一定的損耗，影響電機工作，造成較大的能源浪費。在實際應用內置式永磁電機時，需分析永磁電機的損耗最小控制策略，這對電機裝置的整體優化具有重要意義。

1 汽車內置式永磁電機簡要闡述

汽車內置式永磁電機（Interior Permanent Magnet Synchronours Motor，IPMSM）是車輛中的重要裝置，主要完成汽車電能驅動和轉換，為汽車運行提供電力能源。此外，它對合理控制汽車運行也有非常重要的作用。汽車內置式永磁電機主要包括永磁材料、機座、定子鐵芯、風罩、轉子鐵芯以及端蓋等。這些結構裝置確保電機應用更加有效，最大程度地提升了內置式永磁電機的使用效果。內置式永磁電機主要利用狀態反饋線性化結構原理，利用解耦器、解耦矩陣、Park Clarke變換裝置、速度和位置檢測單元、SVPW單元以及整理單元等器件來完成驅動。系統電流通過后，利用調節器完成電力調節和控制，解耦器、Park逆變裝置以及SVPW單元進行反饋線解耦，確保內置式永磁電機完成電力驅動，為汽車提供充足的電力動力。

2 汽車內置式永磁電機損耗分析

內置式永磁電機在實際應用過程中存在一定的損耗，導致電機運行效率下降，從而影響系統的實際工作效率。當前內置式永磁電機損耗主要包括鐵芯損耗和電機銅損。

電機銅損是永磁電機的重要損耗，主要包括基礎銅損耗和附加銅損耗。基礎銅損耗為電流流過定子繞組和轉子繞組在導線電阻上產生的損耗。附加銅損耗為交流電在定子繞組上因趨膚效應和鄰近效應引起的額外損耗以及定子繞組各股線之間的循環電流引起的雜散銅損耗。二者相加對整個電機的運行造成了嚴重的損耗影響。電機損耗控制過程中要完成銅損耗的精準計算，主要計算公式為：

式中，Iu代表定子電流；Rcu代表75 ℃下定子電阻值；Qcu代表銅損耗。實際損耗設計中需確保損耗最小值控制設計的合理性，這樣才能提升損耗控制效果。

鐵芯損耗是永磁電機運行過程中的常見損耗，占汽車發電機總體損耗的大部分。發電機鐵芯損耗主要是主磁通在定子鐵芯內產生的磁滯損耗、渦流損耗以及附加損耗等。在電機損耗控制過程中，鐵芯損耗是主要內容，其計算公式為：

式中，PFe代表內置式永磁電機鐵損；Rc代表等效鐵損電阻；icd2和icp2為鐵損耗電流。通過計算鐵損耗，確保鐵芯損耗控制設計更加合理。

內置式永磁電機的總損耗為銅損耗和鐵損耗之和，實際的鐵損耗設計過程中，共同控制銅損和鐵損，有效開展損耗控制工作，以提升損耗控制效果[1]。

3 汽車內置式永磁電機損耗最小簡易控制方案

內置式永磁電機損耗最小控制就是在實際的電機設計過程中合理掌控電機，最大程度地提升電機的工作效果，確保電機高效運行。本文在內置式永磁電機損耗最小簡易控制過程中，針對性提出了3種損耗控制方案，分別是id=0、MTPA控制以及LMC控制。

id=0指將等效在同步旋轉坐標系d軸的電流值控制為0，從而實現對鐵損耗電流的有效控制，達到內置式永磁電機損耗最小簡易控制的目的。

MTPA控制是指對內置式永磁電機最大轉矩比電流的控制。其控制轉機轉速為1 000～2 500 r/min，通過控制實際的轉子轉速來控制整體電流的速度，同時合理掌控永磁電機[2]。

LMC控制利用損耗最小計算結構來設計反向電子轉子，確保永磁電機損耗設計的應用更加有效。3種技術方案的設計應用，確保汽車內置永磁電機損耗最小控制。而在本次研究過程中，為了驗證3種方案的損耗控制效果，利用MATLAB/Simulink建模環境完成系統損耗測試，從而實現對系統損耗的策略控制，確保系統損耗控制更加有效，也能夠在最大程度上提升內置式電機的控制效果，確保電機控制展開更加有效，最大程度上提升電機控制效果。

4 汽車內置式永磁電機損耗最小簡易控制策略對比分析

4.1 汽車內置式永磁電機損耗最小控制方案對比

為了驗證3種汽車內置式永磁電機損耗控制的效果，利用MATLAB/Simulink模型進行數據對比分析。內置式永磁電機損耗的原始參數如表1所示[3]。

表1 MATLAB/Simulink模型中內置式永磁電機損耗參數

具體的MATLAB/Simulink仿真實驗過程中，設定3種不同的電機工作參數，計算各方案的損耗控制。

在實際的模擬中設置電機轉速為2 500 r/min，額定轉矩為76 N·m。通過仿真實驗和模擬數據分析發現，3種方案的損耗控制分別為93.63%、93.62%以及93.73%。控制效率最好的為LMC控制策略，其電機損耗值最小。

在實際的模擬中設置電機轉速為1 000 r/min、設計額定轉矩為76 N·m。通過仿真實驗和模擬數據分析發現，3種方案的損耗控制分別為85.6%、85.8%以及85.84%。控制效率最好的為LMC控制策略，其電機損耗值最小。同時通過本次實驗可以發現，在額定轉矩沒變而電機轉速下降1 500 r/min的情況下，3種方案的電機損耗控制效率都受到了較大的影響。

在實際的模擬中設置電機轉速為1 000 r/min、設計額定轉矩為40 N·m。通過仿真實驗和模擬數據分析發現，3種方案的損耗控制分別為91.8%、91.9%以及92.1%。控制效率最好的為LMC控制策略，其電機損耗值最小。本次模擬實驗中電機轉速不變，減少實際的額定轉矩，3種方案的控制效率都有不同程度的減小，但是LMC控制效率的降低幅度相對較小，說明其受到的影響比較小[4]。

4.2 具體實驗結果分析研究

實驗展開過程中，通過改變額定轉矩或電機轉速對比3種電機損耗控制策略的效果，得出以下結論。一是在不同的轉機轉矩和轉速條件下，LMC策略效率最高，能夠完成內置式永磁電機損耗最小控制。二是額定轉矩和電機轉速的變化對3種方案的損耗控制效率都有一定的影響，轉速減小或額定轉矩減小都會造成3種方案的控制效率降低。三是實驗中電機轉速變化時，3種方案的損失控制效率下降幅度較大，而額定轉矩減小時，3種方案的損耗控制效率下降幅度相對較小，這說明電機轉速的變化對內置式永磁電機損耗最小控制策略具有重要影響[5]。

5 結 論

本文以具體方案設計和方案分析完成了車用內置式電機損耗最小簡易控制策略探討，希望能夠對車用內置式永磁電機損耗控制有所幫助。