基于電動車載永磁同步電機的溫度-性能簡易試驗平臺

鄭少鵬 黃景鵬 紀毓敏 蔣翠翠

（1.廣東交通職業技術學院 廣東省廣州市 510600 2.廣州必維技術檢測有限公司科學城分公司 廣東省廣州市 510000）

最近幾年以來，伴隨著電子電力技術、微電子信息技術、全新電機設備操作控制原理與稀土永磁材料的技術演進趨勢，永磁同步電機也得到了迅速推廣。該電機采用的是一種嵌入式磁阻的徑向，以相復勵勵磁的原理進行分流，具有強大的過載能力，穩定的轉動慣量，優秀的啟動性能，足以滿足許多啟動扭矩的要求。所以，目前業內普遍認為永磁同步電機是更為適合新能源汽車的電機類型，同時認為該類型電機技術仍有較大的繼續發展空間，現在國內外對于大功率的永磁同步電機的溫度測量是越發重視。通過提升相關的技術來使電機的性能與新能源汽車有更好的配合度，從而提高整車性能。

1 永磁同步電機的結構

永磁同步電動機的主要結構包括了固定部件定子、端蓋、冷卻水道，旋轉部件轉子、電機軸、前后軸承、以及旋變傳感器、溫度傳感器、低壓線束和動力線束等電氣組件。

2 永磁同步電機的特點

2.1 技術優勢

永磁同步電機的轉子結構雖然滿足了徑向轉子結構和切向式轉子結構等優點，卻也造成了結構和制造工藝的復雜性，制造成本也相應的進行提高。

（1）用永磁體替代繞線式同步電機轉子中的勵磁繞組結構，這樣即可省去了勵磁線圈、集電環的功率消耗，通過以電子換相實現無刷運行，這樣的組成結構更為簡易，且運行更加可靠穩定。

（2）永磁同步電機的實際轉速和工作電源頻率間始終維持著同步關系，并且工作角度精準可控，從而使控制電源頻率就能控制電動機的實際轉速。

（3）永磁同步電機具有很強的機械特性，對于因負載的變化而產生的電機轉矩擾動具有較強的自身抗擾能力，瞬間最大轉矩可以提升至額定轉矩的3 倍以上，適合在較大的負載轉矩變化范圍下運行。

（4）由于永磁同步電機的轉子材料是永久磁鐵，所以不需要額外的勵磁，這使得永磁同步電機能夠在很低的轉速下維持同步運行的狀態，以及能夠在較寬的范圍內實現調速。

（5）永磁同步電機與交流感應（異步）電動機相比較，不需要額外的勵磁電流，因而功率因數高，降低定子電流和定子的銅耗，提高工作效率。

（6）隨著高性能永磁材料的技術應用的迭代進步，永磁同步電機的功率密度得到很大的提升，與同等容量的交流感應（異步）電機相比較，在體積上和質量上都有很大程度的降低，使其在許多特殊場合的適應性更強。

（7）結構多樣化，應用范圍廣。永磁同步電機由于轉子結構的多元化，產生了特點和性能存在異同的電機類型，從第二產業到第一產業，從民用到國防軍事，從生活到航空航天，從簡易電動工具設備至高科學技術商品，基本上隨處可見。

2.2 技術瓶頸

（1）功率密度：功率的提升有兩種方法，一種是通過提高輸出扭矩，另一種是通過提高轉速。前者主要問題是由于工作電流過載，造成發熱量過高，從而給散熱造成較大壓力；后者是高速時會造成鐵磁損耗大，需采用高性能低飽和矽鋼片，從而使成本增加；或者采用復雜的轉子結構來降低磁損，但又影響功率密度。

（2）材料方面：永磁材料是制約永磁同步電機性能提升的重要原因，目前行業內常用的永磁材料是釹鐵硼，其主要存在溫度穩定性差、不可逆的熱損失和高溫下導致磁性能損失嚴重等缺點，進而影響電機使用性能。

（3）生產工藝：永磁同步電機在生產工藝方面的難題，是大規模配套乘用車的約束條件。由于永磁同步電機生產企業缺乏產業化的基礎積累，國內企業生產不良率較高，無法達到乘用車企業的質控要求，特別是伴隨純電動乘用車交易市場競爭規模的擴增，十萬級的年生產總量，給永磁同步電機創造了強大的嚴峻挑戰。

3 基于電動車載永磁同步電機的溫度-性能簡易試驗平臺的設計原理

3.1 設計意圖

電機溫度是反映電機運行狀態最基本的參數之一。本文選擇的研究對象是永磁同步電機，該類電機在工作運行時通常是變頻驅動的方式，所以其磁場中的諧波含量較多，更容易出現發熱以及形變的現象。

在新能源汽車專業技術轉化升級過程中，主流的冷卻技術有自然風冷和液冷兩種，其中液冷包括水冷和油冷，油冷是一種將電機浸入到油冷室中來降低溫度的技術手段。從多個方面對比水冷和油冷的冷卻效果，目前油冷是效果最好的一種冷卻模式，其缺點則是油會因為產生油膜產生摩擦從而降低電機的效率。

所以，本文研究的基于電動車載永磁同步電機的溫度-性能簡易試驗平臺，該平臺可以對比不同的冷卻介質對電機性能的影響。由于，從實際車輛上進行測驗的難度和危險系數相對比較高，同時整車的冷卻系統不僅對電機進行冷卻、同時還包括PTC、電機控制器和動力電池包的冷卻，所以影響溫度-性能的因素較為復雜。通過本試驗平臺可以對電機的進行獨立的試驗，測試出電機的最佳性能，以及實時監測電機性能受溫控系統的影響效果。

3.2 設計方式

本文設計的基于電動車載永磁同步電機的溫度-性能簡易試驗平臺是將多個不同的零部件結合，搭建模擬不同的環境條件，控制不同負載工況的永磁同步電機，通過傳感器監測電機的工作效率，從而得到溫度與電機性能的關系曲線。

設備的選用為當今社會主流應用的類型，其中，試驗電機選用精進電機OD220 電機和P2 控制器，應用該電機的純電動汽車車型有廣汽傳祺GE3，北汽EU260，奇點汽車is6。

磁粉式制動器：是一類性能良好的自動化控制管理設備元件，是通過機械傳動單元和從動單元合并組成。它以磁粉作為工作介質，以激磁電流為控制方式實現控制制動或傳遞轉矩的目的。其輸出扭轉力矩與激磁電流呈良好的線性相互關系，并具有響應速度快、結構簡單等優勢，用于本測試實驗應用平臺的電機負載模擬。

兩臺泵體電機，其中一臺是用于冷卻液的冷卻液泵，另一臺是用于冷卻油的油泵，通過不同的冷卻類型對比其冷卻效果曲線。

整體的平臺設計采用軟件、硬件相結合，其中軟件采用的是Labview，可以應用于硬件在環和操作軟件界面的設計，搭載的是Windows 7 系統。

3.3 機械結構

根據電機的結構，其電機殼體與其冷卻管道為一體，通過對其冷卻管道通入的冷卻介質，控制冷卻介質的溫度，可以快速模擬其不同的工作溫度環境。其轉子結構為單邊軸結構，通過測輸出軸端的轉速，則可以測得其輸出功率的反饋，表1 為試驗電機的主要技術參數。

表1：驅動電機主要技術參數

本試驗平臺整體外部支架采用的是鋁型材，采用該材料的主要原因是安裝固定方式簡單且穩固。由于電機本身的質量比較大，將其放置于實驗臺的底部；電機的輸出軸端與加載裝置——磁粉制動器連接在一起，通過控制不同的加載量，模擬的電機不同的負載工況，將其與驅動電機安放于同一水平位置。中間層放置兩個儲水盆，一個用于裝盛加熱的冷卻介質，模擬出不同的溫度工況，此時的電機的溫度由其本身的溫度傳感器測得數據，另一個用于的通入未加熱的冷卻介質，模擬對電機進行冷卻降溫，以此對比出不同的溫度工況下驅動電機的輸出性能，相應的管道為并聯連接，不同的儲水盆的輸入／輸出管路都有相應的單向閥體控制冷卻介質的流動。上層安裝相應的試驗控制裝置，電機控制器、加載控制器、采集卡、PC 機。

3.4 電動車載驅動系統控制技術實驗原理

根據純電動汽車動力學的結構及其驅動系統的控制原理，結合各項所需元器件設計了永磁同步電機的溫度-性能簡易試驗平臺，基于該平臺進行了基于單位溫度變化的電動車載驅動系統控制技術實驗，其原理如圖1所示。

圖1：基于單位溫度變化的電動車載驅動系統控制技術實驗原理

其中，動力電池為試驗所用的電機電源，能量經過電機控制器將其傳送給驅動電機；其中磁粉制動器通過聯軸器和扭矩傳感器與驅動電機相連，其主要目的是為驅動電機提供不同的負載轉矩，用于模擬不同的工況，同時可以測量輸出轉矩和轉速。在實驗過程中，控制系統給予一定值作為電機的轉速信號，通過CAN 通訊卡發送給驅動電機的控制器，而后電機控制器控制驅動電機按照給定的轉速旋轉；控制系統根據驅動電機負載轉矩的表達式，通過CAN 通訊卡發送給磁粉制動器控制器轉矩指令。與此同時，數據采集卡將采集的動力電池電壓、電流信號以及扭矩信號傳送給給控制系統進行數據處理分析；而電機控制器通過CAN 通信卡，將實驗過程中電機轉速信號傳送給控制系統進行數據處理分析，控制系統根據預測的關系，將其轉化為電機轉速數據并保存下來，為后續的實驗進行比對。

數據采集系統與PC 上位機通訊模塊程序如圖2所示，通過NDAM-9000 通訊模塊和NDAM-3402 采集模塊進行數據集中處理傳輸，其主要功能是接收數據數據采集系統采集到的動力電池電壓和電流、電機扭矩和溫度信號。

圖2：數據采集卡與工控機通訊模塊程序

實驗結果數據記錄與保存模塊程序如圖3所示，其主要作用是將實驗過程中驅動電機負載轉矩、轉速數據保存為Excel 文件并保存至指定文件夾。該系統主要由上位機作為記錄工具，通過安裝在各個零部件上的數據采集器，進行數據采集，應用邏輯電路分析記錄數值，并保存數值。

圖3：數據記錄與保存模塊程序

4 基于電動車載永磁同步電機的溫度-性能簡易試驗平臺的使用

本節主要根據電動車載永磁同步電機的溫度-性能簡易實驗平臺的控制技術原理以及實驗平臺的組成結構，下面介紹其實驗過程步驟：

由于實驗電機可控制其設計電壓轉變，同時為使實驗數據更接近真實車輛的運行過程，因此電源采用從純電動車輛上的動力電池直接取其直流電作為電機控制器的直流輸入端。由于純電動汽車的直流電受相應車里的主機控制模塊的管理與控制，所以應從車輛的高壓配電裝置進行取電，并且同時要起動車輛，當車輛處于正常起動狀態，同時要設置好安全保險絲和安全開關，穿戴好防護裝置，其主要目的是為了保護自身的人身安全，特別是要注意高壓的用電安全。

打開動力電池供電開關、實驗平臺控制系統開關電源、磁粉制動器及控制器電源，而后打開實驗臺架的PC 上位機，并在PC 上位機桌面建立實驗數據保存文件夾，方便實驗數據的整理與歸檔；進入軟件設置界面，將“試驗項目”子菜單中的驅動電機工作模式選為“正轉電動”；下一步進行設置驅動電機最高轉速“輸入轉速1”和設置最大輸入轉矩--“最大輸入轉矩1”；其中設置的加載電機最高轉速“輸入轉速1”設置為3500r/min，最大輸入轉矩--“最大輸入轉矩1”設置為250Nm；最后設置加熱儲水盆的預熱溫度，以及電機的加速曲線。

起動試驗平臺開始實驗，先讓驅動電機按照預定的加速曲線運行一段時間，然后再通入預加熱好的冷卻介質，從而監控溫度的變化對電機的轉速和功率的影響；然后當溫度達到設定值時，關閉預加熱冷卻介質的通入，然后通入未加熱的冷卻介質，觀察電機是否的運行狀態是否會回到原與設定的曲線，通過數據生成對比曲線，得出電機的溫度對永磁同步電機性能影響。