汽車永磁同步電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)挑戰(zhàn)

彭蕾 黃曉東 李春霞 李小麟 王凱

摘 要：20世紀(jì)隨著釤鈷永磁體和釹鐵硼永磁體的相繼研制成功，永磁同步電機(jī)成為電機(jī)領(lǐng)域不可或缺的主要角色。本文分析了汽車用永磁同步電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及遇到的難題，指出國內(nèi)外汽車領(lǐng)域因稀土資源對永磁電機(jī)需求的差異，列舉了高熱、振動對永磁同步電機(jī)永磁體退磁的影響，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18488-2015分析了不利因素對試驗結(jié)果的影響。總結(jié)了目前主流的解決技術(shù)，即通過建立熱量模型設(shè)定溫度上限，利用傳感器、信號傳輸、計算機(jī)控制結(jié)合在力矩控制、位置、速度上做到精確管理。

關(guān)鍵詞：汽車，永磁同步電機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)，電機(jī)控制

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.05.034

0 引 言

永磁電機(jī)是世界上出現(xiàn)的第一種電動機(jī)產(chǎn)品，是汽車領(lǐng)域驅(qū)動的核心部件。20世紀(jì)90年代，豐田汽車公司研制的某型汽車就搭載了功率最大為50kW，轉(zhuǎn)速最大為1300r/min的永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)，該電機(jī)是由東京電機(jī)公司設(shè)計并制造的一款插入式永磁同步電機(jī)。隨著近幾年集成電路技術(shù)、電子元件技術(shù)和微型計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，永磁電機(jī)憑借其功率大、高效率、體積小、低能耗等優(yōu)勢迎來了屬于它的時代，無論是航天領(lǐng)域、農(nóng)用領(lǐng)域、軍工領(lǐng)域、民用領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用并結(jié)出果實。

1 汽車用永磁電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

比較相同功率的永磁同步電動機(jī)和異步電機(jī)，永磁電機(jī)具有重量輕、響應(yīng)速度快、制動性能和極限轉(zhuǎn)速表現(xiàn)優(yōu)秀等優(yōu)點，而且永磁體代替了普通異步電機(jī)的激磁線圈后也節(jié)約了大量的電能資源，因此目前國內(nèi)大部分電動汽車生產(chǎn)商和國外部分車商都采用永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動的核心（見表1）。

觀察表1不難發(fā)現(xiàn)，歐美的主流電動車制造商都是采用異步感應(yīng)電機(jī)作為驅(qū)動部件，而不是采用本文提到的永磁同步電機(jī)的方案。這是因為永磁同步電機(jī)用到的原材料價格非常昂貴，整體材料價格的50%以上都用來購買永磁材料。稀土資源是永磁材料的原材料，在國外稀土礦屬于極為稀缺的資源，價格貴而且不易獲得。但中國擁有的稀土資源存儲量占全球70%以上，是世界著名的“稀土王國”，全世界的永磁同步電動機(jī)所需稀土材料大部分都靠我國出口，這是歐美制造商不選用永磁同步電機(jī)的主要原因，也是我國本土車企的天然優(yōu)勢。

2 汽車用永磁同步電機(jī)的優(yōu)點和缺點

2.1 永磁同步電機(jī)的優(yōu)點

1）運行效率高：磁鐵提供勵磁的磁場，節(jié)省勵磁磁場所需的電能能源；

2）調(diào)速區(qū)間相對異步電機(jī)較大：永磁體作為勵磁磁場，調(diào)整其電流、頻率即可大范圍調(diào)整電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速；

3）小體積、輕量化：簡單的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造使得永磁同步電機(jī)的制造更容易實現(xiàn)小型化；

4）發(fā)熱小，密封性強(qiáng)，免維護(hù)。

2.2 永磁同步電機(jī)的缺點

1）抗震動性能差：永磁材料為釹鐵硼強(qiáng)磁材料，材料特性硬且脆，受到強(qiáng)烈震動可能會破裂或震碎；

2）抗熱沖擊性能差：電機(jī)轉(zhuǎn)子的材料為永磁體，電機(jī)在運轉(zhuǎn)時間較長等因素導(dǎo)致的溫度過高情況下會引起磁鐵退磁，造成動力急劇下降。

3 汽車用永磁同步電機(jī)的技術(shù)挑戰(zhàn)及對檢驗項目的影響

3.1 退磁現(xiàn)象

在高溫、反復(fù)震動的復(fù)雜環(huán)境下汽車用永磁同步電機(jī)極易出現(xiàn)嚴(yán)重且不可逆的退磁現(xiàn)象，如環(huán)境高溫、熱量集聚等原因?qū)е碌耐舜拧Ｍ舜藕螅姍C(jī)性能會下降甚至完全不能滿足工況，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18488.2-2015相應(yīng)技術(shù)要求，效率特性試驗項目、驅(qū)動電機(jī)的空載損耗及溫升試驗結(jié)果必定會受到較大影響。解決方案一種是在初始階段進(jìn)行處理，開發(fā)高磁性、高耐熱性的材料，比如釹鐵硼做為永磁體；第二種方案就是提升電機(jī)抗磁化，具體是降低負(fù)載最大值，增加散熱措施，增加反饋頻率，避免頻繁啟動等措施。

3.2 控制技術(shù)

永磁同步電機(jī)的磁場不同于其他電機(jī)，是由永磁體提供，磁場在外部調(diào)節(jié)非常困難。新能源汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展推動了電機(jī)控制系統(tǒng)的進(jìn)步[1]。參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18488.2-2015相應(yīng)技術(shù)要求，電動工況、發(fā)電工況及溫升試驗等受控制影響較大的試驗項目的試驗結(jié)果和生成曲線會受到較大影響。目前學(xué)者們已經(jīng)研究了很多電機(jī)控制策略，如比例積分線性控制、直接轉(zhuǎn)矩控制[2]、電流預(yù)測控制[3]等等。目前階段的解決方法是忽略磁場控制，只進(jìn)行電動機(jī)電樞控制。利用傳感器、電子傳輸和微機(jī)控制相結(jié)合的方式來進(jìn)行永磁同步電機(jī)的控制，在位置、轉(zhuǎn)速、力矩的控制上做到精確管理。具體工作原理是通過永磁同步電動機(jī)的初始角、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制的方式對電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行及時準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)與控制。

其中矢量控制是應(yīng)用到的關(guān)鍵方法和技術(shù)，矢量控制的核心技術(shù)就是對定子的電流在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d軸、q軸坐標(biāo)系）中的兩個分量分別進(jìn)行控制。電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的大小由d、q軸電流分量來決定，一旦確定了輸出轉(zhuǎn)矩，就產(chǎn)生了幾個不同控制組合，不同的組合將對整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩的輸出能力、效率、功率因數(shù)以及電機(jī)端電壓造成很大影響。

3.3 參數(shù)變化導(dǎo)致的電流預(yù)測偏差

永磁同步電機(jī)無差拍電流預(yù)測的控制嚴(yán)重依靠電機(jī)的設(shè)計參數(shù)，當(dāng)電機(jī)參數(shù)發(fā)生變化時會出現(xiàn)諧波量增大、電流跟不上等嚴(yán)重的控制問題。直接在汽車上的表現(xiàn)就是實際輸出跟設(shè)置參數(shù)不對應(yīng)，系統(tǒng)反饋錯誤，系統(tǒng)故障等。

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18488.2-2015中可靠性試驗項目又細(xì)分為固定工況耐久測試和實測路況[4]兩個項目，固定工況耐久測試是根據(jù)用戶設(shè)定的轉(zhuǎn)速扭矩工作點及時間，依照順序連續(xù)試驗；實測路況則是將整車實測的路況導(dǎo)入到測試程序中，實現(xiàn)相應(yīng)轉(zhuǎn)速扭矩的連續(xù)控制模擬實際路況，很明顯參數(shù)變化將會直接影響到該項試驗的結(jié)果。為了攻克這個關(guān)鍵問題，專家學(xué)者進(jìn)行了以下探究，提出解決方案。第一種是用誤差模型將電動機(jī)的參數(shù)進(jìn)行解耦[5]，并利用卡爾曼濾波器對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確識別，避免參數(shù)的變化帶來影響，其缺點是工作耗費時間太長；第二種是用龍伯格觀測器針對預(yù)測的電壓進(jìn)行補(bǔ)償[6]，消除了參數(shù)擾動的不利影響，利用函數(shù)代替觀測器增益參數(shù)，優(yōu)化了龍伯格觀測器在電機(jī)運行初始階段出現(xiàn)的擾動峰值問題；第三種是通過觀察q軸的電壓公式（1）和磁鏈公式（2）引入增量預(yù)測模型對其中參數(shù)進(jìn)行控制。

uq =RSiq +dψq /dt-ωrψd （1）

ψq =L qiq （ 2）

式中：uq /iq ——定子的電壓、q 軸電流分量；

RS ——定子繞組阻抗；

ψd /ψq ——d /q 軸定子磁鏈分量；

ωr ——d /q 軸轉(zhuǎn)子的電角速度。

增量預(yù)測模型整體思路是依靠相鄰的兩個時間段預(yù)測電流值，將這兩個時間段的電流值求差即可去除q 軸預(yù)測電流模型中的磁

iq （ k+1） =iq （k）（2-TR /L ）-iq （k-1）（1-TR /L ）-Tωe×[id （k）-id （k-1）]+T /L [uq （k）-uq （k-1）] （3）

式（3）中可以發(fā)現(xiàn)模型擺脫了磁鏈變化的影響，實現(xiàn)了無磁鏈增量預(yù)測控制[2]。此方法解決了磁鏈的相關(guān)參數(shù)缺少或者磁鏈相關(guān)參數(shù)完全消失情況下汽車電機(jī)依然能夠正常運行，能有效抑制磁鏈和電感不匹配引發(fā)的不利影響。

4 汽車用電機(jī)的研究熱點

因為直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，并且具有很好的電磁轉(zhuǎn)矩控制的特點，也容易控制，所以電動汽車最早使用的驅(qū)動電機(jī)是直流電動機(jī)，但因為其獨特的換向結(jié)構(gòu)，維護(hù)成本較高，并極易產(chǎn)生電火花造成危險，這對電動汽車無疑是致命缺陷。而后來的感應(yīng)電動機(jī)和開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)也因為其轉(zhuǎn)速控制困難，轉(zhuǎn)矩、噪聲、振動、控制方式等缺陷未在汽車領(lǐng)域得到大力推廣。永磁同步電動機(jī)驅(qū)動的控制系統(tǒng)具有高轉(zhuǎn)矩密度、高精度控制、較好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性[7]以及低振動低噪聲等諸多優(yōu)點，結(jié)合第4章中的問題分析和解決方案，通過設(shè)計合理的控制系統(tǒng)能適用汽車電動機(jī)的諸多需求，因此永磁同步電動機(jī)在電動汽車驅(qū)動方面目前具有不可替代的優(yōu)越性（見表2）。

作為汽車驅(qū)動系統(tǒng)的心臟，驅(qū)動電機(jī)的總體性能是研制技術(shù)的關(guān)鍵[8]，其技術(shù)的研究熱點以后將主要集中在重量更輕、體積更小，提高控制及運轉(zhuǎn)效率良好的抗過載能力及瞬時加速性能，提高輸出轉(zhuǎn)矩并降低轉(zhuǎn)矩脈動，提高弱磁擴(kuò)速能力幾個方面。

5 結(jié) 語

經(jīng)過對永磁同步電動機(jī)理論和技術(shù)的研究不難發(fā)現(xiàn)，制約電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素是以電機(jī)為核心部件的驅(qū)動系統(tǒng)，永磁同步電機(jī)因其良好的匹配度也成為汽車領(lǐng)域不斷深入研究的主要方向。隨著永磁材料性能的提高和成本的降低、電機(jī)性能的整體提高、控制技術(shù)的趨于成熟[9]，永磁同步電動機(jī)必將在電動汽車領(lǐng)域有更廣闊的應(yīng)用前景。同時也應(yīng)該對汽車用永磁同步電動機(jī)的諸多技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行潛心研究，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18488.2-2015的試驗項目進(jìn)行電機(jī)的整體優(yōu)化，并在材料研究、轉(zhuǎn)矩提高、增加效率、優(yōu)化控制等方向加大投入，不斷努力。

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作者簡介

彭蕾，碩士研究生，高級工程師，研究方向電氣領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)研究和國際認(rèn)證。

（責(zé)任編輯：袁文靜）