永磁同步電機(jī)在新能源車上的應(yīng)用

何萬(wàn)青

摘 要：當(dāng)前，能源問(wèn)題和環(huán)境保護(hù)問(wèn)題已成為影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵因素，而節(jié)能減排正是有效緩解問(wèn)題并避免相關(guān)問(wèn)題持續(xù)擴(kuò)大的重要舉措。在這樣的背景之下，新能源汽車產(chǎn)業(yè)得以迅猛發(fā)展。新能源汽車的動(dòng)力主要來(lái)自于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，且對(duì)新能源車的安全穩(wěn)定有著一定影響，因此選用高效穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電機(jī)顯得尤為關(guān)鍵。而永磁同步電機(jī)因其具備較高的運(yùn)行效率、較大的轉(zhuǎn)矩密度以及高速運(yùn)行狀態(tài)下較為穩(wěn)定的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在新能源汽車的設(shè)計(jì)制造之中。基于此，本文首先分析了新能源汽車對(duì)電機(jī)性能的要求以及性能參數(shù)選用的原則，之后對(duì)永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述，隨后分析了永磁同步電機(jī)在新能源車上的應(yīng)用設(shè)計(jì)，最后對(duì)新能源車中對(duì)永磁同步電機(jī)的控制進(jìn)行了分析，以期為相關(guān)人員提供一些參考幫助。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī) 新能源車 應(yīng)用

1 引言

新能源車的種類有許多，如果以驅(qū)動(dòng)能量來(lái)源進(jìn)行劃分，那么可以分為純電動(dòng)、燃料電池以及混合動(dòng)力三種，其中最重要的構(gòu)件有驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池以及能量轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)。而永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的一種，其在性能方面如效率、功率密度、轉(zhuǎn)矩密度等都相較于其他驅(qū)動(dòng)電機(jī)更具優(yōu)勢(shì)，因此永磁同步電機(jī)在新能源車上的應(yīng)用極具實(shí)際意義。

2 新能源汽車對(duì)電機(jī)性能的要求以及性能參數(shù)選用的原則

電機(jī)是新能源汽車的驅(qū)動(dòng)核心，在新能源汽車整體的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中占據(jù)著極為關(guān)鍵的重要地位。因此，要求電機(jī)性能能夠滿足頻繁啟停、頻繁加減速以及在低速狀態(tài)下或是爬坡狀態(tài)下能夠產(chǎn)生較大的扭矩輸出，也要保證在高速行駛狀態(tài)下保持較低的扭矩輸出，同時(shí)需要具有一定的變速能力[1]。電機(jī)性能主要涉及其類型、運(yùn)轉(zhuǎn)效率、規(guī)格尺寸以及機(jī)械特性等內(nèi)容。

新能源汽車對(duì)電機(jī)性能參數(shù)的選用原則主要有以下幾個(gè)方面：第一，高電壓。在保證電壓管控合理的前提下，應(yīng)能采用高電壓進(jìn)行電流輸入，以降低在電流傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的電流損耗以及電功能性損耗，提高電機(jī)運(yùn)行效率，同時(shí)能夠有效縮小逆變器的規(guī)格尺寸，從而提高新能源汽車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性和和美觀性。第二，質(zhì)量輕。新能源汽車電機(jī)的整體質(zhì)量應(yīng)處于較為輕便的狀態(tài)，一方面可有效減輕整車的質(zhì)量，保證新能源汽車行駛的便捷性，有助于提高整車的可控變速范圍；另一方面可便于對(duì)電機(jī)進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)，提高新能源汽車保養(yǎng)工作效率。第三，效率高，新能源汽車最為關(guān)鍵的就是其續(xù)航能力。電機(jī)應(yīng)在保證其運(yùn)轉(zhuǎn)安全的前提下，將電力能源利用率實(shí)現(xiàn)最大程度上的有效提高，為保證新能源汽車的行駛里程提供動(dòng)力支持，同時(shí)電機(jī)應(yīng)具備能量回回收的功能，且回收的能量至少應(yīng)占總儲(chǔ)存能量的10～20%，從而充分保障新能源汽車的續(xù)航能力。

3 永磁同步電機(jī)概述

3.1 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)

永磁同步電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)包括定子、轉(zhuǎn)子等構(gòu)件[2]。定子與一般電機(jī)基本一致，主要由三相繞組、電機(jī)機(jī)座以及電樞鐵心共同組成。根據(jù)永磁體所處位置的不同，轉(zhuǎn)子一般有表面式以及內(nèi)置式兩種形式。表面式又分為表面突出式和表面嵌入式兩種，如圖1、圖2所示，其中1為永磁體，2為轉(zhuǎn)子鐵心，3為轉(zhuǎn)軸。

內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體被設(shè)置在轉(zhuǎn)子鐵芯之中，包括有混合式、切向式以及徑向式三種，如圖3、圖4、圖5所示，其中1為永磁體，2為轉(zhuǎn)子鐵心，3為轉(zhuǎn)軸。

3.2 永磁同步電機(jī)的工作原理

交流電經(jīng)過(guò)定子后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并吸引轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，而轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)就是定子磁場(chǎng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)[3]。新能源汽車中所使用的大部分永磁同步電機(jī)為內(nèi)嵌式同步電機(jī)。內(nèi)嵌式同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)了在最大程度上對(duì)磁阻轉(zhuǎn)矩的有效利用，而這正是選用它的主要原因。磁阻轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的影響是相同的電機(jī)電磁場(chǎng)情況下，同樣的扭矩可以減少電流電流釋放量，這樣可有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的在低速和高扭矩狀態(tài)下的運(yùn)行效率，并減少部分控制器組件，有助于降低電機(jī)系統(tǒng)的成本。當(dāng)控制器硬件條件一致的情況下，相對(duì)低磁阻轉(zhuǎn)矩電機(jī)而言，高磁阻轉(zhuǎn)矩電機(jī)可具有更高帶速，有助于在電機(jī)高速小轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)下提高運(yùn)轉(zhuǎn)效率和轉(zhuǎn)速范圍并改善電磁產(chǎn)生的噪聲影響，永磁同步電機(jī)構(gòu)成圖如圖6所示。

3.3 永磁同步電機(jī)的優(yōu)勢(shì)性能

可借助與直流牽引電機(jī)的性能對(duì)比分析，有效展現(xiàn)永磁同步電機(jī)在新能源汽車應(yīng)用方面的性能優(yōu)勢(shì)。第一，安全性對(duì)比分析。直流牽引電機(jī)的制動(dòng)功能主要借助機(jī)械摩擦實(shí)現(xiàn)，制動(dòng)反應(yīng)的時(shí)間及距離都較長(zhǎng)；永磁同步電機(jī)的制動(dòng)功能主要借助電氣制動(dòng)實(shí)現(xiàn)，制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間短。當(dāng)直流牽引電機(jī)與永磁同步電機(jī)處于相同狀況下，永磁同步電機(jī)能夠在短時(shí)間、短距離內(nèi)有效完成迅速制動(dòng)，因此，永磁同步電機(jī)的安全性能更好。第二，可靠性對(duì)比分析。直流牽引電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，電機(jī)線圈極易因溫升發(fā)熱而受損，且直流牽引電機(jī)的故障率普遍較高，可靠性偏低；永磁同步電機(jī)的線圈主要選用的是硅鋼片以及稀土材料，電機(jī)線圈不會(huì)輕易因溫升發(fā)熱而受損，且永磁同步電機(jī)的使用故障率相較于直流牽引電機(jī)更低，因此永磁同步電機(jī)的可靠性更高。第三，調(diào)速性能對(duì)比分析。直流牽引電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率易受到載具承載情況的影響，如果處于下坡輕載運(yùn)行的狀態(tài)，那么交易出現(xiàn)飛車的安全事故，影響行駛安全；永磁同步電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率主要依靠的是無(wú)級(jí)調(diào)速，整體調(diào)速過(guò)程較為平穩(wěn)順暢，且可以限制電機(jī)的最高運(yùn)轉(zhuǎn)速度，因此即使處于下坡輕載的狀態(tài)時(shí)也不會(huì)輕易出現(xiàn)飛車一類的安全事故，可有效保障行駛安全。由上述對(duì)比分析可知，永磁同步電機(jī)相較于一般的傳統(tǒng)異步電機(jī)具有更加優(yōu)秀的性能表現(xiàn)。因此，在新能源汽車領(lǐng)域中對(duì)永磁同步電機(jī)的應(yīng)用進(jìn)行研究是非常必要的。

4 永磁同步電機(jī)在新能源車上的應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 電機(jī)定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)徑比選用。在永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，合理的長(zhǎng)徑比可有效提高電機(jī)的功率密度，即當(dāng)電機(jī)長(zhǎng)徑比增加且電機(jī)體積增大時(shí)，設(shè)轉(zhuǎn)子體積保持不變，則轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性將會(huì)降低，此時(shí)增加電機(jī)的用銅量，則電機(jī)的功率密度將會(huì)得到提高[4]。極對(duì)數(shù)選用。在電機(jī)槽機(jī)比固定不變的情況下，若增加電機(jī)極對(duì)數(shù)數(shù)量，則電機(jī)定子鐵心的用鐵量將會(huì)減少，隨之電機(jī)整體的體積也會(huì)縮小，同時(shí)電機(jī)需要輸入的電流頻次也會(huì)增加，且電機(jī)鐵耗也會(huì)因電流輸入頻次增加而增加，最終導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行效率被迫降低。由此可知，在永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)合理選用極對(duì)數(shù)，以此保證電機(jī)的功率密度。電負(fù)荷選擇。當(dāng)電機(jī)熱負(fù)荷處于固定范圍時(shí)，若電負(fù)荷增加，則電機(jī)轉(zhuǎn)子的體積逐漸縮小，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也會(huì)減少，且定子外徑會(huì)先縮小而后擴(kuò)大，此時(shí)電機(jī)的用銅量需要持續(xù)增加。因此，將電機(jī)電負(fù)荷控制在合理范圍之內(nèi)，同時(shí)綜合考量電機(jī)的鐵心質(zhì)量以及實(shí)際用銅量，才能提高電機(jī)的設(shè)計(jì)質(zhì)量并為有效提高電機(jī)功率密度打下基礎(chǔ)。定子槽型選擇。在對(duì)電機(jī)定子槽型構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，因定子磁路并沒有磁密奇點(diǎn)，故為平衡定子各個(gè)位置的磁密分布并最終形成分散勻稱的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，需要優(yōu)化定子軛部及齒部與軛部在連接處的磁路分布，改善該位置的繞組漏感，同時(shí)便于安置已成型的繞組。

4.2 電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電機(jī)氣隙長(zhǎng)度選擇。從永磁同步電機(jī)的電磁性能來(lái)看，當(dāng)氣隙長(zhǎng)度越短，電機(jī)功率的因數(shù)將會(huì)變大，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率和轉(zhuǎn)矩密度均會(huì)增加，且電機(jī)弱磁調(diào)速的范圍將會(huì)變寬，但在這樣的情況下也極易出現(xiàn)振動(dòng)噪聲。若電機(jī)氣隙長(zhǎng)度持續(xù)變小，則難以有效保障電機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的同軸度和可靠性，同時(shí)也會(huì)增加電機(jī)裝備工作的困難程度[5]。因此，在對(duì)電機(jī)氣隙進(jìn)行設(shè)計(jì)選擇時(shí)，應(yīng)綜合考慮包括電機(jī)振動(dòng)噪聲、氣隙磁密、裝備工作難度以及實(shí)際制造成本等相關(guān)因素，以此確保電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及制造的合理性。永磁體分布形式選擇。在對(duì)永磁體分布形式的設(shè)計(jì)中，可結(jié)合有限元仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真分析，通過(guò)分析可知，V型內(nèi)置式分布的永磁體布局結(jié)構(gòu)相較于其他而言，其利用效益最佳，可使永磁體的勵(lì)磁有效集中并減少漏磁，同時(shí)結(jié)合高速低轉(zhuǎn)矩的設(shè)計(jì)，可使電機(jī)轉(zhuǎn)子每機(jī)的空間變大并大幅提高交直軸電感，即使是在較高轉(zhuǎn)速的情況下，可依然輸出較大的運(yùn)行功率。轉(zhuǎn)子表面氣隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為保障永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，需要對(duì)氣隙磁密波形中諧波含量較多的問(wèn)題予以有效處理，降低該問(wèn)題對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、振動(dòng)噪聲以及電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率的影響，確保氣隙磁密和反電勢(shì)正弦性的穩(wěn)定。

4.3 電機(jī)溫升與振動(dòng)噪聲

電機(jī)溫升。電機(jī)電磁的設(shè)計(jì)需要基于電機(jī)的溫升閾值進(jìn)行明確，包括對(duì)電機(jī)各構(gòu)件的規(guī)格尺寸確定，電機(jī)溫升同時(shí)也是影響電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩限制的重要因素之一。在對(duì)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可利用ANSYS軟件，對(duì)電機(jī)升溫情況進(jìn)行仿真驗(yàn)證，分析電機(jī)額定參數(shù)下，繞組、轉(zhuǎn)速空載定子鐵心以及電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的電機(jī)定子溫度分布情況，可通過(guò)優(yōu)化電機(jī)各構(gòu)件的材料、規(guī)格以及結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)調(diào)整電機(jī)機(jī)殼外表結(jié)構(gòu)，同時(shí)選用較高性能的電機(jī)冷卻方式，以此達(dá)成降低電機(jī)溫升的目標(biāo)。電機(jī)振動(dòng)噪聲。電機(jī)噪聲通常是由磁通的振蕩而出現(xiàn)的，由于永磁同步電機(jī)的磁極分布較為集中且密集，當(dāng)磁拉力和集中力在相互作用時(shí)，電機(jī)的座體就會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)。可通過(guò)對(duì)磁極系數(shù)和轉(zhuǎn)子磁極形狀的設(shè)計(jì)調(diào)整緩解磁通振蕩以及振動(dòng)產(chǎn)生的電磁力。

5 新能源車中對(duì)永磁同步電機(jī)的控制

5.1 矢量控制

矢量控制是以電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)空間矢量當(dāng)作參考標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)將定子電流當(dāng)作兩個(gè)互相正相交的分量，即一個(gè)與磁鏈方向類似，展示定子電流激勵(lì)分量，另一個(gè)與磁鏈方向?yàn)檎＝稽c(diǎn)闡釋定子電流轉(zhuǎn)矩分量須獨(dú)自把控。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速與工頻嚴(yán)格同步，轉(zhuǎn)差率一直是零，控制能力受轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響效果偏差，矢量控制在永磁同步電機(jī)上更容易得到有效反饋。因?yàn)榘芽亟Y(jié)構(gòu)不復(fù)雜，控制軟件容易達(dá)到，在調(diào)速網(wǎng)絡(luò)里有普遍的利用空間。

5.2 直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制在矢量控制中不需要旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和轉(zhuǎn)子磁鏈，轉(zhuǎn)矩把電流替換成被控對(duì)象。電壓矢量是控制網(wǎng)絡(luò)里獨(dú)立的輸入。電壓矢量直接控制轉(zhuǎn)矩于磁鏈的提高或者降低。控制構(gòu)成不復(fù)雜，受電機(jī)參數(shù)變化的影響，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能。由于直接轉(zhuǎn)矩控制需要結(jié)合電動(dòng)汽車運(yùn)行過(guò)程中復(fù)雜的工況，直接轉(zhuǎn)矩控制難以應(yīng)用于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。

5.3 恒壓頻比開環(huán)控制

恒壓比開環(huán)控制的損耗屬于電機(jī)的外部損耗，即電壓與頻率。首先，控制系統(tǒng)將額定標(biāo)準(zhǔn)電壓與頻率傳輸至完成控制活動(dòng)的逆變調(diào)節(jié)器中，然后，逆變器出現(xiàn)一個(gè)交變正弦電壓并作用在電機(jī)的定子繞組，確保定子在預(yù)設(shè)的電壓和頻率下開始運(yùn)行。恒壓頻比開環(huán)控制操作簡(jiǎn)單方便，速度主要由工頻進(jìn)行控制。但是，恒壓頻比開環(huán)控制未能加入轉(zhuǎn)速、位置等反饋信號(hào)，無(wú)法及時(shí)獲取到電機(jī)的具體情況，難以保證電磁轉(zhuǎn)矩的高精準(zhǔn)性。此外，恒壓頻比開環(huán)控制缺乏快速的動(dòng)態(tài)回應(yīng)特征，控制水平偏低。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)介紹新能源汽車對(duì)電機(jī)性能的要求以及選用電機(jī)的參數(shù)原則，從永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理以及性能優(yōu)勢(shì)等方面分析新能源汽車應(yīng)用永磁同步電機(jī)的實(shí)際價(jià)值，明確了永磁同步電機(jī)與其他一般的傳統(tǒng)異步電機(jī)相比在安全性、可靠性以及調(diào)速性能方面更具性能優(yōu)勢(shì)；隨后從電機(jī)定子結(jié)構(gòu)、電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以及電機(jī)溫升和振動(dòng)噪聲等方面分析了永磁同步電機(jī)在新能源汽車上的應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)，探究了永磁同步電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子以及溫升和振動(dòng)噪聲問(wèn)題的優(yōu)化方案；最后研究了新能源車中對(duì)永磁同步電機(jī)的控制措施。綜上可知，永磁同步電機(jī)適用于對(duì)新能源汽車的設(shè)計(jì)以及制造，其在新能源汽車上有較好的應(yīng)用前景。

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