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新能源汽车永磁同步驱动电机性能提升分析
2019-03-10 11:55:59· 来源：CAE爱联盟
通过分析永磁材料磁特性、转子结构形式、电枢绕组方式和控制策略对永磁同步驱动电机性能的影响。选用具有高剩磁感应强度、高内禀矫顽力和高最大磁能积的钕铁硼稀
通过分析永磁材料磁特性、转子结构形式、电枢绕组方式和控制策略对永磁同步驱动电机性能的影响。选用具有高剩磁感应强度、高内禀矫顽力和高最大磁能积的钕铁硼稀土永磁材料，采用稳态性能好、功率密度高的内嵌永磁钢转子。槽满率高、铜材消耗少、齿槽转矩小的分数槽集中绕组以及直接转矩弱磁扩速控制策略．给出了提升新能源汽车永磁同步驱动电机性能的最优设计方法。
引言
目前世界范围内能源严重缺乏．生态环境急剧恶化，环境保护问题日益突出，发展低碳经济迫在眉睫，新能源汽车成为全球节能与环保领域里最受推崇的新兴产业。汽车电气化技术提高更受人们关注。而作为混合动力汽车和纯电动汽车“发动机”的驱动电机．成为直接关系新能源汽车性能与节能减排的核心部件。永磁同步驱动电机具有高功率密度、高效率、脉动转矩小和较宽的弱磁调速范围，是节能、环保新能源汽车驱动电机的最佳选择。为了更好发挥永磁同步驱动电机的价值，本文在继续突破永磁材料研究瓶颈的基础上，优化电机结构设计，提升永磁同步驱动电机性能，推进新能源汽车更好地发展。
永磁材料对永磁同步驱动电机性能的影响
近年来，永磁材料发展迅速、种类繁多，目前最常用的主要种类有：铁氧体永磁材料、铝镍钴永磁材料和钕铁硼稀土永磁材料等。永磁材料的发展历程如图1所示。
铁氧体永磁材料的突出优点是不含稀土元素和钴、镍等贵重金属，价格低廉，制造工艺简单，矫顽力大，抗去磁能力强，密度小，质量轻。但铁氧体永磁材料硬而脆，不能进行电加工，生产出来的电机功率小、效率低。铝镍钴永磁材料的特点是温度系数低、剩磁感应强度高、矫顽力低．易充磁和去磁，但含有钴这种贵重金属，所以价格很高。钕铁硼稀土永磁材料以其优异的磁性能成为永磁材料的主力军，其磁性能远超过铁氧体和铝镍钴等其他磁性材料。
新一代钕铁硼永磁材料发展至今，其室温下剩余磁感应强度曰，已达到147 T。内禀矫顽力巩最高可超过1000 kA/m，最大磁能积(BH)高达398 kj/m，为铁氧体永磁材料的5～12倍、铝镍钴永磁材料的3～10倍。钕铁硼永磁材料的不足之处是居里温度较低，在高温下使用时磁损失较大，热稳定性、耐腐蚀性和抗氧化性差，因此要根据磁体的使用环境来对其表面进行涂层处理．以满足车用环境要求。
钕铁硼稀土永磁材料的磁性能和机械性能都明显高于铁氧体和铝镍钴永磁材料，加工性能好，我国稀土产量占世界总量的80％以上。具有得天独厚的稀土资源，因此钕铁硼稀土永磁材料更加适用于新能源汽车永磁同步驱动电机。
转子结构对永磁同步驱动电机性能的影响
永磁同步驱动电机以转子上永磁钢的安装方式可分为表面式和内置式两种转子结构，表面式转子结构又可分为表贴式和嵌入式两种．内置式按永磁钢励磁方向可分为径向式转子结构、切向式转子结构和集径向与切向为一体的混合磁路的永磁转子结构。
表贴式转子结构，其d轴和q轴电感相等，转子不具有凸极效应，因此不产生磁阻转矩，由于永磁钢直接暴露在气隙磁场中，导致永磁钢易退磁，其弱磁能力受到限制。嵌入式转子结构，q轴电感大于d轴电感，转子具有凸极效应，因此有磁阻转矩产生。
利用磁阻转矩可有效提高电机的功率密度。嵌入式结构动态性能较表贴式有所改善，但漏磁系数和制造成本均大于表贴式。内置式转子结构的永磁钢位于转子内部，永磁钢外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴。用以保护内置式转子铁芯内的永磁钢．因其转子磁路结构具有不对称性而产生磁阻转矩。有助于提高永磁同步驱动电机的过载能力和功率密度。而且易于“弱磁”扩速。
选用合适的转子结构对永磁同步驱动电机性能有着极其重要的影响。日本丰田公司生产的混合动力汽车Prius(2003、2004、2010)、2007Ca唧和2008LS600h，本田公司生产2005Accord．其主驱动电机都采用了永磁同步驱动电机，但转子结构不尽相同。其中，2005Accord为表面嵌入式结构，Prius、2007Camry和2008Ls600h为内置式结构，2003Prius的转子结构为“一”字型，2004Prius、2010 Prius和2007Camry为“V”字型。
2008Ls600h为“三角”型结构，如图2所示，主要参数如表1
2008Ls600h为“三角”型结构，如图2所示，主要参数如表1
由表l可以看出．内置式转子结构的2004Prius、2007CaII研、2010Prius和2008Ls600h驱动电机比表面式转子结构的2005Accord驱动电机的最大功率、最大转速和功率密度都有明显的提高。并且不同的永磁体内置结构对驱动电机的参数也有着较大影响。
综合以上论述，内置式转子结构动态、稳态性能好，能提供大转矩和大功率，功率密度高。另外，内置式转子中不同结构类型对永磁同步驱动电机也有较大的影响。因此，加强对内置式转子结构设计的研究。探索经济性好、性能优异的转子结构对提升永磁同步驱动电机性能具有重要意义。
电枢绕组对永磁同步驱动电机性能的影晌
永磁同步驱动电机电枢绕组根据线圈绕定的形状与嵌线方式不同，可分为分布式绕组和集中式绕组。根据电机每极每相槽数q=刀(印m)不同，可分为整数槽绕组和分数槽绕组。
采用分数槽或整数槽是根据电机性能和生产工艺来考虑的，采用分数槽绕组较整数槽绕组有如下优点同：
1）平均每对磁极下对应的槽数大为减少，以较少数目的大槽代替较多数目的小槽，电枢冲片槽数较少．电枢铁芯制造工艺相对简单，同时又可减少槽绝缘相对占据的空间，有利于提高槽满率，进而提高电机性能。
2）一般采用分数槽时，电机线圈端部较短，不仅通过节约铜线使电机绕组电阻减少，而且同等情况下减少了电机铜耗，提高电机效率和降低温升。
3）当不采用斜槽时，可通过绕组的短距和分布效应。改善反电动势波形的正弦性，进而减小电机的转矩脉动和噪声。
4）当采用节距l，=1(分数槽集中绕组)时，可采用自动绕线，不仅提高了劳动生产率，简化嵌线工艺和接线，而且降低了成本，与此同时，每个线圈只绕在一个齿上，缩短了线圈周长和绕组端部伸出长度．进一步降低用铜量，各个线圈端部没有重叠。不必设相间绝缘。
5）通过极槽配合的合理选取．采用分数槽集中绕组相对于整数槽绕组对减少齿槽转矩、提高输出功率更为行之有效，且其弱磁扩速能力也有一定提高。
与整数槽绕组相比分数槽绕组的主要不足之处是：槽数与极数选择有严格的约束、绕组系数稍低、绕组电感较大、电枢反应磁动势有谐波导致转子涡流损耗和噪声。目前，选择有较低磁动势谐波的极槽配合、转子铁轭采用叠片式降低涡流损耗、采用高电阻率的永磁材料、适当增大气隙、调整槽口宽度等措施都能有效弥补分数槽绕组的不足之处。
根据以上分析，分数槽绕组可以有效提高槽满率，降低电机铜耗，减少齿槽转矩，无论是性能指标还是经济陛。更加适合永磁同步驱动电机。
控制策略对永磁同步驱动电机性能的影响
永磁同步驱动电机目前典型的两种控制策略是矢量控制和直接转矩控制。两者有着各自的优缺点。矢量控制是建立在被控永磁同步驱动电机的数学模型之后，电机转矩通过控制电枢绕组电流来实现。
永磁同步驱动电机在矢量控制下低速转矩相对平稳，调速范围较宽，在转子磁场定向矢量的控制下，不需要无功励磁电流，因此单位电流可产生最大的电磁转矩。相对于矢量控制。直接转矩控制省去了复杂的空间坐标变换．只需采用定子磁链定向控制，便可在定子坐标系内实现对电动机磁链、转矩的直接观察和控制，具有控制方式简单、转矩响应快和便于实现全数字化的优点。
目前，先进的控制算法应用于两种控制策略取得了不错的成效，如基于滑模变结构的永磁同步驱动电机直接转矩控制，解决了传统永磁同步驱动电机直接转矩控制中存在的电流、磁链和转矩脉动较大的问题嗍。
基于占空比控制的永磁同步驱动电机新型直接转矩控制方法，通过精确的数学模型利用转矩误差计算出当前所选有效电压矢量的作用时间在整个采样周期中的占空比。实时地调整有效电压矢量的作用时间．有效减小了转矩脉动。基于比例一积分一微分神经网络的小脑模型关节控制器CMAC研D)引入到永磁同步电动机交流调速系统中，取代传统的双环控制系统中的转速外环PI控制器等。
另外，在矢量控制和直接转矩控制策略研究的基础上，高性能控制技术也发展迅速，极大地提升了永磁同步驱动电机的各项性能。
1)弱磁扩速技术。电动汽车尤其是直接驱动型电动汽车需要永磁同步驱动电机有较宽的调速范围．而电机的调速范围受限于电机本身的机械结构强度和基速以上恒功率区的范围。针对这一情况需要进行弱磁控制。采用内置式转子结构使电机具有凸极效应．并充分利用磁阻转矩拓宽弱磁区域的范围。
2)转矩脉动抑制技术。永磁同步驱动电机转矩脉动产生的原因主要有两方面：自身结构引起的非理想化磁路和控制方法对引入参数的误差放大。因此。通过优化永磁同步驱动电机的结构，改善转子磁场分布，也可从电机控制层面出发，优化控制策略，减小定子齿槽转矩，最终实现转矩脉动抑制
综合以上分析，内置式永磁同步驱动电机选用直接转矩控制弱磁扩速技术。对自身性能的提升有着显著的效果。
结束语
本文分析了永磁材料磁特性、转子结构、电枢绕组和控制策略对永磁同步驱动电机性能的影响，永磁钢采用钕铁硼稀土永磁材料、转子选用内置式结构、电枢绕组选用分数槽绕组并同时配合直接转矩弱磁扩速技术。能有效提升永磁同步驱动电机的主要性能指标。
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