王宇成，高文杰，王海榮

(1.國(guó)網(wǎng)鎮(zhèn)江供電公司，江蘇 鎮(zhèn)江212000；2.國(guó)網(wǎng)丹陽(yáng)市供電公司，江蘇 丹陽(yáng)212300；3.國(guó)網(wǎng)杭州供電公司，杭州 310000)

0 引 言

隨著生態(tài)污染與能源枯竭問(wèn)題的日漸加重，電動(dòng)汽車受到越來(lái)越多的關(guān)注[1-2]。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的“心臟”，其可靠和容錯(cuò)性能直接關(guān)系到駕乘人員的生命安全[3]。永磁電機(jī)由于具有高功率/高轉(zhuǎn)矩密度、高效率和寬調(diào)速范圍等優(yōu)勢(shì)，已成功廣泛應(yīng)用在商業(yè)化運(yùn)行的電動(dòng)汽車中[4]。多相永磁電機(jī)[5]，不僅能通過(guò)增加繞組相數(shù)余度來(lái)保證故障下的轉(zhuǎn)矩輸出能力，而且能通過(guò)定、轉(zhuǎn)子的合理設(shè)計(jì)有效降低相間的電、磁、熱耦合程度等突出優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車高可靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合掀起一股創(chuàng)新研究和快速發(fā)展的熱潮。

電動(dòng)汽車用多相永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、功率變換器、控制器和位置傳感器等組成。每一部分的故障都將影響電機(jī)系統(tǒng)的正常工作，甚至導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓和安全事故的發(fā)生。其中，位置傳感器易受電動(dòng)汽車惡劣行駛環(huán)境影響而故障率較高，是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中非常脆弱的環(huán)節(jié)，成為影響電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高可靠性能的至關(guān)重要的因素之一；與此同時(shí)，位置傳感器的引入明顯增加了整車系統(tǒng)的體積、重量和復(fù)雜度[6]。

為了克服使用位置傳感器給電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)帶來(lái)的缺陷，無(wú)位置傳感器技術(shù)[7]受到國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注，成為電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)有的永磁電機(jī)無(wú)位置傳感器控制方法大致可分為無(wú)信號(hào)注入[8]和有信號(hào)注入[9]兩大類?；诜措妱?shì)估算的無(wú)位置傳感器控制方法屬于無(wú)信號(hào)注入，適用于中高速范圍；基于高頻注入方法的無(wú)位置傳感器控制適用于零低速范圍。電機(jī)電感參數(shù)受電動(dòng)汽車不同的運(yùn)行工況影響較大，而變化的電感參數(shù)對(duì)無(wú)位置傳感器控制算法的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)有較大的影響。文獻(xiàn)[10-11]研究了不同負(fù)載下較大的電感變化對(duì)無(wú)信號(hào)注入的無(wú)位置傳感器控制算法的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)的影響。文獻(xiàn)[12]研究了電感凸極性以及不同負(fù)載下較大的電感變化對(duì)無(wú)信號(hào)注入的無(wú)位置傳感器控制算法的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)的影響。然而，目前現(xiàn)有的大部分研究主要側(cè)重從控制的角度研究提高電機(jī)無(wú)位置傳感器運(yùn)行性能，一方面增加了控制器算法的復(fù)雜度，另一方面很難保證在電機(jī)不同運(yùn)行工況下轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)均具有較高的精度，嚴(yán)重制約了無(wú)位置傳感器車用電機(jī)全工況下的驅(qū)動(dòng)性能。文獻(xiàn)[13]試圖從電機(jī)設(shè)計(jì)角度提高電機(jī)無(wú)位置傳感器運(yùn)行性能，但是，目前該設(shè)計(jì)理論僅針對(duì)三相永磁電機(jī)開(kāi)展了初步的分析和研究，同時(shí)未考慮電動(dòng)汽車多運(yùn)行工況的特殊應(yīng)用場(chǎng)合，難以直接應(yīng)用于電動(dòng)汽車多相永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文以高能效高可靠電機(jī)系統(tǒng)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，在電機(jī)設(shè)計(jì)階段提前將無(wú)位置傳感器控制技術(shù)考慮，提出一種新型五相永磁電機(jī)，該結(jié)構(gòu)有效在具有良好的性能同時(shí)，減少了永磁體的用量，通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)將其與普通型五相永磁電機(jī)作對(duì)比研究，驗(yàn)證了新型電機(jī)的優(yōu)勢(shì)。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

普通型五相永磁電機(jī)和新型五相永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。兩臺(tái)五相電機(jī)均采用容錯(cuò)齒和單層分?jǐn)?shù)槽集中繞組，以提高電機(jī)繞組故障容錯(cuò)能力；并設(shè)計(jì)電樞齒寬大于容錯(cuò)齒寬，以提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度[14]。值得注意的是，雖然利用單層集中繞組能夠提高電機(jī)的容錯(cuò)性能，但是單層集中繞組由于不存在繞組分布因數(shù)，空載反電勢(shì)諧波含量較高[15]。為此，普通型五相電機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子圓心與定子圓心不同，以優(yōu)化氣隙磁密的正弦度和降低電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩。此外，單層集中繞組的使用會(huì)大大降低極率，使得普通型五相電機(jī)d軸電感與q軸電感接近相等。

與圖1(a)電機(jī)相比，新型五相電機(jī)將電機(jī)繞組故障和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中位置傳感器故障提前考慮到電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中以提高電機(jī)系統(tǒng)的可靠性。利用不等氣隙技術(shù)，提高氣隙磁密和反電勢(shì)的正弦度，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。永磁體采用交替極結(jié)構(gòu)，利用鐵心極代替部分永磁體，減少永磁體用量，提高永磁體利用率，節(jié)約成本。此外，轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為偏心結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加轉(zhuǎn)子離心高度h，以增加q軸氣隙長(zhǎng)度，從而降低q軸氣隙磁導(dǎo)以實(shí)現(xiàn)Ld>Lq。與此同時(shí)，由于采用交替極永磁體結(jié)構(gòu)，可以為轉(zhuǎn)子提供更多的空間設(shè)置空氣磁障以實(shí)現(xiàn)Ld>Lq。值得一提的是，修平的定子齒可以降低電機(jī)交叉磁飽和，從而有助于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電機(jī)的反凸極特性。由此可見(jiàn)，新型五相電機(jī)利用上述技術(shù)，巧妙地實(shí)現(xiàn)反凸極特性和提高可靠性。

圖1 五相永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)

2 性能對(duì)比

選取兩臺(tái)具有相同的功率密度、繞組匝數(shù)和槽滿率的五相電機(jī)進(jìn)行對(duì)比。兩臺(tái)電機(jī)的額定參數(shù)為：額定功率為2 kW，額定電流為4.75 A，額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min。

2.1 反電勢(shì)

圖2為兩種五相電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下的反電勢(shì)波形，可以發(fā)現(xiàn)，普通型和新型五相電機(jī)的THD分別為1.7%和1.1%，說(shuō)明兩者的反電勢(shì)正弦度都較高，驗(yàn)證了普通型五相電機(jī)的不等氣隙設(shè)計(jì)和新型的齒頂修平設(shè)計(jì)的有效性。

圖2 反電勢(shì)波形

2.2 電感

圖3給出了兩臺(tái)電機(jī)的交直軸電感。由電感特性可以發(fā)現(xiàn)，普通型五相電機(jī)基波交直軸電感接近相等，而新型五相電機(jī)的基波直軸電感大于交軸電感，驗(yàn)證了其反凸極設(shè)計(jì)的有效性。

圖3 交直軸電感波形

2.3 轉(zhuǎn)矩

最大電流給定7 A，在不同電流角下的轉(zhuǎn)矩輸出波形如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，普通型五相電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在電流角為零的位置，而新型五相電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在電流角為負(fù)的位置。這是由于普通型五相電機(jī)具有Ld≈Lq的電感特性，而新型五相電機(jī)具有Ld>Lq的電感特性。

由表1中普通型與新型五相電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩及永磁體用量比較可知，相同的轉(zhuǎn)矩輸出，新型五相電機(jī)中永磁體用量減少了9.71%。這表明新型五相電機(jī)具有實(shí)現(xiàn)少稀土永磁方面的潛力。以近期外國(guó)稀土市場(chǎng)為例，燒結(jié)釹鐵硼價(jià)格為 130 $/kg，配備60 kW 永磁同步電機(jī)的電動(dòng)汽車一般需要 2 kg～3 kg 的永磁材料[16]。若采用新型五相電機(jī)設(shè)計(jì)，每臺(tái)電機(jī)將節(jié)省不少成本，將對(duì)經(jīng)濟(jì)效益有很大的影響。

表1 兩種電機(jī)的輸出性能比較

圖4 轉(zhuǎn)矩輸出波形

2.4 效率與損耗

效率反映了電機(jī)能量轉(zhuǎn)換的能力，因此對(duì)于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)，效率也是一個(gè)重要指標(biāo)。由于機(jī)械損耗相對(duì)總損耗十分小，故在計(jì)算效率時(shí)可忽略。因此，五相電機(jī)的效率可表示為

(1)

式中，η為效率，Pout為輸出功率，Pi為輸入功率，PFe為鐵耗，Pec為永磁體渦流損耗，Pcu為銅耗。銅耗可通過(guò)公式計(jì)算得到，鐵耗和永磁體渦流損耗可以通過(guò)有限元直接計(jì)算得到。

圖5給出了不同轉(zhuǎn)速下的損耗，相應(yīng)的總損耗和效率如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，由于新型五相電機(jī)的電樞繞組電阻比普通型五相電機(jī)小，相應(yīng)的，其銅耗也小于普通型五相電機(jī)。另外，新型電機(jī)的鐵耗相對(duì)于普通型電機(jī)略高，但其永磁渦流損耗略高于普通型電機(jī)。因此，兩臺(tái)電機(jī)的效率差別不是很明顯。根據(jù)式(1)和圖6可知，普通型和新型五相電機(jī)在額定工況下的效率分別為92.8%和93%。

在高速區(qū)(普通型電機(jī)為2500 r/min～6000 r/min，新型電機(jī)為3500 r/min～7500 r/min)，由于鐵耗的升高，兩臺(tái)電機(jī)的效率均有所下降。值得注意的是，對(duì)于牽引驅(qū)動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合，集中繞組的高效率優(yōu)勢(shì)在高弱磁區(qū)不是很明顯。此外，相對(duì)于普通型電機(jī)，新型電機(jī)由于增磁效應(yīng)，擁有更寬的轉(zhuǎn)速范圍以及在恒功率區(qū)具有更高的效率。

在利用Soot生成控制流圖后，使用Soot提供的過(guò)程內(nèi)數(shù)據(jù)流分析框架來(lái)模擬完整控制結(jié)構(gòu)下的語(yǔ)句遍歷分析，并在此過(guò)程中基于傳入的記錄規(guī)則，詳細(xì)記錄所有變量的初始化、變量的方法和成員變量調(diào)用、變量賦值、變量值傳遞等所有變量相關(guān)的行為。在最終生成的變量行為記錄中，即可清楚地獲得變量的常量特征。

圖5 損耗隨轉(zhuǎn)速變化波形

圖6 總損耗、輸出功率和效率波形

3 無(wú)位置傳感器驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

電機(jī)的電感特性對(duì)于有信號(hào)注入和無(wú)信號(hào)注入的無(wú)位置傳感器控制算法的轉(zhuǎn)子位置估算均有一定的影響。

3.1 有信號(hào)注入估算方法

由于新型五相永磁電機(jī)具有Ld>Lq的電感特性，故利用旋轉(zhuǎn)高頻注入法可實(shí)現(xiàn)其零低速無(wú)位置傳感器運(yùn)行。而普通型五相永磁電機(jī)的交直軸電感接近相等，故適用于脈振高頻注入法。本文以旋轉(zhuǎn)高頻注入法為例，闡述電機(jī)電感特性對(duì)其產(chǎn)生的影響。圖7(a)為基于旋轉(zhuǎn)高頻信號(hào)注入法的新型五相永磁電機(jī)無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)框圖。

向αβ坐標(biāo)系注入高頻正弦信號(hào)，形式如下：

(2)

式中，Vh為高頻信號(hào)幅值，ωh為角頻率。

基于五相永磁電機(jī)電壓方程和式(2)，可得高頻電流響應(yīng)為

(3)

由上式可知，高頻電流負(fù)序分量含有位置信息。利用濾波器濾除繞組電流中的基波分量和高頻電流正序分量，可獲得轉(zhuǎn)子位置?？梢园l(fā)現(xiàn)，L1將對(duì)轉(zhuǎn)子位置估算精度有很大的影響。因此，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在不同工況下，若能確保L1不發(fā)生變化，則電機(jī)將具備較好的無(wú)位置傳感器運(yùn)行能力。

3.2 無(wú)信號(hào)注入估算方法

(4)

式中，F(xiàn)為控制輸入的切換函數(shù)。當(dāng)電流觀測(cè)信號(hào)跟蹤上電流采樣信號(hào)后，SMO的切換函數(shù)就可以完全反映電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)信息。高頻切換函數(shù)經(jīng)過(guò)低通濾波器，可得到接近正弦的反電動(dòng)勢(shì)波形。SMO的原理圖如圖7(b)所示。根據(jù)估算反電動(dòng)勢(shì)可獲得位置信息。

由式(4)可以發(fā)現(xiàn)，較大的電感變化會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子位置估算精度產(chǎn)生一定的影響。因此，若交直軸電感在不同工況能夠保持不變，電機(jī)將擁有較好的無(wú)位置傳感器運(yùn)行性能。

圖7 五相電機(jī)無(wú)位置傳感器控制結(jié)構(gòu)框圖

3.3 無(wú)位置傳感器運(yùn)行性能評(píng)估

為評(píng)估兩臺(tái)電機(jī)的無(wú)位置傳感器運(yùn)行性能，圖8研究了兩臺(tái)電機(jī)的交直電感隨負(fù)載變化的情況?？梢?jiàn)，對(duì)于新型五相電機(jī)，由于在q軸增加磁障，其交軸電感隨著負(fù)載電流增加變化不大；此外，交直軸電感之差在較大的負(fù)載電流下仍能保持不變，說(shuō)明該電機(jī)的凸極率受電流增大引起的磁飽和效應(yīng)的影響較小。相反，普通型五相電機(jī)的交軸電感隨負(fù)載電流增加變化較大，其交直軸電感之差也相應(yīng)減小，說(shuō)明該電機(jī)的電感特性受電流增大引起的磁飽和效應(yīng)的影響較大。因此，上述分析表明，新型五相電機(jī)在不同負(fù)載下?lián)碛休^好的無(wú)位置傳感器運(yùn)行能力，說(shuō)明該電機(jī)可以滿足電動(dòng)汽車的負(fù)載變化范圍較大的要求。

兩臺(tái)電機(jī)在突加負(fù)載情況下無(wú)位置傳感器運(yùn)行性能如圖9所示?？梢?jiàn)，在突加負(fù)載情況下，普通型五相電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置估算誤差有所增加，而新型五相電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置估算精度幾乎不受影響，誤差均較小。說(shuō)明相對(duì)于普通型五相電機(jī)，新型五相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性更高。

圖8 電感變化特性波形

圖9 無(wú)位置傳感器運(yùn)行波形

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

兩臺(tái)電機(jī)的實(shí)測(cè)空載反電勢(shì)如圖10所示，此時(shí)電機(jī)的工作頻率為225 Hz?？梢园l(fā)現(xiàn)，兩臺(tái)電機(jī)的反電勢(shì)都為正弦波，與仿真結(jié)果相吻合，說(shuō)明這兩臺(tái)電機(jī)都適合BLAC運(yùn)行方式。

圖11對(duì)比了基于最大轉(zhuǎn)矩電流比控制策略的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行性能。由電機(jī)運(yùn)行于額定工況下的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流波形可知，相同負(fù)載條件下，新型五相電機(jī)的相電流比普通型電機(jī)小。由于普通型五相電機(jī)的交直軸電機(jī)接近相等，其輸出轉(zhuǎn)矩接近永磁轉(zhuǎn)矩；而新型五相電機(jī)具有反凸極特性，其輸出轉(zhuǎn)矩包含永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩。另外，新型五相電機(jī)的直軸電感大于交軸電感，在磁場(chǎng)增強(qiáng)區(qū)(id>0)能夠輸出最大轉(zhuǎn)矩，從而有利于降低銅耗。因此，新型五相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更有利于電動(dòng)汽車爬坡工況運(yùn)行。

圖10 反電勢(shì)實(shí)測(cè)波形

圖11 額定工況下轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流實(shí)測(cè)波形

圖12對(duì)比了兩臺(tái)電機(jī)的無(wú)位置傳感器運(yùn)行性能?？芍S著負(fù)載急劇增加，普通型電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置估算誤差將增加。而新型五相電機(jī)的電感在電動(dòng)汽車不同運(yùn)行工況下變化較小，其轉(zhuǎn)子位置估算誤差幾乎不受負(fù)載變化的影響。上述分析說(shuō)明，相對(duì)于普通型電機(jī)，新型五相電機(jī)擁有更好的無(wú)位置傳感器運(yùn)行性能。

圖12 負(fù)載變化對(duì)無(wú)位置傳感器運(yùn)行性能的影響

5 結(jié) 論

本文對(duì)電動(dòng)汽車高可靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)展研究，提出一種新型五相永磁電機(jī)，通過(guò)優(yōu)化的設(shè)計(jì)在不影響電機(jī)輸出性能的前提下，以實(shí)現(xiàn)Ld>Lq以及不同工況下電感幾乎不變化的電感特性，從而提高電機(jī)的無(wú)位置傳感器運(yùn)行性能。并且，通過(guò)仿真對(duì)比研究了新型和普通型五相永磁電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的相關(guān)特性，得出以下結(jié)論：

(1)在相同的輸出功率密度前提下，新型五相電機(jī)的永磁體用量相對(duì)于普通型五相可節(jié)約9.71%，在當(dāng)前永磁材料作為一種戰(zhàn)略物資的形勢(shì)下，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)兩臺(tái)電機(jī)在額定工況下效率相差甚微，但新型電機(jī)由于增磁效應(yīng)，相對(duì)于普通型五相電機(jī)，擁有更寬的轉(zhuǎn)速范圍以及在恒功率區(qū)具有更高的效率，可滿足電動(dòng)汽車對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)寬調(diào)速的要求。

(3)相對(duì)于普通型五相電機(jī)，新型五相電機(jī)在變工況下?lián)碛懈玫臒o(wú)位置傳感器運(yùn)行性能，故其可靠性更高。

(4)由于電動(dòng)汽車處于多變的運(yùn)行工況，要求其電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有高能效高可靠運(yùn)行性能，因此，相對(duì)于普通型五相電機(jī)，新型五相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車應(yīng)用領(lǐng)域擁有更明顯的優(yōu)勢(shì)。