何萬青

摘 要：當(dāng)前，能源問題和環(huán)境保護問題已成為影響經(jīng)濟社會發(fā)展的關(guān)鍵因素，而節(jié)能減排正是有效緩解問題并避免相關(guān)問題持續(xù)擴大的重要舉措。在這樣的背景之下，新能源汽車產(chǎn)業(yè)得以迅猛發(fā)展。新能源汽車的動力主要來自于驅(qū)動電機，且對新能源車的安全穩(wěn)定有著一定影響，因此選用高效穩(wěn)定的驅(qū)動電機顯得尤為關(guān)鍵。而永磁同步電機因其具備較高的運行效率、較大的轉(zhuǎn)矩密度以及高速運行狀態(tài)下較為穩(wěn)定的特點，被廣泛應(yīng)用在新能源汽車的設(shè)計制造之中。基于此，本文首先分析了新能源汽車對電機性能的要求以及性能參數(shù)選用的原則，之后對永磁同步電機的結(jié)構(gòu)及工作原理進行了簡要概述，隨后分析了永磁同步電機在新能源車上的應(yīng)用設(shè)計，最后對新能源車中對永磁同步電機的控制進行了分析，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 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)動能量來源進行劃分，那么可以分為純電動、燃料電池以及混合動力三種，其中最重要的構(gòu)件有驅(qū)動電機、動力電池以及能量轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)。而永磁同步電機作為驅(qū)動電機的一種，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)動電機更具優(yōu)勢，因此永磁同步電機在新能源車上的應(yīng)用極具實際意義。

2 新能源汽車對電機性能的要求以及性能參數(shù)選用的原則

電機是新能源汽車的驅(qū)動核心，在新能源汽車整體的驅(qū)動系統(tǒng)中占據(jù)著極為關(guān)鍵的重要地位。因此，要求電機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，同時需要具有一定的變速能力[1]。電機性能主要涉及其類型、運轉(zhuǎn)效率、規(guī)格尺寸以及機械特性等內(nèi)容。

新能源汽車對電機性能參數(shù)的選用原則主要有以下幾個方面：第一，高電壓。在保證電壓管控合理的前提下，應(yīng)能采用高電壓進行電流輸入，以降低在電流傳輸過程中出現(xiàn)的電流損耗以及電功能性損耗，提高電機運行效率，同時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)動系統(tǒng)設(shè)計的靈活性和和美觀性。第二，質(zhì)量輕。新能源汽車電機的整體質(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；另一方面可便于對電機進行維修養(yǎng)護，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。電機應(yīng)在保證其運轉(zhuǎn)安全的前提下，將電力能源利用率實現(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力支持，同時電機應(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 永磁同步電機概述

3.1 永磁同步電機的結(jié)構(gòu)

永磁同步電機的主要結(jié)構(gòu)包括定子、轉(zhuǎn)子等構(gòu)件[2]。定子與一般電機基本一致，主要由三相繞組、電機機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 永磁同步電機的工作原理

交流電經(jīng)過定子后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場并吸引轉(zhuǎn)子磁場，而轉(zhuǎn)子磁場就是定子磁場帶動轉(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為內(nèi)嵌式同步電機。內(nèi)嵌式同步電機實現(xiàn)了在最大程度上對磁阻轉(zhuǎn)矩的有效利用，而這正是選用它的主要原因。磁阻轉(zhuǎn)矩對電機系統(tǒng)的影響是相同的電機電磁場情況下，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)動機的在低速和高扭矩狀態(tài)下的運行效率，并減少部分控制器組件，有助于降低電機系統(tǒng)的成本。當(dāng)控制器硬件條件一致的情況下，相對低磁阻轉(zhuǎn)矩電機而言，高磁阻轉(zhuǎn)矩電機可具有更高帶速，有助于在電機高速小轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)下提高運轉(zhuǎn)效率和轉(zhuǎn)速范圍并改善電磁產(chǎn)生的噪聲影響，永磁同步電機構(gòu)成圖如圖6所示。

3.3 永磁同步電機的優(yōu)勢性能

可借助與直流牽引電機的性能對比分析，有效展現(xiàn)永磁同步電機在新能源汽車應(yīng)用方面的性能優(yōu)勢。第一，安全性對比分析。直流牽引電機的制動功能主要借助機械摩擦實現(xiàn)，制動反應(yīng)的時間及距離都較長；永磁同步電機的制動功能主要借助電氣制動實現(xiàn)，制動反應(yīng)時間短。當(dāng)直流牽引電機與永磁同步電機處于相同狀況下，永磁同步電機能夠在短時間、短距離內(nèi)有效完成迅速制動，因此，永磁同步電機的安全性能更好。第二，可靠性對比分析。直流牽引電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，電機線圈極易因溫升發(fā)熱而受損，且直流牽引電機的故障率普遍較高，可靠性偏低；永磁同步電機的線圈主要選用的是硅鋼片以及稀土材料，電機線圈不會輕易因溫升發(fā)熱而受損，且永磁同步電機的使用故障率相較于直流牽引電機更低，因此永磁同步電機的可靠性更高。第三，調(diào)速性能對比分析。直流牽引電機的運轉(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；永磁同步電機的運轉(zhuǎn)效率主要依靠的是無級調(diào)速，整體調(diào)速過程較為平穩(wěn)順暢，且可以限制電機的最高運轉(zhuǎn)速度，因此即使處于下坡輕載的狀態(tài)時也不會輕易出現(xiàn)飛車一類的安全事故，可有效保障行駛安全。由上述對比分析可知，永磁同步電機相較于一般的傳統(tǒng)異步電機具有更加優(yōu)秀的性能表現(xiàn)。因此，在新能源汽車領(lǐng)域中對永磁同步電機的應(yīng)用進行研究是非常必要的。

4 永磁同步電機在新能源車上的應(yīng)用設(shè)計要點

4.1 電機定子結(jié)構(gòu)設(shè)計

長徑比選用。在永磁同步電機設(shè)計的過程中，合理的長徑比可有效提高電機的功率密度，即當(dāng)電機長徑比增加且電機體積增大時，設(shè)轉(zhuǎn)子體積保持不變，則轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣性將會降低，此時增加電機的用銅量，則電機的功率密度將會得到提高[4]。極對數(shù)選用。在電機槽機比固定不變的情況下，若增加電機極對數(shù)數(shù)量，則電機定子鐵心的用鐵量將會減少，隨之電機整體的體積也會縮小，同時電機需要輸入的電流頻次也會增加，且電機鐵耗也會因電流輸入頻次增加而增加，最終導(dǎo)致電機運行效率被迫降低。由此可知，在永磁同步電機設(shè)計中應(yīng)合理選用極對數(shù)，以此保證電機的功率密度。電負荷選擇。當(dāng)電機熱負荷處于固定范圍時，若電負荷增加，則電機轉(zhuǎn)子的體積逐漸縮小，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣量也會減少，且定子外徑會先縮小而后擴大，此時電機的用銅量需要持續(xù)增加。因此，將電機電負荷控制在合理范圍之內(nèi)，同時綜合考量電機的鐵心質(zhì)量以及實際用銅量，才能提高電機的設(shè)計質(zhì)量并為有效提高電機功率密度打下基礎(chǔ)。定子槽型選擇。在對電機定子槽型構(gòu)件進行設(shè)計時，因定子磁路并沒有磁密奇點，故為平衡定子各個位置的磁密分布并最終形成分散勻稱的旋轉(zhuǎn)磁場，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，同時便于安置已成型的繞組。

4.2 電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計

電機氣隙長度選擇。從永磁同步電機的電磁性能來看，當(dāng)氣隙長度越短，電機功率的因數(shù)將會變大，電機運轉(zhuǎn)效率和轉(zhuǎn)矩密度均會增加，且電機弱磁調(diào)速的范圍將會變寬，但在這樣的情況下也極易出現(xiàn)振動噪聲。若電機氣隙長度持續(xù)變小，則難以有效保障電機實際運轉(zhuǎn)過程中的同軸度和可靠性，同時也會增加電機裝備工作的困難程度[5]。因此，在對電機氣隙進行設(shè)計選擇時，應(yīng)綜合考慮包括電機振動噪聲、氣隙磁密、裝備工作難度以及實際制造成本等相關(guān)因素，以此確保電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計以及制造的合理性。永磁體分布形式選擇。在對永磁體分布形式的設(shè)計中，可結(jié)合有限元仿真軟件對設(shè)計進行仿真分析，通過分析可知，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，可使永磁體的勵磁有效集中并減少漏磁，同時結(jié)合高速低轉(zhuǎn)矩的設(shè)計，可使電機轉(zhuǎn)子每機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行功率。轉(zhuǎn)子表面氣隙結(jié)構(gòu)設(shè)計。為保障永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，需要對氣隙磁密波形中諧波含量較多的問題予以有效處理，降低該問題對轉(zhuǎn)矩脈動、振動噪聲以及電機運轉(zhuǎn)效率的影響，確保氣隙磁密和反電勢正弦性的穩(wěn)定。

4.3 電機溫升與振動噪聲

電機溫升。電機電磁的設(shè)計需要基于電機的溫升閾值進行明確，包括對電機各構(gòu)件的規(guī)格尺寸確定，電機溫升同時也是影響電機輸出轉(zhuǎn)矩限制的重要因素之一。在對電機進行設(shè)計時，可利用ANSYS軟件，對電機升溫情況進行仿真驗證，分析電機額定參數(shù)下，繞組、轉(zhuǎn)速空載定子鐵心以及電機額定負載時的電機定子溫度分布情況，可通過優(yōu)化電機各構(gòu)件的材料、規(guī)格以及結(jié)構(gòu)，設(shè)計調(diào)整電機機殼外表結(jié)構(gòu)，同時選用較高性能的電機冷卻方式，以此達成降低電機溫升的目標(biāo)。電機振動噪聲。電機噪聲通常是由磁通的振蕩而出現(xiàn)的，由于永磁同步電機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，電機的座體就會出現(xiàn)振動。可通過對磁極系數(shù)和轉(zhuǎn)子磁極形狀的設(shè)計調(diào)整緩解磁通振蕩以及振動產(chǎn)生的電磁力。

5 新能源車中對永磁同步電機的控制

5.1 矢量控制

矢量控制是以電機轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)空間矢量當(dāng)作參考標(biāo)準(zhǔn)，同時將定子電流當(dāng)作兩個互相正相交的分量，即一個與磁鏈方向類似，展示定子電流激勵分量，另一個與磁鏈方向為正。交點闡釋定子電流轉(zhuǎn)矩分量須獨自把控。永磁同步電機轉(zhuǎn)速與工頻嚴格同步，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上更容易得到有效反饋。因為把控結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，控制軟件容易達到，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象。電壓矢量是控制網(wǎng)絡(luò)里獨立的輸入。電壓矢量直接控制轉(zhuǎn)矩于磁鏈的提高或者降低?？刂茦?gòu)成不復(fù)雜，受電機參數(shù)變化的影響，可實現(xiàn)優(yōu)良的動態(tài)性能。由于直接轉(zhuǎn)矩控制需要結(jié)合電動汽車運行過程中復(fù)雜的工況，直接轉(zhuǎn)矩控制難以應(yīng)用于電動汽車驅(qū)動控制系統(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的逆變調(diào)節(jié)器中，然后，逆變器出現(xiàn)一個交變正弦電壓并作用在電機的定子繞組，確保定子在預(yù)設(shè)的電壓和頻率下開始運行。恒壓頻比開環(huán)控制操作簡單方便，速度主要由工頻進行控制。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，無法及時獲取到電機的具體情況，難以保證電磁轉(zhuǎn)矩的高精準(zhǔn)性。此外，恒壓頻比開環(huán)控制缺乏快速的動態(tài)回應(yīng)特征，控制水平偏低。

6 結(jié)語

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

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