永磁磁阻电机(电动汽车用永磁同步电机评述，全讲解)

【导读】研制开发电动车的关键主要有两个方面,一是生产高能量密度的电池,二是开发性能优良的驱动系统。在各类驱动电机中,永磁同步电机能量密度高,效率高、体积小、惯性低、响应快,有很好的应用前景。主要介绍了电动车驱动用永磁同步电机的几种常见类型以及目前的研究热点。

1 永磁同步电机的特点

永磁同步电动机与其他电机的最主要的区别是转子磁路结构。按照永磁体在转子上位置的不同可分为三种:表面突出式、表面插入式和内置式。

1)表面突出式结构

表面凸出式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设计,使之成为能使电动机气隙磁密波形趋近于正弦波的磁极形状,可显著提高电动机乃至整个传动系统的性能[1];具有结构简单、制造成本较低、转动惯量小,动态响应快,转矩脉动低等优点。但由于弱磁调速范围小,功率密度低,所以与其他转子结构相比,在电动车驱动方面没有优势。1997年本田汽车公司PLUS电动车的驱动电机采用了这种结构的永磁同步电机。目前可在矩形波永磁同步电动机的恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电机中应用,比较适合用作汽车的电子伺服驱动,如汽车电子动力方向盘的伺服电机。

2)表面插入式结构

特点是可充分利用转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩,提高电动机的功率密度,动态性能较凸出式有所改善,制造工艺也较简单,但漏磁系数和制造成本都大。这种结构型式的永磁同步电动机为丰田汽车公司的蓄电池电动车RAV4所采用。本田汽车公司PLUS电动车的第二代驱劝电机也采用了这种结构。表1为本田汽车公司PLUS电动车两代驱动电机性能的比较。从表中可以看出:与表面突出式结构比较,插入式结构更适合电动车驱动。

表1本田汽车公司PLUS电动车两代驱动电机

3)内置式结构

内置式永磁同步电机也称为混合式永磁磁阻电机。该电机在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩。磁阻转矩的存在有助于提高电机的过载能力和功率密度,而且易于弱磁调速,扩大恒功率范围运行。内置式结构的永磁体位于转子内部。按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系,内置式磁路结构又可分为径向式、切向式和混合式三种。目前国内外电动车驱动以采用径向式结构的居多。与径向结构相比,切向结构的漏磁较大,制造工艺复杂,成本也较高,但切向结构可得到更大的每极磁通,而且磁阻转矩在电动机总电磁转矩中的比例也较大,这样可以更好地降低定子电流,降低变频器的成本,提高输出转矩,可用于电梯等需要出力大的场合。

内置式永磁同步电机驱动系统的设计理论正在不断完善。该机结构灵活,设计自由度大,有望得到高性能,适合用作电动汽车等高效、高密度、宽调速牵引驱动。日本大阪电机工程研究实验室研制的内置式永磁同步电机功率密度可达2.5kW/kg。

目前应用于电动车驱动的永磁同步电机以内置式为主。日本丰田汽车公司的混合电动车prius,就采用了内置式结构的永磁同步电机。当前,美国汽车公司在新车型设计中也主要采用内置式永磁同步电机。

2 研究热点及发展趋势

2.1电机结构设计研究热点

永磁同步电机的功率因数大,效率高,功率密度大,是一种比较理想的驱动电机。但正由于电磁结构中转子励磁不能随意改变,导致电机弱磁困难,调速特性不如直流电机[1]。目前,永磁同步电机理论还不如直流电机和感应电机完善,还有许多问题需要进一步研究,主要有以下两方面。

1)电机效率:永磁同步电机低速效率较低,如何通过设计降低低速损耗,减小低速额定电流是目前研究的热点之一。

2)电机的弱磁能力:永磁同步电机由于转子是永磁体励磁,随着转速的升高,电动机电压会逐浙达到逆变器所能输出的电压极限,这时要想继续升高转速只有靠调节定子电流的大小和相位增加直轴去磁电流来等效弱磁提高转速。电机的弱磁能力大小主要与直轴电抗和反电势大小有关,但永磁体串联在直轴磁路中,所以直轴磁路一般磁阻较大,弱磁能力较小;电机反电势较大时,也会降低电机的最高转速。

为了提高电机效率、扩大电机的弱磁能力,国内外提出了许多弱磁设计方案:其中代表性的主要有:

(1)定子采用深槽结构:通过采用深槽结构增

加直轴漏杭,从而增加电机的弱磁能力。日本人采用这种方法设计出的样机最高速度可达13000r/min。但采用这种方法高速铁耗比较大。日本电机采用了高性能低饱和硅钢片,采用普通的硅钢片材料设计效果不会很好。

(2)复合转子结构

复合式转子由永磁段和磁阻段组成,安放在同一定子铁芯内,如图1所示。永磁段转子为电机出力的主体部分,磁阻段用于控制直、交轴电抗参数。这种结构可以增大电机的直轴电抗,扩大电机的转速范围。第一次提出复合转子结构的是WMulegger和WTeppan。他们得到的结论是:磁阻部分的长度占整个转子长度的20%,就可将PMSM的速度控制范围拓宽一倍。

但这种结构同时也存在不可克服的致命副作用:即转矩密度降低,高速时铁耗很大。这一结构还需进一步改善。

(3)双套定子绕组:低速时采用低速绕组提高

电机的转矩、降低电流从而提高电机的效率,高速时采用高速绕组降低电机的反电势扩大电机的高速运行范围。美国SatCon技术公司就采用了这项技术。沈阳工业大学和香港大学也对这项技术进行了研究。香港大学通过实验证明采用双套绕组后永磁同步电机的最高转速可由2000r/min扩大到4500r/min以上。

2.2 控制技术研究热点

电动车驱动电机要求低速大转矩且有一定的高速恒功率运行范围,所以相应控制策略的研究也主要集中在提高低速转矩特性和高速恒功率特性上。

低速控制策略:为了提高驱动电机的低速转矩,一般采用最大转矩控制。早期永磁同步电机转子采用表面式磁钢,由于直轴和交轴磁路的磁阻相同,所以采用id=0控制。控制命令中直轴电流设为0,从而实现最大转矩控制。随着同步电机结构的发展,永磁同步电机转子多采用内置式磁钢,利用磁阻转矩增加电机的输出转矩。id=0控制电机电枢电流的直轴分量为0,不能利用电机的磁阻转矩,控制效果不好。目前,永磁同步电机低速时常采用矢量控制,包括气隙磁场定向、转子磁链定向、定子磁链定向等。

高速控制策略:为了获得更宽广的恒功率运行范围,永磁同步电机高速运行通常采用弱磁控制。

另外,在电机采用低速转矩控制和高速弱磁控制的同时,还要考虑如何提高电机的效率。

目前,国内外很多研究部门对永磁同步电机的控制策略进行了研究。

新加坡理工大学电气学院研究的永磁同步电机控制策略低速时通过恒转矩控制模块计算出产生转矩所需直轴和交轴电流的大小,进行恒转矩控制;高速时运行于弱磁控制模式,根据直轴和交轴电流的参考值计算所需的电枢电流大小。

日本大阪大学通过控制电枢电流的直轴成分减小电机的损耗,从而提高电机的效率。通过对不同参数的电机进行仿真,结果表明利用直轴电流的弱磁效应可以提高电机的效率。

我国有关单位采用磁场定向矢量控制方法,把电流矢量分成产生磁通的电流分量和产生转矩的电流分量,电机比id=0控制时提供的输出功率更大。用电压外回路,可自动执行弱磁控制,在恒功率范围内,系统受负载情况和电机参数影响小。

目前,永磁同步电机的发展趋势主要有以下几方面:

(1)无位置传感器永磁同步电机驱动系统;

(2)具有磁场控制的永磁同步电机驱动系统;

(3)轮式永磁同步电机驱动系统;

(4)动力传动一体化电机驱动系统(电机、减速齿轮、传动轴);

(5)双馈电永磁同步电机驱动系统。