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电动汽车用永磁同步电动机场路结合设计计算

2022-01-23 00:34:53·  来源:驱动视界  
 
摘要 本文针对电动汽车驱动的特点 ,对永磁同步电动机的设计计算进行了研究 ,提出永磁同步电动机的场路结合设计计算方法。设计计算结果同试验结果的对比表明 ,本
摘要 本文针对电动汽车驱动的特点 ,对永磁同步电动机的设计计算进行了研究 ,提出永磁同步电动机的场路结合设计计算方法。
设计计算结果同试验结果的对比表明 ,本文提出的场路结合计算方法具有较高的计算精度。
关键词 电动汽车  永磁同步电动机  场路结合
Abstract : The design of permanent magnet synchronous motor (PMSM) used in electric vehicle (EV) is described in this paper.
The effectiveness of the presented field2 circuit coupled method of PMSM is verified through prototype machine test.
Key words: Electric vehicle Permanent magnet synchronous motor Field2circuit coupled method
1. 引言
随全球石油危机及环境污染的加剧 ,电动汽车的研究开发得到各国政府、汽车制造厂家及科研院所的普遍重视和广泛关注 ,新品电动汽车层出不穷 ,并迅速推向市场。
电动汽车的关键问题是一次充电续行里程和价格 ,在目前车载蓄电池技术未能突破的前提下 ,缓解这一关键问题的主要因素是电动汽车的电驱动系统。
电动汽车的电驱动系统以驱动电机的不同而分类 ,包括直流有刷电动机系统、异步电动机系统、开关磁阻电动机系统、无刷直流电动机系统和永磁同步电动机系统。
其中永磁同步电动机系统具有最优综合指标 ,是电动汽车驱动的理想选择 ,因此得到了广泛应用 ,特别是在日本 ,在新开发的电动汽车主要采用永磁同步电动机驱动 ,其次是无刷直流电动机。
在国内 ,电动样车的驱动采用除永磁同步电动机外的各种电动机 ,对电动汽车用永磁同步电动机的驱动正处于样机研究开发阶段。
电动汽车具有各种不同的运行状态 ,如起动加速、制动减速、平路或爬坡及下坡的稳态行驶 ,电动汽车的负载大小经常是不同的。
因此作为驱动电机的永磁同步电动机设计必须考虑到这诸多不同运行状态。
本文考虑到永磁同步电动机在电动汽车驱动中所存在的强烈的磁路饱和和交直轴磁路耦合及电动汽车的各种不同运行状态 ,给出永磁同步电动机的场路结合计算方法。
2. 电动汽车用 PMSM 的磁路局部饱和及交直轴磁路耦合
电动汽车用永磁同步电动机的大转矩密度特点 ,使电机不但需采用高矫顽力磁体 ,而且需馈入大电流 ,导致电机中磁力线分布极度不均匀 ,特别在电机定子部分齿和转子隔磁桥部分出现局部饱和现象。
如图 1 所示 , 该图为某电动汽车用PMSM 分别在交、直轴电流作用下的磁力线分布图。

图 1 电动汽车用 PMSM不同性质负载电流下的磁力线分布图
图 2 为某电动汽车用 PMSM 交直轴电感随交直轴电流的变化曲线。
可以看出 ,由于交轴磁路的饱和因素 ,交轴电流对交轴电感的影响较大 ,而直轴磁路的耦合因素对交轴电感的影响较小。
磁路饱和及交轴磁路耦合对直轴电感的影响仅在直轴电流较小而交轴电流较大时才发生。

图 2 混合型磁路结构(U 型) PMSM交直轴电感随交直轴电流的变化
1 : Iq = 40A 2 : Iq = 80A 3 : Iq = 120A
4 : Iq = 160A 5 : Iq = 200A
3. PMSM 的场路结合设计计算方法
由上述分析可知 ,电动汽车用永磁同步电动机存在明显的磁路局部饱和及交直轴共磁路问题。
这一局部饱和及交直轴共磁路问题是路设计计算 CAD 所难以考虑的 ,因此电动汽车用永磁同步电动机必须用场路结合的方法进行精确设计计算。
电动汽车用永磁同步电动机的设计不但要考虑电动汽车的额定运行工况 ,还必须考虑其它运行工况如电动汽车不同车速下的平路行驶、起动加速、低速爬坡等。
因此电动汽车用永磁同步电机的场路结合设计重点在于采用场路结合方法计算不同电机电流下的转矩转速特性曲线 ,以兼顾电动汽车的各个运行状态 ,保证其整体性能。
其中用场方法计算不同交直轴电流下的交直轴电感 ,其它计算用路方法进行。
永磁同步电动机的电磁转矩及感应电动势重新写于下式

式中所有量都为 abc 坐标系下的值 , m 为电机相数。

图 3 场路结合设计计算
给定电流 I ,由电磁场的有限元方法 (FEM)计算γ在 90°~180°范围内的交直轴电感 Lq ( I , γ) 、Ld ( I ,γ) 及 Ψ( I ,γ) 。
通过式(1) 计算电磁转矩 Tem ( I ,γ) ,在诸多 Tem ( I ,γ) 中 ,找出最大值 T ( I) = Tem ( I ,γb ) ,该值即为电流 I 下恒转矩运行时的优化电磁转矩。
由式 (2) 可得电流 I 下的转折电角速度为 :

式中 U ———abc 坐标系下相电压最大值在γ∈[γb ,180°]范围内 ,电机运行于弱磁状态。
给出角度γ,可计算电磁转矩 Tem ( I ,γ) 和电角速度 ω( I ,γ) = ( U - IR)ΠΨ( I ,γ) 。
利用路计算 CAD 可得到任意电角速度下的损耗转矩 ,由此得到电流I 下电动机转矩转速特性曲线。
改变电流 I ,可得电机不同电流下的机械特性曲线。
这一设计计算过程如图 3 所示。
4. 样机电机的设计
电动汽车的原型车为一台轻微型客车 ,根据电动汽车的性能要求 , 驱动电的额定转速为3000r/min ,最高转速为 5500r/min ,驱动电机在0~3000r/min 时需输出 40N·m 转矩才能同时满足电动汽车的起动加速及低速爬坡要求 ,在 5500r/min转速时输出 16N·m 转矩能够满足电动汽车的最高车速要求。
选择蓄电池的标称电压为 240V。
利用异步电动机 Y112M-6 定子铁心冲片、机壳及端盖 ,并设计为 7. 5kW 永磁同步电动机 (3000r/min) ,定子斜槽一个齿距。
经过场路结合设计计算得图 4 所示的不同电机电流下的计算转矩转速特性曲线 ,其额定负载运行时的计算效率达 93. 7 %。

图 4  样机在不同电机电流下的计算转矩转速特性曲线
1 : I = 80A 2 : I = 60A 3 : I = 40A
5. 样机试验
图 5 为电机电流达 80A 时试验转矩转速特性曲线 ,可以看出与计算曲线符合较好。
图 6 为不同转速下电机的效率曲线 ,可以看出 ,电机具有较高的效率。

图 5  试验转矩转速曲线

图 6 不同转速下效率曲线
6. 结论
电动汽车具有各种不同的运行状态 ,如起动加速、制动减速、平路或爬坡及下坡的稳态行驶 ,电动汽车的负载大小经常是不同的。
因此作为驱动电机的永磁同步电动机设计必须考虑到这诸多不同运行状态。
本文考虑到永磁同步电动机在电动汽车驱动中所存在的强烈的磁路饱和、交直轴磁路耦合以及电动汽车的各种不同运行状态 ,给出永磁同步电动机的场路结合计算方法。
试验结果表明 ,本文所给出的场路结合计算方法能够满足工程实际需要。
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