通過分析永磁材料磁特性、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式、電樞繞組方式和控制策略對(duì)永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能的影響。選用具有高剩磁感應(yīng)強(qiáng)度、高內(nèi)稟矯頑力和高最大磁能積的釹鐵硼稀土永磁材料，采用穩(wěn)態(tài)性能好、功率密度高的內(nèi)嵌永磁鋼轉(zhuǎn)子。槽滿率高、銅材消耗少、齒槽轉(zhuǎn)矩小的分?jǐn)?shù)槽集中繞組以及直接轉(zhuǎn)矩弱磁擴(kuò)速控制策略．給出了提升新能源汽車永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能的最優(yōu)設(shè)計(jì)方法。

引言

目前世界范圍內(nèi)能源嚴(yán)重缺乏．生態(tài)環(huán)境急劇惡化，環(huán)境保護(hù)問題日益突出，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)迫在眉睫，新能源汽車成為全球節(jié)能與環(huán)保領(lǐng)域里最受推崇的新興產(chǎn)業(yè)。汽車電氣化技術(shù)提高更受人們關(guān)注。而作為混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車“發(fā)動(dòng)機(jī)”的驅(qū)動(dòng)電機(jī)．成為直接關(guān)系新能源汽車性能與節(jié)能減排的核心部件。永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有高功率密度、高效率、脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩小和較寬的弱磁調(diào)速范圍，是節(jié)能、環(huán)保新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最佳選擇。為了更好發(fā)揮永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的價(jià)值，本文在繼續(xù)突破永磁材料研究瓶頸的基礎(chǔ)上，優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能，推進(jìn)新能源汽車更好地發(fā)展。

永磁材料對(duì)永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能的影響

近年來，永磁材料發(fā)展迅速、種類繁多，目前最常用的主要種類有：鐵氧體永磁材料、鋁鎳鈷永磁材料和釹鐵硼稀土永磁材料等。永磁材料的發(fā)展歷程如圖1所示。

鐵氧體永磁材料的突出優(yōu)點(diǎn)是不含稀土元素和鈷、鎳等貴重金屬，價(jià)格低廉，制造工藝簡(jiǎn)單，矯頑力大，抗去磁能力強(qiáng)，密度小，質(zhì)量輕。但鐵氧體永磁材料硬而脆，不能進(jìn)行電加工，生產(chǎn)出來的電機(jī)功率小、效率低。鋁鎳鈷永磁材料的特點(diǎn)是溫度系數(shù)低、剩磁感應(yīng)強(qiáng)度高、矯頑力低．易充磁和去磁，但含有鈷這種貴重金屬，所以價(jià)格很高。釹鐵硼稀土永磁材料以其優(yōu)異的磁性能成為永磁材料的主力軍，其磁性能遠(yuǎn)超過鐵氧體和鋁鎳鈷等其他磁性材料。

新一代釹鐵硼永磁材料發(fā)展至今，其室溫下剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度曰，已達(dá)到147T。內(nèi)稟矯頑力鞏最高可超過1000kA/m，最大磁能積(BH)高達(dá)398kj/m，為鐵氧體永磁材料的5～12倍、鋁鎳鈷永磁材料的3～10倍。釹鐵硼永磁材料的不足之處是居里溫度較低，在高溫下使用時(shí)磁損失較大，熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性和抗氧化性差，因此要根據(jù)磁體的使用環(huán)境來對(duì)其表面進(jìn)行涂層處理．以滿足車用環(huán)境要求。

釹鐵硼稀土永磁材料的磁性能和機(jī)械性能都明顯高于鐵氧體和鋁鎳鈷永磁材料，加工性能好，我國(guó)稀土產(chǎn)量占世界總量的80％以上。具有得天獨(dú)厚的稀土資源，因此釹鐵硼稀土永磁材料更加適用于新能源汽車永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能的影響

永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)以轉(zhuǎn)子上永磁鋼的安裝方式可分為表面式和內(nèi)置式兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又可分為表貼式和嵌入式兩種．內(nèi)置式按永磁鋼勵(lì)磁方向可分為徑向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和集徑向與切向?yàn)橐惑w的混合磁路的永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其d軸和q軸電感相等，轉(zhuǎn)子不具有凸極效應(yīng)，因此不產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，由于永磁鋼直接暴露在氣隙磁場(chǎng)中，導(dǎo)致永磁鋼易退磁，其弱磁能力受到限制。嵌入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，q軸電感大于d軸電感，轉(zhuǎn)子具有凸極效應(yīng)，因此有磁阻轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生。

利用磁阻轉(zhuǎn)矩可有效提高電機(jī)的功率密度。嵌入式結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能較表貼式有所改善，但漏磁系數(shù)和制造成本均大于表貼式。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁鋼位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁鋼外表面與定子鐵心內(nèi)圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴。用以保護(hù)內(nèi)置式轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)的永磁鋼．因其轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)具有不對(duì)稱性而產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。有助于提高永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的過載能力和功率密度。而且易于“弱磁”擴(kuò)速。

選用合適的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能有著極其重要的影響。日本豐田公司生產(chǎn)的混合動(dòng)力汽車Prius(2003、2004、2010)、2007Ca唧和2008LS600h，本田公司生產(chǎn)2005Accord．其主驅(qū)動(dòng)電機(jī)都采用了永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不盡相同。其中，2005Accord為表面嵌入式結(jié)構(gòu)，Prius、2007Camry和2008Ls600h為內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，2003Prius的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為“一”字型，2004Prius、2010Prius和2007Camry為“V”字型。2008Ls600h為“三角”型結(jié)構(gòu)，如圖2所示，主要參數(shù)如表1

由表l可以看出．內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的2004Prius、2007CaII研、2010Prius和2008Ls600h驅(qū)動(dòng)電機(jī)比表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的2005Accord驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率、最大轉(zhuǎn)速和功率密度都有明顯的提高。并且不同的永磁體內(nèi)置結(jié)構(gòu)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)也有著較大影響。

綜合以上論述，內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能好，能提供大轉(zhuǎn)矩和大功率，功率密度高。另外，內(nèi)置式轉(zhuǎn)子中不同結(jié)構(gòu)類型對(duì)永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)也有較大的影響。因此，加強(qiáng)對(duì)內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究。探索經(jīng)濟(jì)性好、性能優(yōu)異的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)提升永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能具有重要意義。

電樞繞組對(duì)永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能的影晌

永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)電樞繞組根據(jù)線圈繞定的形狀與嵌線方式不同，可分為分布式繞組和集中式繞組。根據(jù)電機(jī)每極每相槽數(shù)q=刀(印m)不同，可分為整數(shù)槽繞組和分?jǐn)?shù)槽繞組。

采用分?jǐn)?shù)槽或整數(shù)槽是根據(jù)電機(jī)性能和生產(chǎn)工藝來考慮的，采用分?jǐn)?shù)槽繞組較整數(shù)槽繞組有如下優(yōu)點(diǎn)同：

1）平均每對(duì)磁極下對(duì)應(yīng)的槽數(shù)大為減少，以較少數(shù)目的大槽代替較多數(shù)目的小槽，電樞沖片槽數(shù)較少．電樞鐵芯制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，同時(shí)又可減少槽絕緣相對(duì)占據(jù)的空間，有利于提高槽滿率，進(jìn)而提高電機(jī)性能。

2）一般采用分?jǐn)?shù)槽時(shí)，電機(jī)線圈端部較短，不僅通過節(jié)約銅線使電機(jī)繞組電阻減少，而且同等情況下減少了電機(jī)銅耗，提高電機(jī)效率和降低溫升。

3）當(dāng)不采用斜槽時(shí)，可通過繞組的短距和分布效應(yīng)。改善反電動(dòng)勢(shì)波形的正弦性，進(jìn)而減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲。

4）當(dāng)采用節(jié)距l(xiāng)，=1(分?jǐn)?shù)槽集中繞組)時(shí)，可采用自動(dòng)繞線，不僅提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，簡(jiǎn)化嵌線工藝和接線，而且降低了成本，與此同時(shí)，每個(gè)線圈只繞在一個(gè)齒上，縮短了線圈周長(zhǎng)和繞組端部伸出長(zhǎng)度．進(jìn)一步降低用銅量，各個(gè)線圈端部沒有重疊。不必設(shè)相間絕緣。

5）通過極槽配合的合理選?。捎梅?jǐn)?shù)槽集中繞組相對(duì)于整數(shù)槽繞組對(duì)減少齒槽轉(zhuǎn)矩、提高輸出功率更為行之有效，且其弱磁擴(kuò)速能力也有一定提高。

與整數(shù)槽繞組相比分?jǐn)?shù)槽繞組的主要不足之處是：槽數(shù)與極數(shù)選擇有嚴(yán)格的約束、繞組系數(shù)稍低、繞組電感較大、電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)有諧波導(dǎo)致轉(zhuǎn)子渦流損耗和噪聲。目前，選擇有較低磁動(dòng)勢(shì)諧波的極槽配合、轉(zhuǎn)子鐵軛采用疊片式降低渦流損耗、采用高電阻率的永磁材料、適當(dāng)增大氣隙、調(diào)整槽口寬度等措施都能有效彌補(bǔ)分?jǐn)?shù)槽繞組的不足之處。

根據(jù)以上分析，分?jǐn)?shù)槽繞組可以有效提高槽滿率，降低電機(jī)銅耗，減少齒槽轉(zhuǎn)矩，無論是性能指標(biāo)還是經(jīng)濟(jì)陛。更加適合永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

控制策略對(duì)永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能的影響

永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)目前典型的兩種控制策略是矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。兩者有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)。矢量控制是建立在被控永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型之后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩通過控制電樞繞組電流來實(shí)現(xiàn)。

永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)在矢量控制下低速轉(zhuǎn)矩相對(duì)平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量的控制下，不需要無功勵(lì)磁電流，因此單位電流可產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩。相對(duì)于矢量控制。直接轉(zhuǎn)矩控制省去了復(fù)雜的空間坐標(biāo)變換．只需采用定子磁鏈定向控制，便可在定子坐標(biāo)系內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)磁鏈、轉(zhuǎn)矩的直接觀察和控制，具有控制方式簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快和便于實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的優(yōu)點(diǎn)。

目前，先進(jìn)的控制算法應(yīng)用于兩種控制策略取得了不錯(cuò)的成效，如基于滑模變結(jié)構(gòu)的永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制，解決了傳統(tǒng)永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中存在的電流、磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大的問題嗍。

基于占空比控制的永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)新型直接轉(zhuǎn)矩控制方法，通過精確的數(shù)學(xué)模型利用轉(zhuǎn)矩誤差計(jì)算出當(dāng)前所選有效電壓矢量的作用時(shí)間在整個(gè)采樣周期中的占空比。實(shí)時(shí)地調(diào)整有效電壓矢量的作用時(shí)間．有效減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)?；诒壤环e分一微分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的小腦模型關(guān)節(jié)控制器CMAC研D)引入到永磁同步電動(dòng)機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)中，取代傳統(tǒng)的雙環(huán)控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速外環(huán)PI控制器等。

另外，在矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制策略研究的基礎(chǔ)上，高性能控制技術(shù)也發(fā)展迅速，極大地提升了永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的各項(xiàng)性能。

1)弱磁擴(kuò)速技術(shù)。電動(dòng)汽車尤其是直接驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)汽車需要永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)有較寬的調(diào)速范圍．而電機(jī)的調(diào)速范圍受限于電機(jī)本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和基速以上恒功率區(qū)的范圍。針對(duì)這一情況需要進(jìn)行弱磁控制。采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)使電機(jī)具有凸極效應(yīng)．并充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩拓寬弱磁區(qū)域的范圍。

2)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制技術(shù)。永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的原因主要有兩方面：自身結(jié)構(gòu)引起的非理想化磁路和控制方法對(duì)引入?yún)?shù)的誤差放大。因此。通過優(yōu)化永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，改善轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)分布，也可從電機(jī)控制層面出發(fā)，優(yōu)化控制策略，減小定子齒槽轉(zhuǎn)矩，最終實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制

綜合以上分析，內(nèi)置式永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用直接轉(zhuǎn)矩控制弱磁擴(kuò)速技術(shù)。對(duì)自身性能的提升有著顯著的效果。

結(jié)束語

本文分析了永磁材料磁特性、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、電樞繞組和控制策略對(duì)永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能的影響，永磁鋼采用釹鐵硼稀土永磁材料、轉(zhuǎn)子選用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)、電樞繞組選用分?jǐn)?shù)槽繞組并同時(shí)配合直接轉(zhuǎn)矩弱磁擴(kuò)速技術(shù)。能有效提升永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要性能指標(biāo)。