电动汽车用永磁同步电动机设计

12月煤　　炭　　学　　报

JOURNALOFCHINACOALSOCIETY

Vol.29　No.6　Dec.　2004　

　　文章编号:0253-9993(2004)06-0752-04

电动汽车用永磁同步电动机设计

吴延华1,许家群2

(11黑龙江科技学院自动化系,黑龙江哈尔滨　150027;21清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京　100084)

摘　要:为推进永磁同步电动机在电动汽车驱动中的应用,对电动汽车驱动用永磁同步电动机的设计进行了研究.从电动汽车牵引电机的运行特性入手,分析了影响永磁同步电动机参数确定的因素.应用电磁场分析方法给出了永磁同步电动机转子永磁体结构的选择原则.应用场路耦合计算方法设计了电动客车用永磁同步电动机样机.实验结果表明,样机的低速转矩大、恒功率区宽,性能满足整车的需要.关键词:电动汽车;永磁同步电动机;运行特性中图分类号:TM341　　　文献标识码:A

Designofpermanentmagnetsynchronousmotorinelectricvehicledrive

WUYan2hua1,XUJia2qun2

(11Dept1ofAutomation,HeilongjiangInstituteofScienceandTechnology,Harbin　150027,China;21StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,TsinghuaUniversity,Beijing　100084,China)

Abastract:InordertopromotetheapplicationofPMSM(permanentmagnetsynchronousmoter)toEV(electricvehi2cle)drive,thedesignofPMSMinEVdrivewasstudied1Withaviewtooperationcharacteristicoftractionmotor,mainfactorsinfluencingtheconfirmationofPMSMparameterswereanalyzed1Choiceprincipleofpermanent2magnetstructureinrotorwaspresentedbasedonelectromagneticfieldanalysis1Accordingtofield2circuitcoupledmethod,aPMSMprototypewasdeveloped1SuchexperimentalresultaswideconstantpowerrangeandhightorqueatlowspeedshowsthatthePMSMprototypecanmeetEVdrivewell1

Keywords:electricvehicle(EV);permanentmagnetsynchronousmotor(PMSM);drivecharacteristic

　　电动汽车电驱动系统是实现整车驱动性能的关键.电动汽车的负载范围和速度范围都较宽,且运行于不同的路况下,同时要靠车载蓄电池等有限能量电源供电,造成其驱动用电动机的运行工况非常复杂.电动汽车驱动用电机系统应具有尽可能高的转矩密度、瞬时功率,良好的转矩控制能力、高可靠性及在宽调速范围内的高效率.电动汽车用电动机的开发必须综合考虑上述因素,保证系统性能优异、高效和可靠.　　目前,在电动汽车电驱动系统中,永磁同步电动机系统以其高效、高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性及低振动噪声的特点受到国外电动汽车界的高度重视,尤其在日本得到了极为广泛的应用,是电动汽车电驱动系统的理想选择[1],但国内目前对此进行的应用与研究还很少.本文以电动客车的研发为背景,就电动汽车驱动用永磁同步电动机性能参数的确定、转子永磁体结构的选择、电磁设计方法等问题进行了研究,开发了样机并进行了实验.

收稿日期:2004-03-15

　　作者简介:吴延华(1953-),男,上海人,副教授.E-mail:wuyanhua108@1631com

第6期吴延华等:电动汽车用永磁同步电动机设计753

1　电动汽车用永磁同步电动机的设计

111　PMSM参数的确定

　　电动汽车驱动用PMSM具有如图1所示的转矩转速及功率转速特性曲线,即在转折转速nb以下电机处于恒转矩运行范围,在nb以上电机处于恒功率运行范围.图中,T2和P2分别为电机的输出转矩及功率.

　　加速性能是电动汽车的基本要求之一,以静止加速时间tf来衡量.为分析方便,不计各种阻力,此时电机的输出转矩全部用作电动汽车的加速,则电动汽车的加速度a表示为

dvFa==,

dtm

式中,F为车轮的驱动力;m为车的质量;v为车速.

(1)图1　电动汽车用PMSM的特性曲线

Fig11　CharacteristiccurvesofPMSMinEVdrive

　　根据图1,当设计车速vf大于电机转折转速nb所对应的车速vb时,驱动力F与电机最大功率P2max间的关系为F=

P2max/vb　　(v≤vb),P2max/v　　(v>vb).

vf

(2)

　　由式(1),(2)可以得到电动汽车由静止加速到设计车速vf所需的时间为

tf=

∫

0

tf

dt=m

∫F

0

dv=m

∫P

0

vb

dvvb

2max/

+m

∫P

f

v

dvv

vb

2max/

,

电动机的最大功率为

2

P2max=m(v2b+vf)/2tf.

　　可以看出,电动汽车所需要的最大功率与电机的转折转速密切相关,当PMSM最大功率一定时,降低

转折转速,可提高电机的低速转矩,从而提高电动汽车的低速爬坡能力,减少静止加速时间.而提高电机的转折转速则有利于降低其体积、减轻其重量,这对于提高电机的功率密度是非常重要的[2].　　PMSM的参数确定需结合最高车速和额定车速.在确定的转折转速下,提高电动机的最高转速将增加弱磁运行区域,这会增加电动机的机械损耗、铁耗及逆变器的开关损耗,提高逆变器的成本.而且传动系统的体积、重量和损耗也将加大.因此,应在考虑低速转矩与转折转速的基础上决定电动机的最高转速.同时,为使牵引电机具有长时间的高运行效率,额定车速应设计处于牵引电机的额定转速附近.　　PMSM的参数确定还要考虑逆变器极限电压及极限电流的限制.由于逆变器的功率器件的电压等级一定,因此,对于非混合动力电动汽车来说,在所需蓄电池组容量一定的前提下,尽可能提高母线电压可使蓄电池组的体积、质量及电机体积有效降低.112　电动汽车用PMSM转子的结构选择　　高转矩密度要求使得电动汽车驱动用PMSM宜选用内置式磁体结构,可分为瓦片型及U型两种基本结构[3].为进行有效比较,调整磁体宽度及隔磁桥尺寸,保证两种结构电机具有相同的空载电动势和空载漏磁系数,且结构定子相同.　　表1为相应电感参数的比较.其中Id,Iq分别为直、交轴电流;Lad,Laq分别为直、交轴电感;BδIN为空载气隙磁密;BδId为负载气隙磁密;σ0为空载漏磁系数.可见,U型结构电机最大直轴电流时的电感更大,即弱磁能力更强.对牵引电机来说,降低直轴电流意味着有更大的交轴电流用以提供有功功率.　　两种结构电机交、直轴电感与电流的关系如图2所示.分析图2可知,交轴电感由于交轴磁路饱和因素受交轴电流的影响较大,但直轴磁路的耦合因素对其影响较小;直轴电感在大直轴电流下没有磁路饱和及耦合影响,在小直轴电流下有这种影响.另外,在相同交直轴电流下,U型结构电机交轴电感更大,因此凸极率大小与交直轴电流有关.两种结构电机在大交轴电流和小直轴电流下都有相对较小的交轴电感和

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煤　　炭　　学　　报

2004年第29卷

相对较大的直轴电感,导致PMSM低速大转矩运行时电机的凸极率很小.

表1　电感参数的比较

Table1　Comparisonofinductanceparameters

磁体结构

U型

空　载

BδIN/T

Id=200A,Iq=0Iq=200A,Id=0

La/mH

σ0

1132911327

Lad/mHBδId/T

0186301838

01390133

0132701448

01230

01175

瓦片型

图2　PMSM电感随电流的变化

Fig12　InductancechangeofPMSMwithcurrent

(a),(b)U型磁路结构;(c),(d)瓦片型磁路结构;1～5———Iq=40,80,120,160,200A

　　图3给出了两种结构电机空载、最大直轴电流负载及最大交轴电流负载下永磁体表面磁密分

布.可以看出,永磁体表面平均磁密和最低局部磁密都相差不大.对最大交轴负载,瓦片型结构永磁体表面磁密表现出明显的去增磁效果,U型结构这一效果并不明显,但瓦片式结构在交轴电枢磁动势作用下的磁体表面最低局部磁密大于相同数值的直轴磁动势作用下的最低局部磁密.因此,两种结构抗失磁能力相近.　　综合上述分析,U型磁体结构在弱磁能力、制造成本方面有优势,永磁体摆放空间也更宽余,这对于多用永磁体增大漏磁系数的设计原则有利.但其凸极率特别是低速下的凸极率小,且其机械强度也比瓦片式结构差.因此,电动汽车驱动用PMSM应综合考虑电机的弱磁能力、抗失磁能力、机械强度及磁阻转矩的利用等方面的具体情况来选择磁体结构.113　电动汽车用PMSM场路结合设计计算　　电动汽车用PMSM的高转矩密度特点,使电机不但需采用高磁能磁体,而且需馈入大电流,导致电机中磁力线分布极不均匀,特别在定子部分齿和转子隔磁桥部分出现局部饱和现象;同时PMSM与电励磁电机不同,交直轴具有一定程度的共磁路,图4为某电动汽车用PMSM分别在交、

图4　负载时的磁力线分布

Fig14　Distributionofmagneticlinewithload

(a)直轴负载场;(b)交轴负载场

图3　两种结构电机永磁体表面磁密分布

Fig13　DistributionoffluxdensityatsurfaceofPM

(a)瓦片型结构;(b)U型结构;1———Id=0,Iq=0;

2———Id=0,Iq=200A;3———Id=200A,

Iq=0

第6期吴延华等:电动汽车用永磁同步电动机设计755

直轴电流作用下的磁力线分布.上述问题难以用路的方法设计计算[4],因此本文应用场路结合方法解决该问题[4,5].　　电动汽车用PMSM的设计需综合考虑运行工况,其场路结合设计重点在于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.　　PMSM的电磁转矩Tem及感应电动势E为

)=mp[ΨfIsinγ+(Ld-Lq)Isin(2γ)/2],Tem(I,γ

Ψ(I,γ)=ωE=ω

(Ψf+LdIcosγ)2+(LqIsinγ)2,

),Ld(I,γ)及其中m为电机相数.给定电流I,由FEM计算γ在90～180°范围内的交直轴电感Lq(I,γ磁链Ψ(I,γ),计算Tem(I,γ)并找出最大值,该值即为电流I下恒转矩运行时的优化电磁转矩.当电机运行于弱磁状态时,给出角度γ,计算Tem(I,γ)和电角速度ω(I,γ)=(U-IR)/Ψ(I,γ).利用路计算

得到损耗转矩,由此得到电流I下电动机转矩转速特性曲线.改变电流I,可得不同电流下的机械特性曲线.

2　样机开发及实验　　以某微型客车为原型车,6极PMSM样机额定功率设计为715kW,采用感应电机Y112M-6定子铁心冲片和机壳.由于应用于

城市环境,样机采用了瓦片型磁体结构,采用较大永磁磁密及较少绕组串联匝数设计和风冷方式.以测功机作负载,矢量控制方式下实测样机转矩转速特性如图5所示.可见,样机的低速转矩大、恒功率区宽,从而使整车既具有强起动加速及低速爬坡能力,又具有较高的最高速度.

图5　转矩-转速曲线

Fig15　Curveoftorqueandspeed

3　结　　语

　　电动汽车驱动用PMSM的性能参数需综合整车的结构参数、性能指标进行确定,永磁体结构应根据工

况综合考虑电机的弱磁能力、抗失磁能力、机械强度及磁阻转矩的利用等方面的具体情况进行选择.运用场路结合方法是解决具有严重的局部饱和及共磁路特点的电动汽车用PMSM电磁设计的有效手段.参考文献:

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