【導讀】研製開發電動車的關鍵主要有兩個方面,一是生產高能量密度的電池,二是開發性能優良的驅動系統。 在各類驅動電機中,永磁同步電機能量密度高,效率高、體積小、慣性低、回應快,有很好的應用前景。 主要介紹了電動車驅動用永磁同步電機的幾種常見類型以及目前的研究熱點。
1 永磁同步電機的特點
永磁同步電動機與其他電機的最主要的區別是轉子磁路結構。 按照永磁體在轉子上位置的不同可分為三種:表面突出式、表面插入式和內置式。
1)表面突出式結構
表面凸出式轉子結構中的永磁磁極易於實現最優設計,使之成為能使電動機氣隙磁密波形趨近於正弦波的磁極形狀,可顯著提高電動機乃至整個傳動系統的性能[1];具有結構簡單、製造成本較低、轉動慣量小,動態回應快,轉矩脈動低等優點。 但由於弱磁調速範圍小,功率密度低,所以與其他轉子結構相比,在電動車驅動方面沒有優勢。
2)表面插入式結構
特點是可充分利用轉子磁路的不對稱性所產生的磁阻轉矩,提高電動機的功率密度,動態性能較凸出式有所改善,製造工藝也較簡單,但漏磁係數和製造成本都大。 這種結構型式的永磁同步電動機為豐田汽車公司的蓄電池電動車RAV4所採用。 本田汽車公司PLUS電動車的第二代驅勸電機也採用了這種結構。
表1本田汽車公司PLUS電動車兩代驅動電機
3)內置式結構
內置式永磁同步電機也稱為混合式永磁磁阻電機。 該電機在永磁轉矩的基礎上迭加了磁阻轉矩。
內置式永磁同步電機驅動系統的設計理論正在不斷完善。
目前應用于電動車驅動的永磁同步電機以內置式為主。 日本豐田汽車公司的混合電動車prius,就採用了內置式結構的永磁同步電機。 當前,美國汽車公司在新車型設計中也主要採用內置式永磁同步電機。
2 研究熱點及發展趨勢
2.1電機結構設計研究熱點
永磁同步電機的功率因數大,效率高,功率密度大,是一種比較理想的驅動電機。但正由於電磁結構中轉子勵磁不能隨意改變,導致電機弱磁困難,調速特性不如直流電機[1]。目前,永磁同步電機理論還不如直流電機和感應電機完善,還有許多問題需要進一步研究,主要有以下兩方面。
1)電機效率:永磁同步電機低速效率較低,如何通過設計降低低速損耗,減小低速額定電流是目前研究的熱點之一。
2)電機的弱磁能力:永磁同步電機由於轉子是永磁體勵磁,隨著轉速的升高,電動機電壓會逐浙達到逆變器所能輸出的電壓極限,這時要想繼續升高轉速只有靠調節定子電流的大小和相位增加直軸去磁電流來等效弱磁提高轉速。電機的弱磁能力大小主要與直軸電抗和反電勢大小有關,但永磁體串聯在直軸磁路中,所以直軸磁路一般磁阻較大,弱磁能力較小;電機反電勢較大時,也會降低電機的最高轉速。
為了提高電機效率、擴大電機的弱磁能力,國內外提出了許多弱磁設計方案:其中代表性的主要有:
(1)定子採用深槽結構:通過採用深槽結構增
加直軸漏杭,從而增加電機的弱磁能力。日本人採用這種方法設計出的樣機最高速度可達13000r/min。但採用這種方法高速鐵耗比較大。日本電機採用了高性能低飽和矽鋼片,採用普通的矽鋼片材料設計效果不會很好。
(2)複合轉子結構
複合式轉子由永磁段和磁阻段組成,安放在同一定子鐵芯內,如圖1所示。永磁段轉子為電機出力的主體部分,磁阻段用於控制直、交軸電抗參數。這種結構可以增大電機的直軸電抗,擴大電機的轉速範圍。第一次提出複合轉子結構的是WMulegger和WTeppan。他們得到的結論是:磁阻部分的長度占整個轉子長度的20%,就可將PMSM的速度控制範圍拓寬一倍。
但這種結構同時也存在不可克服的致命副作用:即轉矩密度降低,高速時鐵耗很大。這一結構還需進一步改善。
(3)雙套定子繞組:低速時採用低速繞組提高
電機的轉矩、降低電流從而提高電機的效率,高速時採用高速繞組降低電機的反電勢擴大電機的高速運行範圍。美國SatCon技術公司就採用了這項技術。瀋陽工業大學和香港大學也對這項技術進行了研究。香港大學通過實驗證明採用雙套繞組後永磁同步電機的最高轉速可由2000r/min擴大到4500r/min以上。
2.2 控制技術研究熱點
電動車驅動電機要求低速大轉矩且有一定的高速恒功率運行範圍,所以相應控制策略的研究也主要集中在提高低速轉矩特性和高速恒功率特性上。
低速控制策略:為了提高驅動電機的低速轉矩,一般採用最大轉矩控制。早期永磁同步電機轉子採用表面式磁鋼,由於直軸和交軸磁路的磁阻相同,所以採用id=0控制。控制命令中直軸電流設為0,從而實現最大轉矩控制。隨著同步電機結構的發展,永磁同步電機轉子多採用內置式磁鋼,利用磁阻轉矩增加電機的輸出轉矩。id=0控制電機電樞電流的直軸分量為0,不能利用電機的磁阻轉矩,控制效果不好。目前,永磁同步電機低速時常採用向量控制,包括氣隙磁場定向、轉子磁鏈定向、定子磁鏈定向等。
高速控制策略:為了獲得更寬廣的恒功率運行範圍,永磁同步電機高速運行通常採用弱磁控制。
另外,在電機採用低速轉矩控制和高速弱磁控制的同時,還要考慮如何提高電機的效率。
目前,國內外很多研究部門對永磁同步電機的控制策略進行了研究。
新加坡理工大學電氣學院研究的永磁同步電機控制策略低速時通過恒轉矩控制模組計算出產生轉矩所需直軸和交軸電流的大小,進行恒轉矩控制;高速時運行於弱磁控制模式,根據直軸和交軸電流的參考值計算所需的電樞電流大小。
日本大阪大學通過控制電樞電流的直軸成分減小電機的損耗,從而提高電機的效率。通過對不同參數的電機進行模擬,結果表明利用直軸電流的弱磁效應可以提高電機的效率。
我國有關單位採用磁場定向向量控制方法,把電流向量分成產生磁通的電流分量和產生轉矩的電流分量,電機比id=0控制時提供的輸出功率更大。用電壓外回路,可自動執行弱磁控制,在恒功率範圍內,系統受負載情況和電機參數影響小。
目前,永磁同步電機的發展趨勢主要有以下幾方面:
(1)無位置感測器永磁同步電機驅動系統;
(2)具有磁場控制的永磁同步電機驅動系統;
(3)輪式永磁同步電機驅動系統;
(4)動力傳動一體化電機驅動系統(電機、減速齒輪、傳動軸);
(5)雙饋電永磁同步電機驅動系統。
2 研究熱點及發展趨勢
2.1電機結構設計研究熱點
永磁同步電機的功率因數大,效率高,功率密度大,是一種比較理想的驅動電機。但正由於電磁結構中轉子勵磁不能隨意改變,導致電機弱磁困難,調速特性不如直流電機[1]。目前,永磁同步電機理論還不如直流電機和感應電機完善,還有許多問題需要進一步研究,主要有以下兩方面。
1)電機效率:永磁同步電機低速效率較低,如何通過設計降低低速損耗,減小低速額定電流是目前研究的熱點之一。
2)電機的弱磁能力:永磁同步電機由於轉子是永磁體勵磁,隨著轉速的升高,電動機電壓會逐浙達到逆變器所能輸出的電壓極限,這時要想繼續升高轉速只有靠調節定子電流的大小和相位增加直軸去磁電流來等效弱磁提高轉速。電機的弱磁能力大小主要與直軸電抗和反電勢大小有關,但永磁體串聯在直軸磁路中,所以直軸磁路一般磁阻較大,弱磁能力較小;電機反電勢較大時,也會降低電機的最高轉速。
為了提高電機效率、擴大電機的弱磁能力,國內外提出了許多弱磁設計方案:其中代表性的主要有:
(1)定子採用深槽結構:通過採用深槽結構增
加直軸漏杭,從而增加電機的弱磁能力。日本人採用這種方法設計出的樣機最高速度可達13000r/min。但採用這種方法高速鐵耗比較大。日本電機採用了高性能低飽和矽鋼片,採用普通的矽鋼片材料設計效果不會很好。
(2)複合轉子結構
複合式轉子由永磁段和磁阻段組成,安放在同一定子鐵芯內,如圖1所示。永磁段轉子為電機出力的主體部分,磁阻段用於控制直、交軸電抗參數。這種結構可以增大電機的直軸電抗,擴大電機的轉速範圍。第一次提出複合轉子結構的是WMulegger和WTeppan。他們得到的結論是:磁阻部分的長度占整個轉子長度的20%,就可將PMSM的速度控制範圍拓寬一倍。
但這種結構同時也存在不可克服的致命副作用:即轉矩密度降低,高速時鐵耗很大。這一結構還需進一步改善。
(3)雙套定子繞組:低速時採用低速繞組提高
電機的轉矩、降低電流從而提高電機的效率,高速時採用高速繞組降低電機的反電勢擴大電機的高速運行範圍。美國SatCon技術公司就採用了這項技術。瀋陽工業大學和香港大學也對這項技術進行了研究。香港大學通過實驗證明採用雙套繞組後永磁同步電機的最高轉速可由2000r/min擴大到4500r/min以上。
2.2 控制技術研究熱點
電動車驅動電機要求低速大轉矩且有一定的高速恒功率運行範圍,所以相應控制策略的研究也主要集中在提高低速轉矩特性和高速恒功率特性上。
低速控制策略:為了提高驅動電機的低速轉矩,一般採用最大轉矩控制。早期永磁同步電機轉子採用表面式磁鋼,由於直軸和交軸磁路的磁阻相同,所以採用id=0控制。控制命令中直軸電流設為0,從而實現最大轉矩控制。隨著同步電機結構的發展,永磁同步電機轉子多採用內置式磁鋼,利用磁阻轉矩增加電機的輸出轉矩。id=0控制電機電樞電流的直軸分量為0,不能利用電機的磁阻轉矩,控制效果不好。目前,永磁同步電機低速時常採用向量控制,包括氣隙磁場定向、轉子磁鏈定向、定子磁鏈定向等。
高速控制策略:為了獲得更寬廣的恒功率運行範圍,永磁同步電機高速運行通常採用弱磁控制。
另外,在電機採用低速轉矩控制和高速弱磁控制的同時,還要考慮如何提高電機的效率。
目前,國內外很多研究部門對永磁同步電機的控制策略進行了研究。
新加坡理工大學電氣學院研究的永磁同步電機控制策略低速時通過恒轉矩控制模組計算出產生轉矩所需直軸和交軸電流的大小,進行恒轉矩控制;高速時運行於弱磁控制模式,根據直軸和交軸電流的參考值計算所需的電樞電流大小。
日本大阪大學通過控制電樞電流的直軸成分減小電機的損耗,從而提高電機的效率。通過對不同參數的電機進行模擬,結果表明利用直軸電流的弱磁效應可以提高電機的效率。
我國有關單位採用磁場定向向量控制方法,把電流向量分成產生磁通的電流分量和產生轉矩的電流分量,電機比id=0控制時提供的輸出功率更大。用電壓外回路,可自動執行弱磁控制,在恒功率範圍內,系統受負載情況和電機參數影響小。
目前,永磁同步電機的發展趨勢主要有以下幾方面:
(1)無位置感測器永磁同步電機驅動系統;
(2)具有磁場控制的永磁同步電機驅動系統;
(3)輪式永磁同步電機驅動系統;
(4)動力傳動一體化電機驅動系統(電機、減速齒輪、傳動軸);
(5)雙饋電永磁同步電機驅動系統。