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新能源汽车永磁同步电机与控制系统的设计应用

韩新江

上海联孚新能源科技集团有限公司　上海市　201201

摘　要：随着全球环境压力的不断加大,新能源汽车已成为全球汽车产业升级换代的主要发展方向,电池技术、电机技术、整车控制技术作为新能源汽车的三大核心技术,在汽车应用方面有了更高的要求,研究开发新型新能源汽车专用电机和控制器系统,对于我国民族汽车工业发展,具有十分重要和深远的意义.随着永磁同步电机各应用领域的快速发展,本文以永磁同步电动机设计和控制系统算法设计为对象展开研究,发现永磁电机在新能源汽车行业具有良好的市场应用前景.

关键词：新能源汽车；永磁同步电机设计；参数控制；仿真分析

1　引言

2017年4月、发展改革委、科技部联合印发《汽车产业中长期发展规划》我国汽车产量仍将保持平稳增长.预计到2020年,我国新能源汽车生产能力达200万辆,2016年新能源汽车销量达到57万辆,受益于新能源汽车市场规模的不断扩大,新能源汽车专用永磁同步电机的产销量也随之增长.

永磁同步电机因其动力性强、能耗低、体积小、能量密度高等特点,其适用范围越来越广泛,但是由于车辆使用的特殊性、复杂性,汽车对电机运行的稳定性精度要求越来越高,因此对永磁同步电机的性能和控制的设计也提出了更高的要求.

2　新能源汽车永磁同步电机的设计研究

日本1965年就开始研制电动车,德国第三代奥迪混合电动车驱动电机采用了永磁同步电机.世界各国研发使用的电机各自有各自的优点和缺点,在系统匹配上历时时间长,与现有的车辆研发生产工艺条件等情况有不足之处,因此为了能够全面、系统的进行新能源汽车永磁同步电机设计,需要从电机定子、转子、弱磁控制、模拟仿真等方面进行研究：

2.1　电机结构设计

2.1.1　电机定子结构设计

（1）长径比选择

在电机设计过程中,随着电机长径比的增加,体积增大,转子体积不变,转子转动惯量降低,电机用铜量增加,通过合理选择电机长径比,提高电机功率密度.

（2）极对数选择

在电机槽极比不变的情况下,随着电机极对数的增加,电机定子铁芯轭部用铁量减小,电机体积减小；随着电机极对数的增加,电机输入电流频率增加,电机铁耗增加,效率降低.在高速电机设计中,合理选择电机极对数,能够适当提高电机功率密度.

（3）电负荷选择

在电机热负荷一定的情况下,随着电负荷的增加,电机转子体积减小,转动惯量降低,定子外径先减小后增加,同时电机用铜量不断增加.合理选择电机电负荷,综合电机铁芯质量和用铜量,才能实现电机质量最优化,提高电机功率密度.

（4）定子槽型选择

在电机定子槽型结构设计中,定子磁路不存在磁密奇点,为均衡定子轭部各位置磁密,形成均匀旋转磁场,改善轭部和齿部与轭部交接处磁路,改善绕组漏感,并方便嵌放成型绕组,通过对槽型分析计算、性能评估、样机工艺试制与试验评测,最终发现半开口梯形槽设计符合设计要求.

2.1.2　电机转子设计

（1）电机气隙长度选择

从永磁同步电机电磁性能上来说,气隙长度越小,电机功率因数变大,电机效率增加,转矩密度增加,电机弱磁调速范围变宽,但同时也容易产生振动和噪声,而气隙长度太小,又很难保证电机运行时的同轴度,电机运行的可靠性会降低,同时电机装配难度提高.因此在气隙长度选择上,应综合考虑电机振动、噪声、气隙磁密、杂散损耗以及装配工业和生产成本.

（2）永磁体布局方式选择

在永磁电机转子永磁体布局方式选择过程中,通过利用电机有限元仿真软件进行设计与仿真,可以看出 V 型内置式结构永磁体利用率最高,可使永磁体励磁集中,漏磁减少,同时高速低转矩设计,电机转子每极空间大、交直轴电感均大幅度提高,电机弱磁范围宽,并且在很高转速时,仍然能够输出较大功率.

（3）转子表面气隙结构设计

为达到永磁同步电机平稳运行转矩的目标,需要解决气隙磁密波形中谐波含量多的问题,它对永磁同步电机的转矩脉动、震动噪声、效率等影响是非常大,需要进一步对永磁同步电机进行优化,提高气隙磁密和反电势正弦性.

2.1.3　电机温升与振动

（1）电机温升

电机电磁设计的实质从温升限值出发,确定电机各部分的几何尺寸,电机温升也是除磁路饱和外限值电机输出转矩的重要限值因素.在电机设计过程中,通过利用ANSYS软件,对电机温升进行仿真,分析电机额定转速空载定子铁芯、绕组和电机额定负载时电机定子温度分布得出结论,可以通过合理设计电机各部分材料、结构以及尺寸,优化设计电机机壳表面结构并选择高性能电机冷却方式,是降低电机温升的两个主要途径,也是降低电机温升的两大难点,见上图.

（2）振动和噪声

电机噪声一般由磁通振荡产生,由于永磁同步电动机磁极质量集中,在磁拉力和集中力的相互作用下,电机座体容易产生振动.在电机设计中,主要通过优化磁极系数和转子磁极形状减少了磁通振荡和振动电磁力.

其次,电机端盖、定子、转子产生共振也会引起噪声,通过NVH特性曲线分析得出结论：虽然不能完全避免共振,但是通过防止齿频与固有频率的一致程度,使机壳、端盖的固有频率高出130%以上,电机轴的最高转速高于额定转速35%以上就可以避免共振产生.

2.2　永磁同步电机控制策略的研究

纯电动车辆行驶中,电机控制器的控制策略和车辆行驶时的路面、驾驶员本身以及车辆自身具有密切关系,需要进行综合分析之后才能达到较好的控制效果.

控制器硬件部分主要由主电路、控制电路、采样及检测电路组成,主电路的核心部件是绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块,控制电路以英飞凌汽车级芯片TC1797为核心,构成全数字矢量控制系统,同时还具有多种故障检测及保护功能.控制器软件程序主要由控制主程序和PWM中断服务子程序组成：主程序初始化、参数设定、过压、过流保护等功能；PWM中断服务子程序完成电流采样,转速计算,矢量变换和PWM输出等功能.

为了提高系统的动态性能,控制器中采用空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法,不仅使电压利用率得到提高,还可以减少电流输出谐波和电机的转矩脉动,并且容易数字化的实现.在每个PWM周期内对部分PWM脉宽进行修正,有效改善由死区效应引起的输出波形畸变,减小误补偿随时间积累所产生的影响,在基速以下的恒力矩区采用了MTPA控制算法,实践证明这种算法在0Hz可提供200%的零速转矩,为了实现精确稳定控制,还要设计检测电路,主要采用的是霍尔（HALL）传感器和旋转变压器对电流及转速进行检测,以获得实时的电机参数.

采用空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法,再加上检测电路的实时数据,可以使得控制器及时的获取电机运行参数和整车运行参数,整个控制器系统采用速度和电流双闭环控制,内置速度控制闭环能够实现转速无静差调节的目的,内置电流控制环使转矩响应时间<10ms,实现1%高精度闭环控制,满足对电流和频率输出的更高稳定性及更高精度的要求,能够实现快速响应,保证电机和车辆平稳运行.

3　结语

永磁同步电机在新能源电动车上的应用范围在快速增加,电机性能的优劣和控制系统的匹配在未来应用过程中,还有很长的研发道路要走,本文通过在电机设计过程中,利用多种电磁和结构分析方法,对电机定子、转子、电机轴以及机壳和端盖结构尺寸进行设计和优化,同时利用多种电机分析软件,对电机的机械强度、振动噪声以及温升进行了分析和验算,并在控制算法上对电机控制进行了分析和试验评估,在保证了电机运行的安全性、可靠性和整车舒适性的基础上,实现了电机轻量化、高速化以及高效化,在新能源汽车行业驱动控制系统方面具有良好的应用价值.

参考文献：

[1] 唐任远. 现代永磁电机理论与设计[M]. 北京：机械工业出版社.1997.

[2] 刘国强,赵凌志,蒋继娅,Ansoft 工程电磁场有限元分析[M]. 北京. 电子工业出版社.2010.

[3] 王艾萌. 内置式永磁同步电机的优化设计及弱磁控制研究.[M]. 保定：华北电力大学,2010.

作者简介

韩新江：（1977.11—）,男,汉,上海,本科.研究方向：新能源汽车驱动系统研究.

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