韓新江

摘要：隨著全球環(huán)境壓力的不斷加大，新能源汽車已成為全球汽車產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代的主要發(fā)展方向，電池技術(shù)、電機(jī)技術(shù)、整車控制技術(shù)作為新能源汽車的三大核心技術(shù)，在汽車應(yīng)用方面有了更高的要求，研究開發(fā)新型新能源汽車專用電機(jī)和控制器系統(tǒng)，對(duì)于我國(guó)民族汽車工業(yè)發(fā)展，具有十分重要和深遠(yuǎn)的意義。隨著永磁同步電機(jī)各應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展，本文以永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)為對(duì)象展開研究，發(fā)現(xiàn)永磁電機(jī)在新能源汽車行業(yè)具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)；參數(shù)控制；仿真分析

1引言

2017年4月工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、科技部聯(lián)合印發(fā)《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》我國(guó)汽車產(chǎn)量仍將保持平穩(wěn)增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)新能源汽車生產(chǎn)能力達(dá)200萬(wàn)輛，2016年新能源汽車銷量達(dá)到57萬(wàn)輛，受益于新能源汽車市場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，新能源汽車專用永磁同步電機(jī)的產(chǎn)銷量也隨之增長(zhǎng)。

永磁同步電機(jī)因其動(dòng)力性強(qiáng)、能耗低、體積小、能量密度高等特點(diǎn)，其適用范圍越來(lái)越廣泛，但是由于車輛使用的特殊性、復(fù)雜性，汽車對(duì)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性精度要求越來(lái)越高，因此對(duì)永磁同步電機(jī)的性能和控制的設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。

2新能源汽車永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)研究

日本1965年就開始研制電動(dòng)車，德國(guó)第三代奧迪混合電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用了永磁同步電機(jī)。世界各國(guó)研發(fā)使用的電機(jī)各自有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在系統(tǒng)匹配上歷時(shí)時(shí)間長(zhǎng)，與現(xiàn)有的車輛研發(fā)生產(chǎn)工藝條件等情況有不足之處，因此為了能夠全面、系統(tǒng)的進(jìn)行新能源汽車永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)，需要從電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、弱磁控制、模擬仿真等方面進(jìn)行研究：

2.1電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1電機(jī)定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）長(zhǎng)徑比選擇

在電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，隨著電機(jī)長(zhǎng)徑比的增加，體積增大，轉(zhuǎn)子體積不變，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低，電機(jī)用銅量增加，通過(guò)合理選擇電機(jī)長(zhǎng)徑比，提高電機(jī)功率密度。

（2）極對(duì)數(shù)選擇

在電機(jī)槽極比不變的情況下，隨著電機(jī)極對(duì)數(shù)的增加，電機(jī)定子鐵芯軛部用鐵量減小，電機(jī)體積減??；隨著電機(jī)極對(duì)數(shù)的增加，電機(jī)輸入電流頻率增加，電機(jī)鐵耗增加，效率降低。在高速電機(jī)設(shè)計(jì)中，合理選擇電機(jī)極對(duì)數(shù)，能夠適當(dāng)提高電機(jī)功率密度。

（3）電負(fù)荷選擇

在電機(jī)熱負(fù)荷一定的情況下，隨著電負(fù)荷的增加，電機(jī)轉(zhuǎn)子體積減小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低，定子外徑先減小后增加，同時(shí)電機(jī)用銅量不斷增加。合理選擇電機(jī)電負(fù)荷，綜合電機(jī)鐵芯質(zhì)量和用銅量，才能實(shí)現(xiàn)電機(jī)質(zhì)量最優(yōu)化，提高電機(jī)功率密度。

（4）定子槽型選擇

在電機(jī)定子槽型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，定子磁路不存在磁密奇點(diǎn)，為均衡定子軛部各位置磁密，形成均勻旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，改善軛部和齒部與軛部交接處磁路，改善繞組漏感，并方便嵌放成型繞組，通過(guò)對(duì)槽型分析計(jì)算、性能評(píng)估、樣機(jī)工藝試制與試驗(yàn)評(píng)測(cè)，最終發(fā)現(xiàn)半開口梯形槽設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求。

2.1.2電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

（1）電機(jī)氣隙長(zhǎng)度選擇

從永磁同步電機(jī)電磁性能上來(lái)說(shuō)，氣隙長(zhǎng)度越小，電機(jī)功率因數(shù)變大，電機(jī)效率增加，轉(zhuǎn)矩密度增加，電機(jī)弱磁調(diào)速范圍變寬，但同時(shí)也容易產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，而氣隙長(zhǎng)度太小，又很難保證電機(jī)運(yùn)行時(shí)的同軸度，電機(jī)運(yùn)行的可靠性會(huì)降低，同時(shí)電機(jī)裝配難度提高。因此在氣隙長(zhǎng)度選擇上，應(yīng)綜合考慮電機(jī)振動(dòng)、噪聲、氣隙磁密、雜散損耗以及裝配工業(yè)和生產(chǎn)成本。

（2）永磁體布局方式選擇

在永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體布局方式選擇過(guò)程中，通過(guò)利用電機(jī)有限元仿真軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，可以看出V型內(nèi)置式結(jié)構(gòu)永磁體利用率最高，可使永磁體勵(lì)磁集中，漏磁減少，同時(shí)高速低轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)，電機(jī)轉(zhuǎn)子每極空間大、交直軸電感均大幅度提高，電機(jī)弱磁范圍寬，并且在很高轉(zhuǎn)速時(shí)，仍然能夠輸出較大功率。

（3）轉(zhuǎn)子表面氣隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為達(dá)到永磁同步電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行轉(zhuǎn)矩的目標(biāo)，需要解決氣隙磁密波形中諧波含量多的問題，它對(duì)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、震動(dòng)噪聲、效率等影響是非常大，需要進(jìn)一步對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，提高氣隙磁密和反電勢(shì)正弦性。

2.1.3電機(jī)溫升與振動(dòng)

（1）電機(jī)溫升

電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)從溫升限值出發(fā)，確定電機(jī)各部分的幾何尺寸，電機(jī)溫升也是除磁路飽和外限值電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的重要限值因素。在電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)利用ANSYS軟件，對(duì)電機(jī)溫升進(jìn)行仿真，分析電機(jī)額定轉(zhuǎn)速空載定子鐵芯、繞組和電機(jī)額定負(fù)載時(shí)電機(jī)定子溫度分布得出結(jié)論，可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)電機(jī)各部分材料、結(jié)構(gòu)以及尺寸，優(yōu)化設(shè)計(jì)電機(jī)機(jī)殼表面結(jié)構(gòu)并選擇高性能電機(jī)冷卻方式，是降低電機(jī)溫升的兩個(gè)主要途徑，也是降低電機(jī)溫升的兩大難點(diǎn)，見上圖。

（2）振動(dòng)和噪聲

電機(jī)噪聲一般由磁通振蕩產(chǎn)生，由于永磁同步電動(dòng)機(jī)磁極質(zhì)量集中，在磁拉力和集中力的相互作用下，電機(jī)座體容易產(chǎn)生振動(dòng)。在電機(jī)設(shè)計(jì)中，主要通過(guò)優(yōu)化磁極系數(shù)和轉(zhuǎn)子磁極形狀減少了磁通振蕩和振動(dòng)電磁力。

其次，電機(jī)端蓋、定子、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生共振也會(huì)引起噪聲，通過(guò)NVH特性曲線分析得出結(jié)論：雖然不能完全避免共振，但是通過(guò)防止齒頻與固有頻率的一致程度，使機(jī)殼、端蓋的固有頻率高出130%以上，電機(jī)軸的最高轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速35%以上就可以避免共振產(chǎn)生。

2.2永磁同步電機(jī)控制策略的研究

純電動(dòng)車輛行駛中，電機(jī)控制器的控制策略和車輛行駛時(shí)的路面、駕駛員本身以及車輛自身具有密切關(guān)系，需要進(jìn)行綜合分析之后才能達(dá)到較好的控制效果。

控制器硬件部分主要由主電路、控制電路、采樣及檢測(cè)電路組成，主電路的核心部件是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊，控制電路以英飛凌汽車級(jí)芯片TC1797為核心，構(gòu)成全數(shù)字矢量控制系統(tǒng)，同時(shí)還具有多種故障檢測(cè)及保護(hù)功能。控制器軟件程序主要由控制主程序和PWM中斷服務(wù)子程序組成：主程序初始化、參數(shù)設(shè)定、過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)等功能；PWM中斷服務(wù)子程序完成電流采樣，轉(zhuǎn)速計(jì)算，矢量變換和PwM輸出等功能。

為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，控制器中采用空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）算法，不僅使電壓利用率得到提高，還可以減少電流輸出諧波和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，并且容易數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)。在每個(gè)PWM周期內(nèi)對(duì)部分PWM脈寬進(jìn)行修正，有效改善由死區(qū)效應(yīng)引起的輸出波形畸變，減小誤補(bǔ)償隨時(shí)間積累所產(chǎn)生的影響，在基速以下的恒力矩區(qū)采用了MTPA控制算法，實(shí)踐證明這種算法在0Hz可提供200%的零速轉(zhuǎn)矩，為了實(shí)現(xiàn)精確穩(wěn)定控制，還要設(shè)計(jì)檢測(cè)電路，主要采用的是霍爾（HALL）傳感器和旋轉(zhuǎn)變壓器對(duì)電流及轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，以獲得實(shí)時(shí)的電機(jī)參數(shù)。

采用空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）算法，再加上檢測(cè)電路的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以使得控制器及時(shí)的獲取電機(jī)運(yùn)行參數(shù)和整車運(yùn)行參數(shù)，整個(gè)控制器系統(tǒng)采用速度和電流雙閉環(huán)控制，內(nèi)置速度控制閉環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)節(jié)的目的，內(nèi)置電流控制環(huán)使轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間<10ms，實(shí)現(xiàn)1%高精度閉環(huán)控制，滿足對(duì)電流和頻率輸出的更高穩(wěn)定性及更高精度的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)，保證電機(jī)和車輛平穩(wěn)運(yùn)行。

3結(jié)語(yǔ)

永磁同步電機(jī)在新能源電動(dòng)車上的應(yīng)用范圍在快速增加，電機(jī)性能的優(yōu)劣和控制系統(tǒng)的匹配在未來(lái)應(yīng)用過(guò)程中，還有很長(zhǎng)的研發(fā)道路要走，本文通過(guò)在電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用多種電磁和結(jié)構(gòu)分析方法，對(duì)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、電機(jī)軸以及機(jī)殼和端蓋結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，同時(shí)利用多種電機(jī)分析軟件，對(duì)電機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度、振動(dòng)噪聲以及溫升進(jìn)行了分析和驗(yàn)算，并在控制算法上對(duì)電機(jī)控制進(jìn)行了分析和試驗(yàn)評(píng)估，在保證了電機(jī)運(yùn)行的安全性、可靠性和整車舒適性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)輕量化、高速化以及高效化，在新能源汽車行業(yè)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)方面具有良好的應(yīng)用價(jià)值。