魏東坡，張坤，趙宏霞，尹文榮，魏代禮

（山東華宇工學(xué)院 汽車工程學(xué)院，山東 德州 253034）

引言

電機是電動汽車的主要動力源，永磁同步電機具有結(jié)構(gòu)簡單、功率因數(shù)高、噪聲小、免維護(hù)、可靠性高等諸多優(yōu)點，并且由于我國在稀土永磁材料方面的豐富資源，永磁同步電機在電動汽車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。在目前電動汽車行業(yè)快速發(fā)展，市場保有量迅速擴大的情況下，電動汽車的可靠性提升成為重要的研究方向，而傳動系統(tǒng)的可靠性也逐漸成為制約電動汽車整車壽命的重要因素。為了提高傳動系統(tǒng)可靠性，從而延長整車壽命，在電動汽車傳動系統(tǒng)的設(shè)計過程中，需要獲取準(zhǔn)確的電機輸出參數(shù)。本文利用MATLAB/ Simulink 對應(yīng)用于電動汽車驅(qū)動的某型號永磁同步電機的輸出特性進(jìn)行了仿真，得到的參數(shù)可以為電動汽車傳動系統(tǒng)的設(shè)計提供理論依據(jù)[2]。根據(jù)電動汽車使用過程中的工況特征，在MATLAB/Simulink 環(huán)境下分別對電機的機械特性、啟動特性、調(diào)速特性和制動特性進(jìn)行仿真，本課題仿真研究的永磁同步電機的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 永磁同步電機參數(shù)

1 永磁同步電機機械特性仿真

該永磁同步電機的仿真模型如圖1 所示，在該模型中，有輸入模塊Sinks 模塊、數(shù)學(xué)模塊Math Operations 模塊、輸入源模塊Sources 模塊、以及最后的輸出模塊Scope 模塊，另外還有與電機相關(guān)的模塊[3]，由以上模塊排列組合并經(jīng)過系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，得到了該永磁同步電機機械特性的模型圖。

模型中各元件參數(shù)設(shè)置如下。

永磁同步電機功率設(shè)置為30kw，頻率設(shè)置為50Hz，且在建模時的采樣時間設(shè)置為常數(shù)，設(shè)為-1。

對于坐標(biāo)軸的設(shè)置區(qū)域，坐標(biāo)系中x 軸的最小值設(shè)置為0，最大值設(shè)置為10000，y 軸的最小值也設(shè)置為0，最大值設(shè)置為800。

圖1 永磁同步電機機械特性仿真模型

圖2 永磁同步電機機械特性仿真結(jié)果

由圖2 可知永磁同步電機的機械特性仿真曲線的總體趨勢是隨著電壓的變化而變化的，當(dāng)電壓較大時，機械特性曲線變化的趨勢會加劇。

2 永磁同步電機啟動特性仿真

永磁同步電機在起動過程中對電機的啟動有一定的要求，首先要求啟動的時間盡可能短，只有在很短的時間內(nèi)啟動電機，才不會導(dǎo)致電機因啟動時間過長而受損，從而使得電機能達(dá)到正常運行；另一方面，啟動時的轉(zhuǎn)矩要足夠大，即啟動時的轉(zhuǎn)矩要明顯大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，從而保證啟動過程能夠平穩(wěn)運行[4]。此外，啟動過程中在滿足啟動轉(zhuǎn)矩的前提下還要求啟動電流要足夠小，以免使得啟動電路中的電流過大而導(dǎo)致整個電路出現(xiàn)故障，進(jìn)而導(dǎo)致電氣設(shè)備不能正常運行，因此我們在啟動電機時要在保證轉(zhuǎn)矩足夠大的前提下要盡量減小啟動電流，即在選擇永磁同步電機啟動方法時要根據(jù)機械負(fù)載對轉(zhuǎn)矩的要求等實際情況[5]，本次仿真以異步自啟動方式為例。圖3 為永磁同步電機異步自啟動的MATLAB 仿真模型，各模塊的參數(shù)設(shè)置如下。

圖3 永磁同步電機異步自啟動仿真模型

三相電壓電流測量模塊的電壓測量模式選擇相對地電壓測量，在三相正弦交流電源模塊模塊中振幅設(shè)置為100，相位設(shè)置為0，頻率設(shè)置為50Hz。

如圖4 是對永磁同步電機異步自啟動的仿真結(jié)果，由圖可知，永磁同步電機異步自啟動時，起動過程時間較短，在0.2 秒左右就已結(jié)束。在此過程中轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨著時間的推移在不斷上升，直到達(dá)到同步轉(zhuǎn)速1600 左右，且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在上升的同時出現(xiàn)了一系列的震蕩現(xiàn)象，這個過程是受到了磁脈沖的原因。電機起動后電流降至正常工作電流。電機異步啟動過程中的電流最大為140A 左右，這與實際情況也相吻合。

圖4 永磁同步電機異步自啟動的仿真波形

電機最大起動轉(zhuǎn)矩為250N.m，有較大的啟動能力但轉(zhuǎn)矩在起動過程的很短時間內(nèi)迅速減小，而這是不利于電機的啟動，且由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩很小，電機在完全啟動后轉(zhuǎn)矩接近于0。

3 永磁同步電機調(diào)速特性仿真

一般電機的的調(diào)速方法有兩類：即變頻調(diào)速和變極調(diào)速，又由于永磁同步電機的極數(shù)相對固定，不容易改變，故只能采用變頻調(diào)速，而變頻調(diào)速又包括他控變頻和自控變頻兩大類。自控變頻調(diào)速改變了以往變頻調(diào)速精度不高的劣勢，它是目前永磁同步電機變頻調(diào)速的主要方式，通過自控變頻調(diào)速能夠大大的提高供電效率，并能減小功耗的損失。如圖5所示為自控變頻調(diào)速仿真的模型圖，其電機的參數(shù)設(shè)置如下。

開始時的參數(shù)時長設(shè)置為0.4 秒，頻率為60Hz。當(dāng)沒有負(fù)載時，定子電流、轉(zhuǎn)子電流以及轉(zhuǎn)矩最終都趨于零，轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在1800r/min，同時在0.4 秒左右時，電機轉(zhuǎn)速達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)改變電源頻率，即降至50Hz 時，電源電壓也要相應(yīng)的降低，于是得到如圖6 所示的仿真結(jié)果，由圖6 可以看出，當(dāng)電源頻率為 50Hz 時，最終的轉(zhuǎn)速大約穩(wěn)定在1500r/min，穩(wěn)定時間也由原來的0.4 秒變?yōu)?.35 秒左右，意味著反應(yīng)時間更快了。

圖5 永磁同步電機自控變頻調(diào)速仿真波形

圖6 自控變頻調(diào)速仿真結(jié)果

4 永磁同步電機制動特性仿真

所謂能耗制動是指當(dāng)永磁同步電機由交流電突然改為直流電，此時由于直流電的磁場不再隨時間變化，是一個恒定的磁通，而電動機的轉(zhuǎn)子會由于慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動，此時轉(zhuǎn)子繞組會切割磁通，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，這個電磁轉(zhuǎn)矩便會阻止轉(zhuǎn)子啟動，起到了制動作用。因為其制動過程涉及交流電與直流電的變化，故制動模型也會有相應(yīng)的變化，因此整個仿真過程是變化的。首先構(gòu)造電流變化前的穩(wěn)態(tài)模型，如圖7所示。然后再構(gòu)造制動后的仿真模型，如圖8 所示，該模型就是斷開交流電后通入直流電的模型。

圖7 永磁同步電機能耗制動前仿真模型

如圖9 所示，a 圖為制動前的仿真模型，該仿真曲線表明制動前的電機轉(zhuǎn)速和電機正常運行時的轉(zhuǎn)速并無差別，在 制動前的一瞬間，轉(zhuǎn)速由于慣性還是會保持原來的速度。b圖表明電機在制動后，剛開始電機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，會有一定的振蕩現(xiàn)象，后來經(jīng)過轉(zhuǎn)矩的作用，轉(zhuǎn)速逐漸趨于穩(wěn)定。

圖8 永磁同步電機能耗制動后仿真模型

圖9 永磁同步電機能耗制動仿真結(jié)果

5 結(jié)論

本文利用MATLAB 軟件實現(xiàn)了對永磁同步電機特性的建模與仿真，通過對這些仿真結(jié)果的分析，再結(jié)合零部件的制造精度和誤差，并對仿真曲線瞬態(tài)值進(jìn)行修正，從而能夠為電動汽車傳動系統(tǒng)的設(shè)計提供計算參數(shù)，同時也是電動機動力輸出連接部位可靠性優(yōu)化的關(guān)鍵因素。