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摘要：随着全世界各国范围内的汽车的数目的飞快增长，致使石油等紧缺资源的加重耗费，同时汽车尾气排放引发的环境污染问题也日益突出，新能源汽车的发展已成为全球各届的研发重点。永磁电机因其高效率、高功率密度等优点成为电机应用的热门，电动汽车用永磁同步电动机的研究可以很好的解决资源和环境问题。本文设计了一台 30k W 电动汽车用永磁同步电动机，优化了电机的结构，并且研究了该电机的控制系统，计算了该电机性能，保证该设计可以符合电动汽车的使用需求。
关键词: 电动汽车；永磁同步电动机；场路耦合；弱磁控制
应用场路结合的方法对电机的基本尺寸进行了设计，通过对电机内二维和三维电磁场的有限元计算得到了漏磁系数、极弧系数和气隙系数，提升了磁路设计的精确度。设计了电机转子结构，并对其进行了优化，永磁内置式结构保证了转子在高速旋转工况下的机械可靠性，同时，通过隔靴磁桥、减重孔和偏心圆弧的设计优化了转子结构，提高了电机的性能。设计了电机的机壳水冷结构，并通过优化入水口结构改进了水流的分布，使各水路水流分布更加均匀。
本文对永磁电动机的弱磁控制特性进行了研究，创建了该电动机数学模型，研究了电枢电流向量在电压极限圆和电流极限圆内的移动路径。在考虑交直轴磁路交叉耦合的情况下计算了交直轴同步电感，对考虑磁场饱和影响以及不考虑磁场饱和影响的弱磁控制系统进行了建模仿真，研究了控制系统的可行性以及考虑磁场饱和对控制系统的影响。
由于电机转子高速旋转，所以对电机转子在最高转速下的机械强度进行了分析计算。永磁电动机的损耗主要为定子铁耗，采用分离铁心损耗法得到了定子铁耗。利用场路结合的方式得到了最大运行转速和额定运行转速下电动机的工作特性。为了使得电机性能计算贴近实际，本文将控制方法与电机有限元模型进行联合仿真，得到电机在不同负载下的动态性能。
一、电动汽车控制系统研究现状
电力驱动汽车用永磁电动机控制系统是目前电动机领域的热门课题，而且已经获得了一些研究成果。研究现状有以下几个方面：各类控制方法的研究，如矢量控制，直接转矩控制等；提高控制系统精确度，如通过改良位置检测传感器来提升系统精度；针对不同永磁电机及其拓扑结构采用不用的控制方法的研究，以此来达到提高电机的工作性能的目的；电机控制系统集成化，智能化，如改进控制系统的组成元件，如将 DSP 或 FPGA 等作为数据处理器大大提高了控制系统数据处理的能力；在电机控制应用各种控制策略，如模糊控制、神经网络控制、变结构控制、专家系统等；控制系统构成更加简单化，如不使用位置检测传感器的控制系统的研究。
二、永磁电机及控制系统设计与仿真技术
1、永磁同步电动机设计技术
随着对永磁同步电机调速系统性能要求的不断提高,,,等人针对调速系统快速动态性能和高效率的要求,提出了现代永磁同步电机的设计方法,设计出了高效率、高力矩惯量比、高能量密度的,使伺服驱动性能得到了提高【`川。此外,在永磁伺服系统控制技术的研制过程中,不断思考与探索出多种具有磁场控制能力的新结构永磁电机,使得永磁电机设计理念不断产生新的变革和创新。国内外学者在具有磁场控制能力的新结构永磁电机研究与开发方面取得了许多成果`,`】,如复合励磁永磁同步发电机、混合励磁同步电动机、混合励磁双凸极电机、转子磁极分割型混和励磁同步电机、双馈电混合并联磁路无刷永磁电机、双转轴混合磁路能量变换器等多种具有磁场控制能力的新结构永磁电机。湖南大学在高性能永磁同步电机设计方面取得了很多成果,研究开发了高性能设计软件,利用该软件设计的已成功应用于坦克火炮系统、电动汽车、印刷机、风力发电变浆系统等,开发的兆瓦级直驱永磁同步风力发电机设软件已取得了软件著作权证书,并成功应用于生产实践此外,在研发具有磁场控制能力的永磁电机方面也取得了多项发明专利,如复合励磁永磁同步调速电动机和复合励磁同步发电机等。
2、永磁同步电动机仿真技术
现代高端应用领域电机系统部件极力追求高密度、轻量小型化、高可靠性、低成本,性能指标非常苛刻,必须在结构、电磁、力学、热学、电力电子、控制策略等多领域进行综合分析与平衡。为此,国内外学者在多物理场分析与系统仿真方面做了许多工作,为电机的精确设计提供了很好的思路,如等在场路祸合方面做了比较多的研究】。现代永磁电机系统部件体积小重量轻,电机的尺寸和重量指标都非常苛刻与普通电机相比设计难度较大。因此,现代永磁电机设计是一个多目标、多极限的系统综合优化设计,必须在结构应力场、热场、电磁场、电力电子控制技术等许多领域进行物理分析与系统综合。设计中需要对电机本体以及电机与驱动装置的性能匹配进行优化设计。采用多物理场仿真与分析的现代永磁电机设计思路时,设计过程首先必须根据技术性能要求,依据电机拓扑结构的三维变参数等效磁网络模型、热网络模型和机械系统模型,进行发热计算与冷却结构性能校核以及多设计方案的论证比较,确定设计方案框架及其各部位结构与磁路尺寸【`。在方案设计与初步计算的基础上,采用电机本体与驱动电路的祸合仿真,精确计算电机系统的电磁性能,并对电机进行结构应力与温升计算,对电机内部的磁场、应力场和温度场进行仿真分析。最后是依据电机集中参数模型或有限元模型进行电机系统的控制策略研究与多领联合的电机系统祸合仿真。
三、永磁同步电动机的控制技术
PMSM有带转子启动笼和不带转子启动笼两种类型,前一种可与对称三相电源直接相连,具备自启动能力,主要依靠阻尼绕组提供的异步转矩将电机加速到接近同步转速、然后由磁阻转矩和同步转矩将电机牵入同步,等人在自启动的动、稳态性能方面做了大量的研究工作后一种则必须通过逆变器供电方可启动运行。
自上个世纪年代初开始,国外许多学者对逆变器供电的进行深入的研究。逆变器供电的永磁同步电机与直接起动的永磁同步电机的结构基本相同,但在大多数情况下无阻尼绕组。在逆变器供电情况下,永磁同步电机的原有特性将会受到影响,其稳态特性和暂态特性与恒定频率下的永磁同步电机相比有不同的特点。刘明基、等对电压型逆变器供电的稳态特性及电流型逆变器供电的稳态特性进行了大量研究`。
在对进行控制时,常需在转轴上安装传感器,以获得电机的转速和位置信息。传感器的存在给调速系统带来了许多问题,如增加了电机转子轴上的转动惯量、加大了电机空间尺寸和体积、降低了系统的可靠性等。为了克服使用传感器给调速系统带来的缺陷,交流永磁伺服系统无速度传感器技术应用而生,利用电机绕组中的有关电信号,通过适当方法估计出转子的位置和速度,取代机械传感器,从而实现电机的有效控制哪。随着技术的飞速发展,伺服系统朝着数字化方向发展。如湖南大学、华中科技大学、沈阳工业大学等高校科研机构研究了由构成的全数字交流伺服系统,采用预测控制和空间矢量控制技术,改善电流控制性能和系统响应精度,并开发了相应的数字伺服系统。数字控制技术的应用,不仅使系统获了得高精度、高可靠性,还为新型控制理论和方法的应用提供了基础。在国内企业、高校和科研院所的大力推动下,近年来,我国数字化交流伺服驱动器产品研制取得了可喜的成绩,打破了外国公司在高精度数控伺服驱动行业的垄断格局。
四、结论
本章研究了永磁同步电动机的优化设计。首先分析了优化设计的一般方法，从变量参数、目标函数和约束条件的选择方面介绍了永磁同步电动机优化设计特点，提出了基于场路结合优化分析的设计流程。随后，分析了永磁同步电动机结构尺寸变化对电机性能的影响，为优化设计中变量参数的调整方向提供给了参考。在上述基础上，对一台两极异步起动永磁同步电动机进行了优化设计研究，通过优化前后变量参数值和主要性能参数的对比，优化方案在保证基本技术性能指标的前提下成功减少了永磁体用量，提髙了电机性价比。
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论文作者:侯廷柱
论文发表刊物:《基层建设》2016年24期8月下
论文发表时间:2016/12/2
标签：永磁论文; 电机论文; 同步电动机论文; 结构论文; 控制系统论文; 转子论文; 系统论文; 《基层建设》2016年24期8月下论文;