[硕士论文精品]电动车驱动用永磁同步电机的研究

摘要摘要本文以国家863电动汽车重大专项课题一“红旗牌混合动力轿车电机及其控制系统”为背景，对电动车驱动用永磁同步电机进行设计与研究。首先建立数学模型，对影响电机低速转矩特性的几个关键电磁参数进行分析，并分析了内置式永磁同步电机的极靴形状优化特点。以实际样机设计为例，具体说明了如何通过合理设计这几个电磁参数和优化极靴形状提高电机的低速转矩特性。分析了影响电机最高转速和恒功率范围的几个重要电磁参数，针对电动汽车驱动用永磁同步电机大的转矩和高的转速范围互相制约的问题，通过解析分析和实例设计，给出兼顾电机的低速转矩和最高转速的设计方法。提出了设计电动车驱动用永磁同步电机的场路结合的设计方法及主要步骤。以实际样机设计为例，给出了几个重要电磁参数的有限元计算方法。最后研制了实验样机，通过对实验数据和理论计算结果的对比，分析了实验和理论设计的误差来源，证明了本文对永磁同步电机低速转矩特性和高速性能分析的正确性。关键词永磁同步电机转矩特性场路结合设计弱磁哈尔滨工业大学工学硕士学位论文ABSTRACTTHEDESIGNANDRESEARCHISDONETOTHEPERMANENTMAGNETSYNCHRONOUSMOTORFORTHEELECTRICVEHICLEDRIVINGINTHEBACKGROUNDOFNATIONAL863ELECTRICVEHICLEPROJECTDRIVINGMOTORANDITSCONTROLSYSTEMFORHONGFLAGHYBRIDVEHICLEAMATHEMATICMODELISFIRSTLYESTABLISHEDSOMEELECTROMAGNETICPARAMETERSAREANALYZEDWHICHAREVERYIMPORTANTTOTHELOWSPEEDTORQUECHARACTERISTICHOWTORAISETORQUECHARACTERISTICSBYOPTIMIZINGFLUXDENSITYISALSOANALYZEDUSETHESAMPLEMOTORASEXAMPLE,HOWTOREASONABLYDESIGNTHESEELECTROMAGNETICPARAMETERSANDRAISETHELOWSPEEDTORQUECHARACTERISTICBYOPTIMIZINGTHEFLUXDENSITYCURVEARECONCRETELYEXPLAINEDSOMEIMPORTANTELECTROMAGNETICPARAMETERSAREANALYZEDWHICHINFLUENCETHEMAXIMUMSPEEDANDTHECONSTANTPOWERRANGEBYANALYZINGANDTHEEXAMPLEDESIGN,THEDESIGNMETHODWHICHGIVESATTENTIONTOBOTHTHELOWSPEEDTORQUEANDTHEMAXIMUMSPEEDTHEFIELDCIRCUITCOMBININGMODELMETHODWHICHDESIGNTHEPERMANENTMAGNETICSYNCHRONOUSAREBROUGHTFORWARDUSETHESAMPLEMOTORASTHEEXAMPLE,THEFINITEELEMENTCOMPUTATIONMETHODCOMPUTINGSOMEIMPORTANTELECTROMAGNETICPARAMETERSAREALSOEXPLAINEDFINALLY,THESAMPLEMOTORISMADEBYTHECOMPARISONOFTHETESTRESULTSANDTHECOMPUTATIONRESULT,THEERROROFTHEEXPERIMENTANDDESIGNAREANALYZEDTHECORRECTNESSOFTHEANALYSISMETHODISPROVEDWHICHANALYZETHELOWSPEEDTORQUEPERFORMANCEANDSYNCHRONOUSMOTORTHEHIGHSPEEDPERFORMANCESOFTHEPERMANENTMAGNETICKEYWORDSPERMANENTMAGNETSYNCHRONOUSMOTORTORQUEPERFORMANCETHEFIELDCIRCUITCOMBININGMODELMETHODFLUXWEAKENING11哈尔滨工业大学工学硕上学位论文第1章绪论11课题背景本课题来源于国家863“十五”电动汽车重大专项“红旗牌混合动力轿车电机及其控制系统”。当今汽车工业的发展带来了环境污染愈烈和能源消耗过多两大问题。随着世界各国对环境和能源问题的逐渐重视，大规模生产、普及电动车辆必将成为汽车工业的发展趋势。日前国内外投入了大量的人力物力对电动车进行研究。研制开发电动车的关键主要有两个方面一是生产高能量密度的电池，二是开发性能优良的驱动系统。驱动系统中高密度、高效率、宽调速的车辆牵引电机及其控制系统是电动汽车的心脏，是电动汽车研制的关键技术之一【11121在各种电动车驱动电机中，永磁同步电机是最有希望的高性能电机，是电动汽车电机的发展方向之一。12国内外电动车用永磁同步电机研究概况目前，对电动车用永磁同步电机研究较多的国家主要有日本、美国和欧洲一些发达国家。下面对这几个国家的电动车用永磁同步电机的研究状况进行简IP一介绍121日本电动车用永磁同步电机研究状况日本对电动车的研究起步较早，1965年就开始研制电动车，并于1967年成立了日本电动车协会31。由于永磁同步电机的性能优良，所以一经问世就受到日本汽车公司的青睐。早在1996年，丰田汽车公司的电动车RAW就采用了东京电机公司的插入式永磁同步电机作为驱动电机，其下属的日本富士电子研究所研制的永磁同步电机可以达到最大功率50KW,最高转速13000RPM。图11为该公司研发的电机样机，表11为电机的部分参数和指标41哈尔滨工业大学工学硕士学位论文123美国电动车用永磁同步电机研究状况美国的电动车开发比日本晚，在美国，感应电机的设计及其控制策略的发展较为成熟，所以电动车驱动电机还主要以感应电机为主。但同时美国也进行了永磁同步电机的研究，而且成果卓著。SATCON技术公司JAMESHGOLDIE和KEVINELEROWRE等人研制的驱动用永磁同步电机采用定子双套绕组技术，既扩大了永磁同步电机的转速范围，又有效利用了逆变器的电压，绕组电流低，电机效率高。表13是美国SATCON技术公司研制的电机在不同转速和功率卜的效率特性111表13SATCON技术公司研制的电机效率特性TABLE13EFFICIENCYOFTHEPMSMDEVELOPEDBYSATCONTECHNIQUESLTD电机速度RPM输出功率KW电机效率1680198738404984600013982810025974124国内电动车用永磁同步电机研究状况早在80年代我国有关方面就己提出并着手发展电动车。目前，中科院电工研究所、哈尔滨工业大学、清华大学、华中理工大学、沈阳工业大学、香港大学等研究部门、大专院校与一汽、二汽以及上海、北京等地的一些其他生产厂家合作开发电动车辆，其中很多电动车采用了永磁同步电机作为驱动电机二汽与中科院合作研究混合动力轿车采用了永磁同步电机一汽的红旗牌混合动力轿车采用了哈工大研制的永磁同步电机作为驱动电机郑州华联电动车辆研究所己研制成功的四人座电动轿车采用了额定功率为IOKW的永磁同步电机，电机过载能力为4倍312102002年，清华大学研制的串联式混合电动公交车，其辅助驱动的发电机为额定功率20KW永磁同步电机131日前，我国电动车发展迅速，但与国外发达国家相比还有很大差距，驱动电机的性能还需进一步改善，还有许多问题需要解决。13永磁同步电机的分类及在电动汽车上的应用情况永磁同步电动机与其他电机的最主要的区别是转子磁路结构。按照永磁哈尔滨T业大学工学硕士学位论文休在转子上位置的不同可分为三种表面突出式、插入式和内置式。1表面突出式结构特点表面凸出式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设计，使之成为能使电动机气隙磁密波形趋近于正弦波的磁极形状，可显著提高电动机乃至整个传动系统的性能。具有结构简单、制造成本较低、转动惯量小，动态响应快，转矩脉动低等优点。但由于表面凸出式永磁同步电机弱磁调速范围小，功率密度低12所以与其他转子结构相比，在电动车驱动方面没有优势。应用用于早期电动车驱动。1997年本田汽车公司PLUS电动车的驱动电机采用了这种结构的永磁同步电机。目前可在矩形波永磁同步电动机和恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电动机中应用，比较适合用作汽车的电子伺服驱动，如汽车电子动力方向盘的伺服电机1412表面插入式结构特点可充分利用转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩，提高电动机的功率密度，动态性能较凸出式有所改善，制造工艺也较简单，但漏磁系数和制造成本都大。应用常被某些调速永磁同步电动机所采用。丰田汽车公司的蓄电池电动车RAV4采用了插入式永磁同步电机作为驱动电机。本田汽车公司PLUS电动车的第二代驱动电机也采用了这种结构。表14为本田汽车公司PLUS电动车两代驱动电机性能的比较15，从表中可以看出与表面突出式结构比较，表面插入式结构更适合电动车驱动。表14本田汽车公司PLUS电动车两代驱动电机性能的比较TABLE14COMPARISONOFTHETWOGENERATIONMOTORSOFHONDACOMPANY第一代表面突出式第二代表面插入式最大功率KW一4960最大转矩NM275一238最大速度RPM875011000效率9093功率密度KW/KG118转矩密度NM/KG673内置式结构特点内置式永磁同步电机也称为混合式永磁磁阻电机。该电机在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩，磁阻转矩的存在有助于提高电机的过载能力和功率密度，而且有益于弱磁调速，扩大恒功率范围运行。日本大阪电机工哈尔滨工业大学1一学硕1学位论文程研究实验室研制的内置式永磁同步电机功率密度UJ达25KW/KG1ELO应用目前应用于电动车驱动的永磁同步电机以内置式为主。日本许多汽车公司的电动车如丰田汽车公司的混合电动车PRIUS，驱动电机就采用了内置式结构的永磁同步电机当前，美国汽车公司同行在新车型设计中也主要采用内置式永磁同步电机17114驱动用永磁同步电机的研究热点141提高弱磁扩速能力由于永磁同步电机转子是永磁体励磁，所以不能像电励磁那样通过调节电流来改变磁通的大小，导致电机高速时弱磁困难，调速特性不如直流电机和感应电机181P91。近几年来，弱磁扩速问题成为永磁同步电机的研究热点之一。为了提高永磁同步电机的弱磁能力，国内外提出了许多弱磁设计方案，其中具有代表性的主要有1定子深槽结构通过采用深槽结构增加直轴漏抗，从而增加电机的弱磁能力。日本KENJIENDO和AKIHIDEMASHIMO等人采用这种方法设计出的样机最高速度可达13000RPM。但采用这种方法高速铁耗比较大。日本电机采用了高性能的低饱和硅钢片，采用普通的硅钢片材料设计效果就不会很好AL2复合转子结构复合式转子由永磁段和磁阻段组成，安放在同一定子铁芯内，如图13所示。永磁段转子为电机出力的主体部分，磁阻段用于控制电机直、交轴电抗参数。这种结构可以增大电机的直轴电抗，扩大电机的转速范围。第一次提出复合转子结构的是WMULEGGER和WTEPPAN。他们得到的结论是磁阻部分的长度占整个转子长度的20,就可将PMSM的速度控制范围拓宽一倍。但这种结构同时也存在不可克服的致命副作用永磁同步电动机的转矩密度降低，高速时铁磁损耗很大LZOLELL,3双套定子绕组低速时采用低速绕组提高电机的转矩、降低电流从而提高电机的效率，高速时采用高速绕组降低电机的反电势扩大电机的高速运行范围，图L4为双套定子绕组结构示意图。美国SATCON技术公司就采用了这项技术，我国沈阳工业大学和香港大学也对这项技术进行了研哈尔滨工业大学工学硕士学位论文究，。香港大学通过实验证明采用双套绕组后永磁同步电机的最高转速可由2000RPM扩大到4500RPM以上II1221231磁阻部分永磁部分定子定转子结构磁阳部分铁芯截片图13复合式转子结构图FIGURE3CONFIGURATIONOFTHECOMPOUNDROTOR并联串联图14双套定子绕组结构示意图FIGURE14COILCONTRACTUREOFTHEDOUBLESTATORCOIL142提高转矩特性转矩特性是驱动电机的重要指标之一，近几年来，国内外许多专家学者对于如何进一步提高永磁同步电机的转矩性能进行了更深入的研究。在提高电机转矩大小方面日本大阪大学采用双层永磁体提高电机的交轴电感使输出转矩提高了10以上。此外双套定子绕组技术除了提高电机的高速运行能力外，还可以大幅度地提高电机的低速转矩，沈阳工业大学采用这项技术在低速时通过使用串联绕组，转矩比只采用高速绕组的设计方案提高2倍以上。在降低转矩波动方面沈阳工业大学采用不对称气隙来获得更好的空载气隙磁通密度波形，降低转矩波动和电机噪声。法国JBERETTASDEROU等人采用有限元法优化电机转子极靴形状降低转矩波动，转矩优化结果如图15所示241哈尔滨工业大学工学硕十学位论文第2章驱动用永磁同步电机力矩特性的研究对于驱动电机而言，转矩特性是电机设计的主要目标之一。电机的低速转矩大小和恒转矩范围是驱动电机的重要技术指标之一。本章主要分析对永磁同步电机转矩性能影响较大的几个电磁参数的设计方法和特点，并分析控制策略对电机转矩性能实现程度的影响。21优化永磁同步电机电磁设计提高电机转矩性能永磁同步电机的电磁转矩可由公式21表示，从式中可以看出，电磁转矩由永磁转矩和磁阻转矩两部分组成，当直交轴电流不变时，电磁转矩主要由永磁磁链和直交轴电抗决定。对永磁磁链和直交轴电抗影响较大的几个电磁参数为定子每相绕组匝数、转子永磁体尺寸、转子极靴的形状和气隙的大小。下面结合具体的样机设计分析这几个电磁参数对永磁同步电机转矩性能的影响2孺PLT,IVL、一LQIDI921式中兀，电磁转矩NMPN极对数1A永磁磁链WBL,直轴电感。L4交轴电感S2IA直轴电流A14交轴电流F211永磁体宽度对转矩性能的影响永磁体的宽度对永磁同步电机转矩性能的影响很大。从转矩大小方面来看永磁体的宽度直接决定了永磁体能够提供的磁通面积。所以永磁转矩会随着永磁体宽度的增加而增大但永磁体宽度增大，会导致直交轴磁路磁导的减小，从而导致磁阻转矩下降。输出转矩是否增大要看永磁转矩的增加值是否大于磁阻转矩的减小值。从转矩波动方面来看永磁体宽度的变化使得铁心磁阻和负载感应电动哈尔滨1一业大学工学硕士学位论文势发生变化，导致相应的齿槽转矩和纹波转矩发生变化。在同一永磁体宽度F，这两种波动转矩的大小不一定相同，但永磁体过宽或过窄都会使这两种波动转矩增大。所以在电机的其他结构尺寸基本保持不变的前提卜，永磁体宽度变化时，波动转矩的增大或减小主要取决于二者之和的增大或减小。虽然驱动电机对转矩波动的要求不是很高，但过大的转矩波动势必影响电机的整体性能，造成电机的振动和噪声过大，所以永磁体宽度的选择要在保证较大转矩的前提下尽量降低转矩波动28永磁体宽度的初步尺寸可以通过公式22或23确定。对内置径向式转子磁路结构永磁体尺寸的预估公式为12LB“26PB,ZLD7C0B,KMLM22内置切向式转子磁路结构永磁体尺寸的预估公式为BM,70,BAIRL/R气。B,KMLA,23式中K电动机的饱和系数，其值为10513KA与转子结构有关的系数，取值范围为0712BMO永磁体空载工作点标么值0O空载漏磁系数B,气隙基波磁密KM气隙磁通的波形系数B,永磁体剩磁密度L,永磁体轴向长度但公式22和公式23确定的永磁体宽度一般不是最佳方案。当永磁体宽度较大时，永磁体宽度的增加一般会使永磁转矩的增加值比磁阻转矩的减小值大一些，所以为了尽量充分利用转子空间提高电机的输出转矩，永磁体的宽度应该在转子空间允许的情况下尽量选择较大值。对2号样机进行有限元分析可得当永磁体宽度为整数个定子齿距时，电机的负载转矩波动最小。综上所述，永磁体宽度的选择应在整数个定子齿距的前提下尽量选择较大值。表21为2号样机在不同永磁体宽度下对应的转矩和转矩波动系数大小其中49MM为6倍的定子齿距，图2I为永磁体宽度在53MM和49MM两种取值下对应的转矩波形对比。可以得出2号样机永磁体宽度为49MM哈尔滨工业大学工学硕十学位论文时，转矩波动最小。对于不同的设计方案，永磁体宽度对转矩波动影响的大小也不同，有时为了提高电机的输出转矩也可以选择转矩波动稍大时对应的永磁体宽度，但对于2号样机来说，永磁体宽度为最佳值时转矩波动己经很大，所以49MM为最终的选择方案。表21永磁体宽度对电磁转矩、TABLE24INFLUENCESOFTHEPERMANENTWIDTH4812717永磁体长度MM平均转矩NM转矩波动转矩波动的影响TOTHERIPPLETORQUEANDTORQUE5051153131121335181363345120一34150卜/气、/_、八/10厂一尹、一/、/J/EZ一53MM49MM姜23456769时1旬S10A图21永磁体宽度为53MM和49MM时转矩波形对比FIGURE21COMPARISONSOFTHETOQUEBETWEENDEFERENTPERMANENTWIDTHMOTOR212定子每相绕组匝数对永磁同步电机转矩性能的影响定子每相绕组匝数的大小直接关系到电机电密和电枢反应的大小，从而对电机的各项性能都有很大影响。本章主要从转矩方面来分析定子每相绕组匝数的设计，永磁同步电机的电磁转矩也可以用公式24表示，其中表达式的第一部分为永磁转矩，第二部分为磁阻转矩。定子每相绕组匝数对公式中U,E0,X,X这几个主要物理量影响很大，所以定子每相绕组匝数的合理设计是提高电机转矩特哈尔滨工业大学工学硕士学位论文性的关键之一。甲MPEU_1,MP,U2，1确，J川、口十LOX,20X、一XQXDXVSIN2024式中0一一转矩角下面具体分析定子每相绕组匝数对永磁同步电机转矩大小的影响。电机低速运行时，空载反电势较小，所以电机的端电压也较小。端电压可由式25表示，式中的E0,X,X、与定子每相绕组匝数的关系如公式26一28所示，由此可以得出，当电枢电流和内功率角一定时，定子每相绕组匝数增加，电机低速运行时所需的端电压也会随之增大。UEOI,R,JIDXDJL,XQCON2A,CONAY444广N电。凡戈0E忽略定子绕组的电阻，把公式24中U,E0,XD,X4的物理量代替，令。一二P444关电OLWA,25262728用公式25卜28中B4。JIDOADJ几WA4公式29，D一COA一COAMP1203AD44FA42中10，可得双。，ABCNSIN0DBCN2SIN2029为了利用磁阻转矩提高电机的电磁转矩，转矩角一般大于90度，从而公式29中SIN20小于零，由于D也小于零，由此可以从公式29得出，绕组匝数增大，电机的电磁转矩增大。电机运行在较高转速时，电机的空载反电势、直交轴电抗都较大，绕组匝数越多，这几个物理量增加的越快，导致电机的端电压升高越快，由于逆变器的容量有限，当电机端电压达到极限时，式29的关系就不成立了。假设电机的转矩角一定，且电机运行在端电压为最大值的某一转速下，由公式26和28可知，绕组匝数增加，EALX、的大小将会降低，导致永磁转矩降低。公式24中XAX,/X,X9的值可表示为式210，从式中可以看出，定子侮相绕组匝数增加，X,X,/X,X,的值也会降低，导致磁阻转矩降低。山式24可知，磁阻转矩和永磁转矩都会降低，导致电磁转矩降低。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文X,X,XWX,COI护气一01矿AJA、一A,CO护，ADA,矿A,CO护A声。210定子绕组匝数不但影响高速和低速时的转矩大小，还会影响电机的恒转矩运行范围。随着转速的增加，电机的端电压也随之增大，当电机的端电压增加到最大值时，如果转速再升高就需要通过增加弱磁电流来扩大电机的转速，电枢电流不变时，直轴电流增加势必导致交轴电流的减小，从而导致转矩下降，所以端电压达到最大值时对应的转速即为永磁同步电机恒转矩运行的最高速度。绕组匝数较多时，电机的端电压随转速的增加也较快，所以电机的恒转矩运行范围也会相应较窄。绕组匝数的实际选择还要考虑电机的电密和绕组铜耗的大小，以免造成电机的温升过高和效率的降低，影响电机运行的可靠性。综上所述，如果只考虑电机的转矩特性，电机定子每相绕组匝数的选择要综合考虑技术指标对电机低速转矩大小和恒转矩运行范围的要求进行折衷选择。以2号样机为例，表22为三种不同绕组匝数对应的低速最大转矩，表23为三种绕组匝数对应的恒转矩最高转速，从两个表中的数据可以看出，不同绕组匝数对应的低速最大转矩近似满足T,2/T,N2/N1的关系，恒转矩运行范围随着绕组匝数的增加而缩小，根据技术指标对电机转矩大小和恒转矩范围的要求，选择24匝为最终方案。表222号样机不同绕组匝数对应的低速最大转矩TABLE25MAXIMUMTORQUEOFDEFERENTCOILTURNOF4POLESMOTOR每相绕组匝数162432低速最大转矩NM93137175表232号样机不同绕组匝数对应的恒转矩范围TABLE26CONSTANTTORQUERANGEOFDEFERENTCOILTURNOF4POLESMOTOR侮相绕组匝数R转矩时最大转速RPM550035002400213优化转子铁心外形提高转矩性能永磁同步电动机的理想运行是正弦分布的电机电流与正弦分布的气隙永哈尔滨工业大学工学硕_L学位论文磁磁密相互作用。尽管对矢量控制的永磁同步电动机来说，电机电流的正弦性能够保证，但是由于永磁同步电机本身的磁路结构特点，其永磁磁密波形却远非正弦分布，而是梯形波分布，这无疑降低了其性能29I永磁磁密基波幅值的大小直接影响电机的永磁转矩大小，永磁磁密谐波的大小影响电机的谐波附加铁耗和负载附加损耗的大小。所以要进一步提高电机的转矩性能就需要对永磁磁密波形进行优化。内置式结构的永磁体置于转子内部，无法直接优化，所以通过优化转子的铁心外形来优化永磁磁密的波形。理想的转子外形为正弦形，但实际电机的转子外形不可能做成正弦形，而月_也还有必要，所以本文采用文献6的方法对转子外形进行优化，采用偏心的分段圆弧逼近正弦波形，通过增大分段圆弧的偏心程度来提高气隙永磁磁密的正弦度，减小空载气隙磁密的谐波大小，提高气隙磁密的基波分量，从而提高电机的永磁转矩，降低由气隙永磁磁密谐波引起的纹波转矩。但分段圆弧的偏心程度不是越大越好，因为随着分段圆弧偏心程度的增大，电机气隙的不均匀程度也逐渐增大，引起齿槽转矩的增大，当齿槽转矩的增加值大于谐波纹波转矩的减小值时，转矩波动反而增大。偏心程度的增大也会使直交轴磁路的磁导减小，对电机的磁阻转矩产生一定的影响，但只要假设气隙变化均匀，最大气隙存在于磁阻较大的支路中，那么对直交轴磁路磁阻的影响就不大，从而磁阻转矩的变化很小，为了简化分析，可以忽略偏心程度对磁阻转矩的影响。下面通过分析一个具体的理想电机模型来说明转子外形的优化程度对电机转矩性能的影响。其中，偏心程度的大小用最大气隙与最小气隙的比值气隙比来衡量，优化过程中气隙基波和谐波随气隙比的变化规律如图22,23和24所示，从图中可以看出随着气隙比增大，永磁磁密的基波成份逐渐增大，谐波逐渐降低，说明永磁磁密波形的正弦度越来越好。图25为永磁磁密基波和最大转矩的对比曲线。从图中可以看出两条曲线的变化趋势非常相似，说明电磁转矩的大小与永磁磁密基波的变化趋势大致相同。图26为转子外形优化过程中，负载最大转矩和转矩波动的对比曲线，可以看出，电磁转矩的变化趋势与转矩波动的变化趋势有所不同，当气隙比较小时，由于永磁磁密基波的变化较小，所以电磁转矩的变化很小，从图25和26可知，此时永磁磁密的谐波分量下降很快，所以转矩波动一降，当气隙比较大时由于永磁磁密基波增加，所以电磁转矩增加较快，但此时永磁磁密的谐波分量降低幅度很小，导致谐波转矩的降低幅度很小，又由哈尔滨工业大学T学硕十学位论文于气隙比较大时齿槽转矩将会迅速增加，所以转矩波动也迅速增加。书14书们班12一翻越越月11511气隙比图22FIGURE22NOLOAD空载气隙基波随气隙比的变化AIRGAPBASICFLUXSALIENTPROPORTIONCURVE口翎翻侧碧等0OS1522533544555石气隙比图23空载气隙3次谐波随气隙比的变化FIGURE23NOLOADAIRGAPTHIRDHARMONICSFLUXSALIENTPROPORTIONCURVE】7哈尔滨T业大学工学硕十学位论文口栩扭越独写明口051522533544石555气隙比图24空载气隙5次谐波随气隙比的变化FIGURE24NOLOADAIRGAPFIFTHHARMONICSFLUXSALIENTPROPORTIONCURVE125通R月一转矩一被动系数120/月15写堰35K、/2尸科25Z洲尸胡奴嵘拐洲了尸，105了洲/声卜尸州1田15、，/15于今25寸一354一45一5一59气隙比图25气隙比一转矩波动系数转矩图FIGURE25RIPPLETORQUE/AVERAGETORQUESALIENTPROPORTIONCURVEI9_哈尔滨工业大学工学硕士学位论文已理瞥佃匆绷翩篮丫一永磁磁密一书著矩13125巧1005J一一闷月J二1之罕民解一一一一二二I115升225335士一45555气隙比图26气隙比一永磁磁密基波/转矩图FIGURE26NOLOADAIRGAPBASICFLUX/TORQUESALIENTPROPORTIONCURVE综上所述，电机转子外形优化过程中既要考虑永磁磁密基波和谐波的变化对电机转矩性能的改善，又要注意气隙比不能过大，否则转矩波动将会迅速增大，降低电机的驱动性能。对于驱动电机而言，在转矩波动不致过大的情况下，为了提高电机的出力，可以选择转矩波动稍大时的优化值作为最终方案。以此分析模型为例，气隙比为47时，转矩波动系数为35，比转矩波动系数最小时大21，但电磁转矩却比转矩波动系数最小时的电磁转矩提高了大约24NM，气隙比为47时对应的转矩波形如图27所示。从图中可以看出，虽然气隙比为47时转矩波动大一些，但对于驱动电机来说完全可以达标，所以选择气隙比为47时的方案可以作为最终的优化方案。以上分析了转子外形优化对电机转矩性能的影响，但在实际电机的优化过程中，转子的空间大小可能有限，因此最终的优化结果可能受到很大限制。1号样机优化后的转子外形如图28所示，从图中可以看出，转子外形的优化余地很小。1号样机转子外形优化前后的永磁磁密和转矩性能的对比如表24所示，分析表中数据可以得出，由于转子外形的优化程度很小，所以优化后的气隙比很小，此时永磁磁密的谐波分量降低较多，使得转矩波动降低，但此时永磁磁密的基波幅值变化不大，所以电磁转矩几乎没有什么变化。优化后的转矩波形如图29所示。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文印任2滚柳D一节犷一5一一56时，6CS657，口8R10D图27气隙比为47时对应的转矩波形FIGURE27TOQUEGRAPHWHENTHESALIENTIS47图281号样机优化后的转子外形FIGURE28ROTORSHAPEAFTEROPTIMIZATIONOFTHEFIRSTSAMPLEMOTOR表241号样机模型转子外形优化前与优化后永磁磁密和转矩性能的比较TABLE24COMPARISONSOFTHEFLUXDENSITYANDTHETORQUEPERFORMANCE气隙磁密基波T气隙磁密3次谐波T气隙磁密5次谐波T转矩波动电磁转矩N优化前12710340177131优化后1278016005526132哈尔滨工业大学工学硕士学位论文O0OM10MS0田30004000500060田700060009001时间S图291号样机优化后的转矩波形FIGURE29TORQUEGRAPHOFTHEFIRSTSAMPLEMOTORAFTEROPTIMIZATION214气隙尺寸对永磁同步电机转矩性能的影响对于中小型电机而言，气隙尺寸一般很小，只要设计在合理的取值范围内，气隙S对电机转矩性能的影响不会很大。在进行具体分析之前，首先假设电机气隙尺寸的变化范围不大且在合理的取值范围内，电机的其他结构尺寸基本保持不变，忽略电机的饱和效应，通过控制电枢电流和内功率角的大小，保持直交轴电流不变。在以上假设的前提下，可以忽略8对电机永磁磁链的影响，从式21可以得出，此时电机的电磁转矩主要与电机的直交轴电感有关，L,L、的计算可近似山式211得出LD一L,K,一K,XM亩丛_2UOMZNK,R2PNL、LKRKVLFSF211式中X励磁电抗K,直轴磁动势折算系数KU交轴磁动势折算系数定子极距8,有效气隙长度L,电枢等效长度K,基波绕组系数哈尔滨工业大学丁学硕士学位论文M相数在以匕假设条件下，综括号内的这一项基本保持不变。气隙大小变化时，对K,K。的值影响非常小，也可以忽略。这样就可以从式21得出当气隙增大时，L,L。的值将会降低，从而电磁转矩将会变小。从上面的分析可以得出气隙越小，永磁同步电机的电磁转矩越大。但对于实际电机设计来说气隙并不是越小越好，因为气隙越小，电机的杂散损耗越大，对于永磁同步电机来说，转子永磁体磁场的非正弦性进一步增加了杂散损耗，如果气隙过小，可能会导致杂散损耗的增加值大于电磁转矩的增加值，输出转矩反而下降301当电机的其他结构相同时，附加损耗主要与气隙的尺寸和气隙磁密谐波的大小有关，由于中小型电机的附加损耗绝对值很小，而且目前还没有比较精确的计算公式，所以当气隙磁场谐波变化不大时可以选择较小的气隙，以增大输出转矩311永磁同步电机的气隙大小可通过式212来估计，气隙尺寸最终选择哪个值还要看气隙磁密中的谐波大小而定，当谐波相差很小时，可以选择转矩较大的那个值作为最终结果。8一赞0一“2MM212表25不同气隙大小对应的空载气隙谐波大小比较TABLE25COMPARISONSOFNOLOADAIRGAPFLUXHARMONICSOFDEFERENTAIRGAPST8M1MM一一IMM3次5次03MM03601104MM03200705MM031006706MM03200907MM031008以1号样机为例，通过式212计算得出的气隙大小为04MM和05MM，为了证明式212的准确性，选择03MM07MM作为气隙的分析范围。表25为不同气隙大小对应的电机空载气隙磁密的谐波分析结果，从表中数据可以看出，气隙为04MM和05MM时，气隙磁密的3次和5次谐波大小接近，而月均小于其他气隙取值对应的谐波大小。表26为不同气隙大小对应的输出转矩值，主要比较了低速最大电流和高速额定电流时的输出转矩大小，比较过程中外加电枢电流和内功率角保持哈尔滨T业大学工学硕J_学位论文不变，以便电机的直交轴电流保持不变。表261号样机不同气隙大小对应的转矩比较TABLE26COMPARISONSOFTORQUESOFDEFERENTAIRGAPSOFTHEFIRSTSAMPLEMOTORNM蕊CWMM1RPM03040506071300印M1281301128127一1263000RPM7375170698一686从表26可以得出，气隙为04MM时，电机的转矩最大，所以选择04MM为1一号样机气隙尺寸的最终结果。同时，从表26也可以看出，只要气隙尺寸变化不大，其对转矩性能的影响就会很小。22控制策略对电机转矩性能实现的影响以上论述的是电机的电磁设计对电机转矩性能的影响，但电机转矩性能的实现与电机的控制策略也有很大关系。对于表面式永磁同步电机来说，直轴和交轴磁路的磁导基本相同，输出转矩即为永磁转矩，没有磁阻转矩分量，所以采用I,0控制就可实现最大转矩。但对于内置式永磁同步电机来说，采用I,0控制不能利用磁阻转矩，内置式结构的优点不能得到发挥，如果通过弱磁控制改变内功率角的大小来利用磁阻转矩，输出转矩将会有很大提高，表27为1号样机和2号样机采用I,。控制和弱磁控制得到的最大电磁转矩的比较表27不同控制方法下的最大电磁转矩比较TABLE27COMPARISONSOFMAXIMUMTORQUESBYDEFERENTCONTROLMETHODSNM6极电机14极电机弱磁控制I,0控制从表27可以看出，利用磁阻转矩可以大大提高电机的输出转矩，1号样机永磁转矩较大，2号样机磁阻转矩较大，采用弱磁控制后可以充分利用磁阻转矩来增大输出转矩，所以2号样机在采用弱磁控制后输出转矩提高了26NMA哈尔滨工业大学丁学硕上学位论文23本章小结本章主要分析了影响永磁同步电机低速转矩特性的几个关键电磁参数。并论述了如何通过优化转子内置式结构的永磁同步电机的极靴形状来提高电机的转矩特性。以具体样机设计为例，说明了如何通过合理选择定子绕组匝数、永磁体充磁方向长度和气隙大小来提高电机的低速转矩特性，并建立理想的电机模型分析出转矩特性随转子外形变化的大致趋势，以实际样机为例证明了这个大致趋势的正确性。最后以实际样机为例分析了控制策略对永磁同步电机转矩性能实现程度的影响。哈尔滨1业大学工学硕上学位论文第3章提高永磁同步电机高速特性的研究宽厂的恒功率运行范围是驱动电机的另一个重要设计目标。但永磁同步电机由于结构本身的原因，高速时弱磁比较困难，所以相对感应电机和直流电机而一言，最高转速一般较低。永磁同步电机的弱磁扩速问题一直是制约永磁同步电机发展的瓶颈。提高电机的弱磁扩速能力是永磁同步电机设计的个难点，虽然目前国内外从电机结构设计和控制策略方面提出了很多可行的弱磁扩速方法，但这些方法都或多或少的存在一定的局限性，找到理想的弱磁扩速方法还需要进一步的研究。传统结构的永磁同步电机虽然高速时弱磁困难，但通过合理设计相关的电磁参数，还可以在一定程度上提高电机的弱磁能力，实现设计要求的最高转速。本章主要结合具体的样机设计，对影响电机最高转速的几个关键电磁参数进行分析，并在第二章的基础上继续分析如何提高电机的高速转矩，从而提高永磁同步电机的恒功率运行范围。31弱磁扩速原理永磁同步电机的转子通过永磁体励磁，所以转子励磁磁通不能像电励磁那样通过调节电流的大小来任意调节。随着转速的升高，电动机电压会逐渐达到逆变器所能输出的电压极限，这时要想继续升高转速只有靠调节定子电流的大小和相位来增加直轴去磁电流，以维持电压的平衡关系。但逆变器的电流也有极限，当逆变器的电流达到最大值时，直轴去磁电流增加，交轴电流就要降低，由于交轴电流直接关系到输出转矩的大小，所以当交轴电流降低到一定程度时，转矩就会降为0，这时电机转速就达到了极限321电机的弱磁能力与电机本身的磁路结构和电机参数有关。永磁同步电机弱磁扩速难的主要原因在于其磁路结构的特殊性，尽管永磁同步电机有多种多样的转子结构，但无论是并联永磁磁路转子还是串联永磁磁路转子，永磁体总是串联在直轴磁路中，并占去交轴磁路的部分空间。因此，交、直轴磁路的等效气隙都很大，直交轴电抗都比电励磁同步电机的小得多，正常励磁J情况下，直轴电枢反应磁通只能消弱永磁通的极小部分，公式表示为121瓦XELX31哈尔滨工业大学工学硕士学位论文式中1,电机额定相电流上式是普通永磁同步电机的固有特性，是弱磁难的主要原因241。文献17指出采用弱磁控制时，当电动机端电压和电流达到最大值，电流全部为直轴电流分量，并且忽略定子电阻的影响时，电动机可以达到的理想最高转速为OMAX二权ILI孩11IPV，一L,石1RP,鱼一、,R31M32式中UUMN电机相电压有效值的极限值电机最大角速度几。电机相电流有效值的极限值从式32可以看出，要提高永磁同步电机的最高转速主要可以从两个方面考虑1增大直轴电感2降低空载反电势。32选择合理的设计方案提高电机的最高转速如上所述，在永磁同步电机的电磁参数中，对电机弱磁扩速能力影响最大的是空载反电势和直轴电感的大小。从公式26卜28可知，电机定子绕组匝数对空载反电势和直轴电感的影响很大。永磁体充磁方向长度直接影响直轴磁路磁导的大小，从而影响永磁同步电机的直轴电感的大小。综上所述，合理设计空载反电势和直轴电感的关键是合理选择定子绕组匝数和永磁体的充磁方向长度。321定子绕组匝数对永磁同步电机最高转速的影响为了分析定子绕组匝数对电机最高转速的影响，把公式32中的凡和L、分别用定子绕组匝数和其他电磁参数表示，整理后得公式330很一A,行1AP,N2122P,D,NN33哈尔滨工业大学工学硕十学位论文从公式33可以看出，分母的表达式为二次函数，设定子绕组匝数N为自变量，这个二次函数的对称轴为N_,石0,O/A,IUM,当N大于这个值时，这个二次函数为单调递减函数，此时增大定子绕组匝数，永磁同步电机的理想最高转速增大。当N小于这个值时，这个二次函数为单调递增函数，此时增大定子绕组匝数，电机理想最高转速下降。对于一般的永磁同步电机来说，3,D,OADIUM，所以N值的实际变化范围一般都远远小于N_所以增大电机的绕组匝数永磁同步电机的最高转速会相应的降低。公式33忽略了电机绕组电阻的影响，实际设计时还要考虑绕组匝数对定子电密和电阻的影响，绕组匝数不能过大，否则会使电机的温升增加，电阻压降升高，从而导致电机过热，效率下降。定子绕组匝数的初始值可通过定子电密根据电机的绝缘等级确定的大小来确定，由于定子绕组匝数对电机的低速转矩性能和最高转速都有很大影响，所以初始值确定后根据技术指标对电机的低速转矩大小和最高转速的要求进行调节在满足电机的低速转矩大小的情况下尽量减少定子绕组匝数以提高电机的高速转矩和最高转速331F面以2号样机为例分析定子绕组匝数的具体选择过程。首先根据绝缘等级确定电机电密的最大合理取值范围，根据电密的取值范围初步选择出定子每相绕组匝数的几个可选方案如下16匝、24匝、32匝，均远远小于弋。的值，N_160匝图31为这三种取值对应的转矩一转速特性，从图中可以看出，绕组匝数不同，对应的转矩一转速特性也不同，但无论选择哪种方案都不能同时满足低速转矩大和最高转速高的要求。所以根据技术指标要求的低速最大转矩和负载最高转速进行折衷选择，定子每相绕组匝数最终选择24匝。200口一_衬份一沃沐长一一一一气丫_、_斧平一_一咔01000200030004000500060007000转速RPM图312号样机不同绕组对应的最大转矩一转速图FIGURE31TORQUESPEEDCURVESOFDEFERENTCOILTURNSOFTHESECONDSAMPLEMOTOR哈尔滨工业大学工学硕寸丁学位论文322永磁体充磁方向长度对电机最高转速的影响永磁体的磁阻与空气接近，无论哪种结构的永磁同步电机，永磁体都串联在直轴磁路中，所以永磁体充磁方向长度对电机直轴磁导的影响很大，适当减小永磁体的充磁方向长度可以提高直轴磁导的大小，但永磁体不能过薄，否则永磁体在电机工作电流较大时容易发生去磁121永磁体充磁方向长度可通过公式35和36初步确定，然后在保证一定去磁能力的情况下，尽量减小永磁体的充磁方向长度。对内置径向式转子磁路结构永磁体充磁方向长度的顶估公式为121H,K,KBOS1一BOUO34内置切向式转子磁路结构永磁体充磁方向长度的预估公式为H,二2K,K,B,51一B,NQO35以2号样机为例说明永磁体充磁方向长度的选择首先根据公式34和35初步确定永磁体充磁方向长度，得出大致的合理取值范围为6MM9MMO永磁体厚度为6MM时最大去磁工作点标么值为013，工作点太低，永磁体容易发生去磁，所以永磁体厚度取值6MMO永磁体充磁方向长度为7MM时，最大去磁工作点的标么值为024，永磁体采用抗去磁能力较强的UH型钱铁硼永磁体，7MM时永磁体的抗去磁能力己经足够。在其他条件不变的情况下，对比7MM,8MM,9MM三个值对应的电机转速和转矩特性如表31所示表31永磁体充磁方向长度不同取值对应的低速最高转矩和达到的最高转速TABLE31MAXIMUMTORQUEANDSPEEDOFDEFERENTPERMANENTLENGTHS4C1943,1FIJ,1FIXAYKLXMM,1FKQPRNM一_7130恒功率最高转速RPM5600为了尽量提高永磁同步电机的最高转速磁方向长度选择7MMO_131530091325100对于2号样机来说，永磁体充哈尔滨工业大学工学硕士学位论文33本章小结本章分析了永磁同步电机高速弱磁困难的原因，针对永磁同步电机低速转矩大小和最高转速互相制约的问题，通过具体的公式推导并以实际样机设计为例，提出了兼顾电机低速转矩大小和最高转速的设计方法。分析了增大交轴磁导对永磁同步电机高速转矩性能的影响，提出了增大交轴磁导的设计方法。哈尔滨工业人学工学硕十学位论文第4章混合动力轿车用永磁同步电机的设计41电机设计方法的确定在第二章和第三章的理论分析基础上，采用场路结合的设计方法设计了20KW混合动力车用永磁同步电机。电机的设计方法很重要，选择合理的电机设计方法将会事半功倍。目前永磁电机设计分析的主要方法有等效磁路法、磁网络法、场路结合法、电磁场解析计算法和电磁场数值计算法。这几种设计方法都有各自的优缺点，电机结构的复杂程度、设计要求的精度和研发时间的长短不同，选择的设计分析方法也有所不同。1等效磁路法等效磁路法是传统的电机分析方法，将永磁体处理成磁势源或磁通源，其余按照通常电机的磁路计算来进行。其优点是形象、直观、计算量小缺点是精度较低。磁路计算适用于方案的估算、初始方案设计和类似方案比较。2等效磁网络法等效磁网络法根据电机的几何结构和预测的磁通走向，把磁场区域划分为若千串联或并联支路，每条支路由磁导或者磁势源等单元组成，单元之间通过节点相联，构成磁网络。该方法是一种介于等效磁路法和有限元法之间的分析方法。其优点是原理简单，实现方便，计算精度高于等效磁路法，缺点是在建立磁网络时，电机结构要做一定的简化，而且磁网络模型是建立在磁场预测结果的基础之上的，难免带来一定的误差，如果电机结构复杂，误差会更大37383电磁场解析分析法电磁场解析分析法可以用来分析永磁电机的磁场参数以及性能，精度较高，但是解析法不能处理复杂的电机结构，对磁场饱和不能够有效处理394电磁场数值计算方法这种方法包括有限差分法，有限元法和积分方程法和边界元法等四种基本类型，以及近年来发展产生的有限元法和边界元法相结合的混合法。其中有限元法的应用比较广泛。电磁场数值计算方法精度是目前电机设计方法中最高的，但花费的时间也是最长的404115，场路结合法场路结合法是指磁场和磁路的结合。利用电磁场数值计算哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表41为两个样机漏磁系数的等效磁路法计算结果和有限元计算结果的比较表41漏磁系数的路算和有限元法计算结果比较TABLE41COMPARISONSOFTHEFLUXLEAKINGCOEFFICIENT1路算有限元法1号样机2号样机1211011118105422计算极弧系数的有限元法计算等效磁路法通过经验公式21估计电机