「分析」永磁同步电机的选型及参数校验

1 永磁同步电机

1.1 驱动电机类型

电动机按其工作电流分类，可分为直流电动机和交流电动机。长期以来，直流电动机由于成熟稳定的调速技术优点，广泛应用在工业过程中，但其结构复杂、故障率高，不能满足离散的动态环境。随着新型电力电子器件的发明及推广和计算机控制技术的发展，现阶段的纯电动轿车普遍选用交流电机驱动系统。

近年来，随着第3代稀土永磁材料性能的不断提高，具备剩磁高、矫顽力高、磁性能高等优点使其在工业中得到了广泛的应用。乘用车行业中，永磁同步电机具备功率因数高、效率高、启动转矩大、功率密度高及可靠性高等优点使其在驱动电机系统的使用中占有主导地位。

1.2 永磁同步电机工作原理

长期以来，制约交流电机控制技术发展的是转矩和磁链的耦合性，使其控制精度难以提升。20世纪60～70年代，K.Hasse和F.Blaschke提出了控制定子电流矢量技术，也叫矢量控制技术，实现了磁链和转矩解耦，永磁同步电机也是采用此控制方式。经过几十年的发展，永磁同步电机的控制技术逐步完善，控制技术的动态模型具体步骤如图1所示。

图1 动态模型具体步骤

矢量控制技术是通过调节电枢电流和磁场电流来控制电机。现在有些企业为了提高转矩的响应速度，通过直接调节工作电压来改变定、转子磁链的夹角来控制电机的输出转矩即直接转矩控制技术。近年来，中外科研人员对其改进技术也在不断探索。恒转矩角、单位功率因数（UPF）、磁通与电流相量角控制、单位电流最优转矩、恒功率损耗及最大效率等控制方法可根据需要叠加用于矢量控制中。现实中永磁同步电机的控制受到车载动力电池的最大电压和最大电流的限制，在转速增加到一定的数值后，需要削弱气隙磁链来抑制感应反电动势，也就是弱磁控制技术。

依据控制策略及永磁同步电机自身特性，其在纯电动轿车中的应用曲线可近似总结为基速以下恒转矩控制、基速以上恒功率控制，如图2所示。

图2 转矩（T）、频率（f）及感应反电动势（U）曲线图

2 永磁同步电机的初步选型

式中：PN——驱动电机额定功率，kW；ηT——动力传动系统机械效率；mtest——整车试验质量，kg；g——重力加速度，m／s2；f——滚动阻力系数；umax——整车最高车速，km／h；ρ——空气密度，kg／m3；CD——空气阻力系数；A——迎风面积，m2。

图3 f在0—100 km／h下曲线图

3 驱动电机参数校验

图4 驱动力校验曲线图

3.2 最大爬坡度校验

整车企业针对爬坡度要求的目标车速一般设置为20km／h、30 km／h、60 km／h，可根据驱动电机的输出特性，将爬坡度的计算公式分为两种情况，见下式。

式中：a——爬坡角度，爬坡度为i=tan（a）；ui——汽车行驶速度，km／h；Tmax——驱动电机峰值扭矩，Nm；Pe——驱动电机峰值功率，kW。

图5 汽车的爬坡度校验曲线图

图6 汽车的加速度曲线图

当车速在基速以下时：

图7 汽车的加速运动曲线图

4 小结