电动机车驱动永磁同步电机设计和控制的研究

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1、第25卷第6期电力科学与工程V01．25．No．6Jun一2009292009年6月ElectricPowerScienceandEngineering电动机车驱动永磁同步电机设计和控制的研究魏亮，王艾萌，李和明(华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定071003)摘要：针对电动汽车，设计了一种新型的内置式永磁同步电动机，建立其相应控制系统，并通过Matlab／Simulink对控制系统建模仿真．仿真结果验证了系统的运行特性。关键词：电动汽车：内置式永磁(IPM)电机；弱磁中图分类号：TM921．02：TM3

2、51文献标识码：A图1所示。电机共有十二极，每一极都有两块永磁0引言体联合励磁。图2所示为电机一极的具体结构。电机具体尺寸参数如表1所示。随着汽车工业的发展，能源和环境问题的日益突出，低耗、高效已经成为现代汽车发展的根本要求。这就要求首先要有高效的电机，然后再有与之相匹配的控制系统。汽车是一个特殊使用环境，设计时要考虑到电机具有高启动转矩，能够在一个很宽速度范围内保证恒定功率的输出，此外，还要考虑到空间狭小等的限制；因此，内置式永磁电机以其效率高、体积小、重量轻、具有弱磁扩速潜力等诸多优点，成为电动汽车驱动电机

3、的理想选择。本文设计一款适用于电动汽车的内置式永磁同步电机，同时为其构建了相应的控制系统；并通过仿真验证了所设计的电机及其控制系统的优良性能。图112极55kW内置式永磁电机迭片结构1新型内置式永磁电机设计1．1电机结构传统的内置式永磁同步电机，永磁体在转子中的安放都是一字形，即每一极对应一个永磁体。本文中设计的电机，永磁体按V字形结构安放，此种结构能够有效地增加永磁体励磁，减小脉动转矩，提高永磁电机的弱磁能力。电机迭片结构图如图2电机单极的结构图收稿日期：2009-03-01．作者简介：魏亮(1981一)，男

4、，华北电力大学电气与电子工程学院研究生电力科学与工程2009篷表1电机尺寸名称尺寸极对数24目定子槽数72邑定子外径250mm、定子内径190衄样转子内径130衄定转子间气隙0．6衄定子叠片长度85衄转速／(xl04r·rain)永磁体5．5mm~18mm永磁体跨度120(elect．degrees)1．2电机参数电机永磁体产生磁链、d轴和g轴电感的参数，W～是利用Ansoft公司的有限元分析软件Maxwell对喜所设计电机进行建模，通过有限元方法计算得到。有限元计算得到的磁通分布图如图3所示，电机具体参数如表

5、2所示。转速／(×10'r·rain)图5速度，功率特性曲线恒转矩区间，而且电机速度最高可达到17000r／min以上，即最大速度可以达到3倍以上的基速。2控制系统建立电动汽车驱动系统简图如图6所示，主要由电源，逆变器和电机3部分组成。由于电动汽车在起动和爬坡时速度较低，但要求力矩较大；高速运行时需要的力矩较小，而速度很高，故：用于电动车图3额定转矩输出时的磁通分布图的驱动系统运行时典型功率特性曲线如图7所示。壅皇盟查墼即在低速时为恒转矩方式运行，高速时为恒功率方名称量值及单位式运行，且电动机的运行速度范围应该

6、较宽。最大功率额定电压驱动车轮最小恒转矩速度定子电枢电阻蓄电池组逆变器电动机d轴电感图6电动汽车驱动系统简图q轴电感永磁体磁链功率1．3电机性能分析电机的转矩特性和功率特性是电动汽车驱动电机的重要特性。本文采用有限元方法，借助于上述提到的有限元分析软件对所设计电机转矩和功率特性进行了分析，分析结果如图4和图5所示。速度从分析结果可以看到，所设计电机具有很宽的图7电动汽车驱动系统典型性能曲线第6期魏亮，等电动机车驱动永磁同步电机设计和控制的研究3I根据电动汽车运行特点，并为充分发挥内置式式中OJ为电机角速度，‰为

7、逆变器提供最大输出永磁同步电机的特点，在低速即基速以下采用单位电压。电流最大转矩控制；在高速即超过基速后，采用弱当电动机电压达到逆变器所能输出的电压极限磁控制，来实现电动汽车驱动系统。时，由式(10)可以看出，要想继续升高转速只2．1内置式永磁同步电机数学模型’能靠调节厶和厶实现，这就是电动机的弱磁运行方内置式永磁同步电机，在同步旋转坐标系式。由于永磁同步电动机转子励磁为永磁体，不可中电压方程可表示为：调，因此，一般是通过增加d轴去磁电流来实现弱磁扩速。嘲：【一败H三][芝卜∞o]㈣当电动机运行于某一转速时，由

8、电压方程(10)可得到弱磁控制时电流矢量轨迹：式中，f

9、为等效的d轴、g轴电流；lls,为等效的d轴、g轴电压：为定子绕组电阻；厶为等效的d轴、g轴电感；转子永磁体产生的励磁磁厶：一(11)链幅值。考虑电流限制时，联立电流限制方程(6)和d轴和g轴电流分量可以表示如下：电压限制方程(10)可得到弱磁控制电动机，在转速反馈i~=-Lsinp：Z,=Lcos#(2)某一特定转速下所能输出d