電動汽車中永磁同步電機工作原理

永磁同步電機是全國電動汽車搭載量最大的一種電機品類。它的日漸成功,主要得益于結構簡單帶來的電控調速的便宜性和顯著占優(yōu)的功率密度。

1 工作原理

永磁同步電機,最基本的組成結構定子和轉子。定子與異步電機轉子類似,由絕緣銅線繞制而成。轉子包含永磁體,并具備確定的極數,建立電機的主磁場。

1.1 定子

永磁同步電機的定子與異步電機相同,三相繞組間隔120°角,均勻布置。

定子的特征參數包括繞組相數(一般單相,三相和多相),繞組槽數。

繞組槽數的定義,定子槽數的一半,除以定子相數與轉子極數的乘積。按照每個定子槽容納的繞組線圈數量不同,永磁電機可以劃分成整數槽繞組和分數槽繞組。

分數槽繞組,意味著可能有屬于不同相的繞組被放置在同一個定子槽里。相對于整數槽繞組,分數槽繞組,除了絕緣要求比較高以外,其余都是優(yōu)點。

定子鐵芯上需要開挖的槽數量減少,節(jié)省了空間留給繞組使用,同時簡化加工過程;每個槽容納多個極數,減少工作過程中,槽與槽之間的過度部分產生的沖擊震動,改善勵磁波形。

1.2 轉子

轉子是永磁同步電機自身特點的來源。永磁轉子由貼心和永磁體兩部分構成。

表面式

根據永磁體在轉子上安放位置的不同,可以劃分為表面式、內置式、混合式和爪極式。

顧名思義,表面式轉子,就是把永磁磁片貼在轉子表面;而內置式,是在鐵芯內部固定永磁鐵。混合式則前面二者的布置方式結合到一起使用。

內置式

爪極式轉子,兩個完全一樣的帶爪法蘭盤,對抓到一起,中間固定一定數量的永磁體。這樣就形成了一個法蘭盤是N極,另一個法蘭盤是S極的結構形式。法蘭盤上的爪子,起到極靴的作用。

表面式和內置式除了布置方式不同,其產生的磁場也有很大區(qū)別。內置式轉子輸出功率過程中,轉矩除了電磁轉矩分量還包含一個磁阻轉矩分量。使得內置式轉子的永磁同步電機功率密度上具備明顯優(yōu)勢。

1.3 永磁同步電機的工作過程

永磁同步電機,定子通電,定子繞組成為一組電磁鐵,電磁鐵的N極,S極,沿著定子內側,均勻分布。永磁體轉子,本身具有穩(wěn)定的N極,S極。定子與轉子之間存在電磁力的作用。

當定子磁場以一定轉速旋轉時,電磁力拉動轉子,跟隨磁場的運動,并盡力保持與磁場同步的趨勢。

1.3.1 電動機工作模式

當轉子軸端有系統(tǒng)負載,系統(tǒng)需要電機依靠定子磁場的力量拉動轉子轉動,使得系統(tǒng)內的電能做功,轉換成機械能。轉子和定子處于下圖所示的相對位置。

圖中所示瞬間,定子磁場上的一對磁極,向讀者的左手邊轉動。轉子受定子電磁力的拉動,也跟著向左側運動。定子在前,轉子在后。

這樣,轉子的運動方向與定子和轉子之間的電磁力的作用線之間形成一個夾角,被稱為矩角。

矩角處于0~90°之間,電機處于電動機工作模式。

1.3.2 發(fā)電機工作模式

當轉子受到外界機械力的牽引,處于轉動狀態(tài),定子電路通暢,但并未接入電源。

轉子轉動,形成轉動的磁場,使得靜止的定子線圈被動切割磁力線,產生感應電流。此時,定子和轉子處于下圖所示相對位置。

圖中所示瞬間,永磁體轉子上的一對磁極,向讀者左手邊運動。定子產生的感應電流與轉子之間產生電磁力的作用。此電磁力的作用線方向與轉子的運動方向成一個夾角,即矩角。

矩角的取值在90~180°之間,電機處于發(fā)電機工作模式。

1.3.3 發(fā)無功工作模式

定子持續(xù)通固定頻率正弦電流。轉子在旋轉磁場的作用下,跟隨磁場同步旋轉。轉子沒有任何負載力矩的作用。轉子和定子處于下圖中的相對位置。

定子磁場向讀者左手邊運動,轉子跟隨同步運動。定子與轉子之間力的作用線與轉子的運動方向成90°角。

此時,電源提供的功率除了克服系統(tǒng)的摩擦阻力矩之外,只有勵磁作用。電機提供的有功功率為0,此時電機被稱為“無功補償機”,也就是只發(fā)無功的電機。

2 機械特性

在定子勵磁頻率不變的情況下,電機輸出轉矩與轉速是不相關的,即所謂特性硬。當負載轉矩發(fā)生波動時,電機轉速不會受到影響。這就保證了傳動系統(tǒng)高質量的穩(wěn)定性。

3 調速方法

與異步電機相比,永磁同步電機的電、磁和力的關系更簡單,經過一定的坐標變換,可以實現電流與力矩的解耦。

3.1 坐標變換

列舉,永磁同步電機變頻調速用到的相關坐標變換。A-B-C 坐標系,以定子鐵芯的圓心為原點,以定子三相繞組為A、B、C三個方向為軸向,軸與軸之間夾角120°。

α-β坐標系,與A-B-C坐標系在同一個平面,共享同一個原點,α軸與A軸重合,β軸與α軸成90°角。

d-q坐標系,d軸與轉子永磁鐵磁極N極重合,并跟隨轉子轉動。q軸,與d軸在逆時針方向上成90°角。

3.2 基頻以下調速

磁場定向控制

磁場定向,即在d-q坐標系下,電機參數中,如勵磁電流,影響力矩的部分,是參數投影到q軸的分量。而投影到d軸上的部分,則不必考慮,即通常所說的id=0方法。此方法下,電機最大輸出轉速的決定因素是控制器最高供電電壓。

磁場定向控制策略的局限在于,不能體現勵磁電流影響磁場的部分參數變化,因此不能進行弱磁控制。

3.3 基頻以上調速

3.3.1 直接轉矩控制策略

直接轉矩法,出發(fā)點是想要通過控制轉矩公式中的參數去直接對轉矩輸出值產生影響。選擇矩角作為控制對象。

以內置式轉子永磁同步電機為例,說明具體方法。

在電源電壓和定子磁場頻率恒定的情況下,電機實時輸出轉矩,與矩角的正弦值成正比。

可以在離線狀態(tài)下,計算每個轉矩角對應的電磁轉矩值,形成一張矢量表,存放在上位機。在電機控制器運行過程中,實時觀測轉矩和轉矩角,并提取表格中的原始值進行比對。發(fā)現與表格的值有出入,則調整電源電壓值,進行轉矩修正。

直接轉矩法,魯棒性好,算法簡單,并且不需要坐標變換,在早期是應用較多的一種控制方法。但這種方法在低轉速情況下,控制精度急劇下降。因此可以選擇僅在基頻以下使用。

3.4 最大力矩電流比控制策略

將電流在d-q坐標系下解耦,再分別求取每個分量的轉矩電流最大比,目的是獲得確定勵磁電流下的最大轉矩。

用求取二階導數的方式確定極大值的存在性。在調速區(qū)間內,對轉矩電流比求導,二階導數小于0,則轉矩電流比最大值存在。

4 總結

永磁同步電機,其偏硬的機械特性使它非常適合于需要調速的場合。而電動汽車對功率密度、可操控性等特點的強烈需求,也使得永磁同步電機特別適合電動汽車的應用場景。如果可以進一步克服高溫下永磁體的磁場穩(wěn)定性問題,隨著其變頻調速技術研究的深入,永磁同步電機必將占領更多的電動汽車。