电动汽车中永磁同步电机工作原理

永磁同步电机是全国电动汽车搭载量最大的一种电机品类。它的日渐成功,主要得益于结构简单带来的电控调速的便宜性和显著占优的功率密度。

1 工作原理

永磁同步电机,最基本的组成结构定子和转子。定子与异步电机转子类似,由绝缘铜线绕制而成。转子包含永磁体,并具备确定的极数,建立电机的主磁场。

1.1 定子

永磁同步电机的定子与异步电机相同,三相绕组间隔120°角,均匀布置。

定子的特征参数包括绕组相数(一般单相,三相和多相),绕组槽数。

绕组槽数的定义,定子槽数的一半,除以定子相数与转子极数的乘积。按照每个定子槽容纳的绕组线圈数量不同,永磁电机可以划分成整数槽绕组和分数槽绕组。

分数槽绕组,意味着可能有属于不同相的绕组被放置在同一个定子槽里。相对于整数槽绕组,分数槽绕组,除了绝缘要求比较高以外,其余都是优点。

定子铁芯上需要开挖的槽数量减少,节省了空间留给绕组使用,同时简化加工过程;每个槽容纳多个极数,减少工作过程中,槽与槽之间的过度部分产生的冲击震动,改善励磁波形。

1.2 转子

转子是永磁同步电机自身特点的来源。永磁转子由贴心和永磁体两部分构成。

表面式

根据永磁体在转子上安放位置的不同,可以划分为表面式、内置式、混合式和爪极式。

顾名思义,表面式转子,就是把永磁磁片贴在转子表面;而内置式,是在铁芯内部固定永磁铁。混合式则前面二者的布置方式结合到一起使用。

内置式

爪极式转子,两个完全一样的带爪法兰盘,对抓到一起,中间固定一定数量的永磁体。这样就形成了一个法兰盘是N极,另一个法兰盘是S极的结构形式。法兰盘上的爪子,起到极靴的作用。

表面式和内置式除了布置方式不同,其产生的磁场也有很大区别。内置式转子输出功率过程中,转矩除了电磁转矩分量还包含一个磁阻转矩分量。使得内置式转子的永磁同步电机功率密度上具备明显优势。

1.3 永磁同步电机的工作过程

永磁同步电机,定子通电,定子绕组成为一组电磁铁,电磁铁的N极,S极,沿着定子内侧,均匀分布。永磁体转子,本身具有稳定的N极,S极。定子与转子之间存在电磁力的作用。

当定子磁场以一定转速旋转时,电磁力拉动转子,跟随磁场的运动,并尽力保持与磁场同步的趋势。

1.3.1 电动机工作模式

当转子轴端有系统负载,系统需要电机依靠定子磁场的力量拉动转子转动,使得系统内的电能做功,转换成机械能。转子和定子处于下图所示的相对位置。

图中所示瞬间,定子磁场上的一对磁极,向读者的左手边转动。转子受定子电磁力的拉动,也跟着向左侧运动。定子在前,转子在后。

这样,转子的运动方向与定子和转子之间的电磁力的作用线之间形成一个夹角,被称为矩角。

矩角处于0~90°之间,电机处于电动机工作模式。

1.3.2 发电机工作模式

当转子受到外界机械力的牵引,处于转动状态,定子电路通畅,但并未接入电源。

转子转动,形成转动的磁场,使得静止的定子线圈被动切割磁力线,产生感应电流。此时,定子和转子处于下图所示相对位置。

图中所示瞬间,永磁体转子上的一对磁极,向读者左手边运动。定子产生的感应电流与转子之间产生电磁力的作用。此电磁力的作用线方向与转子的运动方向成一个夹角,即矩角。

矩角的取值在90~180°之间,电机处于发电机工作模式。

1.3.3 发无功工作模式

定子持续通固定频率正弦电流。转子在旋转磁场的作用下,跟随磁场同步旋转。转子没有任何负载力矩的作用。转子和定子处于下图中的相对位置。

定子磁场向读者左手边运动,转子跟随同步运动。定子与转子之间力的作用线与转子的运动方向成90°角。

此时,电源提供的功率除了克服系统的摩擦阻力矩之外,只有励磁作用。电机提供的有功功率为0,此时电机被称为“无功补偿机”,也就是只发无功的电机。

2 机械特性

在定子励磁频率不变的情况下,电机输出转矩与转速是不相关的,即所谓特性硬。当负载转矩发生波动时,电机转速不会受到影响。这就保证了传动系统高质量的稳定性。

3 调速方法

与异步电机相比,永磁同步电机的电、磁和力的关系更简单,经过一定的坐标变换,可以实现电流与力矩的解耦。

3.1 坐标变换

列举,永磁同步电机变频调速用到的相关坐标变换。A-B-C 坐标系,以定子铁芯的圆心为原点,以定子三相绕组为A、B、C三个方向为轴向,轴与轴之间夹角120°。

α-β坐标系,与A-B-C坐标系在同一个平面,共享同一个原点,α轴与A轴重合,β轴与α轴成90°角。

d-q坐标系,d轴与转子永磁铁磁极N极重合,并跟随转子转动。q轴,与d轴在逆时针方向上成90°角。

3.2 基频以下调速

磁场定向控制

磁场定向,即在d-q坐标系下,电机参数中,如励磁电流,影响力矩的部分,是参数投影到q轴的分量。而投影到d轴上的部分,则不必考虑,即通常所说的id=0方法。此方法下,电机最大输出转速的决定因素是控制器最高供电电压。

磁场定向控制策略的局限在于,不能体现励磁电流影响磁场的部分参数变化,因此不能进行弱磁控制。

3.3 基频以上调速

3.3.1 直接转矩控制策略

直接转矩法,出发点是想要通过控制转矩公式中的参数去直接对转矩输出值产生影响。选择矩角作为控制对象。

以内置式转子永磁同步电机为例,说明具体方法。

在电源电压和定子磁场频率恒定的情况下,电机实时输出转矩,与矩角的正弦值成正比。

可以在离线状态下,计算每个转矩角对应的电磁转矩值,形成一张矢量表,存放在上位机。在电机控制器运行过程中,实时观测转矩和转矩角,并提取表格中的原始值进行比对。发现与表格的值有出入,则调整电源电压值,进行转矩修正。

直接转矩法,鲁棒性好,算法简单,并且不需要坐标变换,在早期是应用较多的一种控制方法。但这种方法在低转速情况下,控制精度急剧下降。因此可以选择仅在基频以下使用。

3.4 最大力矩电流比控制策略

将电流在d-q坐标系下解耦,再分别求取每个分量的转矩电流最大比,目的是获得确定励磁电流下的最大转矩。

用求取二阶导数的方式确定极大值的存在性。在调速区间内,对转矩电流比求导,二阶导数小于0,则转矩电流比最大值存在。

4 总结

永磁同步电机,其偏硬的机械特性使它非常适合于需要调速的场合。而电动汽车对功率密度、可操控性等特点的强烈需求,也使得永磁同步电机特别适合电动汽车的应用场景。如果可以进一步克服高温下永磁体的磁场稳定性问题,随着其变频调速技术研究的深入,永磁同步电机必将占领更多的电动汽车。