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新能源汽车永磁同步驱动电机性能提升分析

2019-03-08 11:08:40     来源:农业装备与车辆工程        

【哔哥哔特导读】通过分析永磁材料磁特性、转子结构形式、电枢绕组方式和控制策略对永磁同步驱动电机性能的影响。选用具有高剩磁感应强度、高内禀矫顽力和高最大磁能积的钕铁硼稀土永磁材料,采用稳态性能好、功率密度高的内嵌永磁钢转子。

综合以上论述,内置式转子结构动态、稳态性能好,能提供大转矩和大功率,功率密度高。另外,内置式转子中不同结构类型对永磁同步驱动电机也有较大的影响。因此,加强对内置式转子结构设计的研究。探索经济性好、性能优异的转子结构对提升永磁同步驱动电机性能具有重要意义。

电枢绕组对永磁同步驱动电机性能的影晌

永磁同步驱动电机电枢绕组根据线圈绕定的形状与嵌线方式不同,可分为分布式绕组和集中式绕组。根据电机每极每相槽数q=刀(印m)不同,可分为整数槽绕组和分数槽绕组。

采用分数槽或整数槽是根据电机性能和生产工艺来考虑的,采用分数槽绕组较整数槽绕组有如下优点同:

1)平均每对磁极下对应的槽数大为减少,以较少数目的大槽代替较多数目的小槽,电枢冲片槽数较少.电枢铁芯制造工艺相对简单,同时又可减少槽绝缘相对占据的空间,有利于提高槽满率,进而提高电机性能。

2)一般采用分数槽时,电机线圈端部较短,不仅通过节约铜线使电机绕组电阻减少,而且同等情况下减少了电机铜耗,提高电机效率和降低温升。

3)当不采用斜槽时,可通过绕组的短距和分布效应。改善反电动势波形的正弦性,进而减小电机的转矩脉动和噪声。

4)当采用节距l,=1(分数槽集中绕组)时,可采用自动绕线,不仅提高了劳动生产率,简化嵌线工艺和接线,而且降低了成本,与此同时,每个线圈只绕在一个齿上,缩短了线圈周长和绕组端部伸出长度.进一步降低用铜量,各个线圈端部没有重叠。不必设相间绝缘。

5)通过极槽配合的合理选取.采用分数槽集中绕组相对于整数槽绕组对减少齿槽转矩、提高输出功率更为行之有效,且其弱磁扩速能力也有一定提高。

与整数槽绕组相比分数槽绕组的主要不足之处是:槽数与极数选择有严格的约束、绕组系数稍低、绕组电感较大、电枢反应磁动势有谐波导致转子涡流损耗和噪声。目前,选择有较低磁动势谐波的极槽配合、转子铁轭采用叠片式降低涡流损耗、采用高电阻率的永磁材料、适当增大气隙、调整槽口宽度等措施都能有效弥补分数槽绕组的不足之处。

根据以上分析,分数槽绕组可以有效提高槽满率,降低电机铜耗,减少齿槽转矩,无论是性能指标还是经济陛。更加适合永磁同步驱动电机。

控制策略对永磁同步驱动电机性能的影响

永磁同步驱动电机目前典型的两种控制策略是矢量控制和直接转矩控制。两者有着各自的优缺点。矢量控制是建立在被控永磁同步驱动电机的数学模型之后,电机转矩通过控制电枢绕组电流来实现。

永磁同步驱动电机在矢量控制下低速转矩相对平稳,调速范围较宽,在转子磁场定向矢量的控制下,不需要无功励磁电流,因此单位电流可产生最大的电磁转矩。相对于矢量控制。直接转矩控制省去了复杂的空间坐标变换.只需采用定子磁链定向控制,便可在定子坐标系内实现对电动机磁链、转矩的直接观察和控制,具有控制方式简单、转矩响应快和便于实现全数字化的优点。

目前,先进的控制算法应用于两种控制策略取得了不错的成效,如基于滑模变结构的永磁同步驱动电机直接转矩控制,解决了传统永磁同步驱动电机直接转矩控制中存在的电流、磁链和转矩脉动较大的问题嗍。

基于占空比控制的永磁同步驱动电机新型直接转矩控制方法,通过精确的数学模型利用转矩误差计算出当前所选有效电压矢量的作用时间在整个采样周期中的占空比。实时地调整有效电压矢量的作用时间.有效减小了转矩脉动。基于比例一积分一微分神经网络的小脑模型关节控制器CMAC研D)引入到永磁同步电动机交流调速系统中,取代传统的双环控制系统中的转速外环PI控制器等。

另外,在矢量控制和直接转矩控制策略研究的基础上,高性能控制技术也发展迅速,极大地提升了永磁同步驱动电机的各项性能。

1)弱磁扩速技术。电动汽车尤其是直接驱动型电动汽车需要永磁同步驱动电机有较宽的调速范围.而电机的调速范围受限于电机本身的机械结构强度和基速以上恒功率区的范围。针对这一情况需要进行弱磁控制。采用内置式转子结构使电机具有凸极效应.并充分利用磁阻转矩拓宽弱磁区域的范围。

2)转矩脉动抑制技术。永磁同步驱动电机转矩脉动产生的原因主要有两方面:自身结构引起的非理想化磁路和控制方法对引入参数的误差放大。因此。通过优化永磁同步驱动电机的结构,改善转子磁场分布,也可从电机控制层面出发,优化控制策略,减小定子齿槽转矩,最终实现转矩脉动抑制。

综合以上分析,内置式永磁同步驱动电机选用直接转矩控制弱磁扩速技术。对自身性能的提升有着显著的效果。

结束语

本文分析了永磁材料磁特性、转子结构、电枢绕组和控制策略对永磁同步驱动电机性能的影响,永磁钢采用钕铁硼稀土永磁材料、转子选用内置式结构、电枢绕组选用分数槽绕组并同时配合直接转矩弱磁扩速技术。能有效提升永磁同步驱动电机的主要性能指标。

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