2.4　永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)

永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、功率密度大、調(diào)速性能好等特點(diǎn)，同時(shí)還具有噪聲低、體積小、布置靈活、控制精度高、堅(jiān)固耐用的優(yōu)點(diǎn)。永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般轉(zhuǎn)速范圍為4000～10000r/min，是多數(shù)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和高端電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的首選類型。上海汽車集團(tuán)的榮威E50采用的是永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使用鎳鈷錳酸鋰電池，勻速工況下續(xù)駛里程為220km。榮威E50純電動(dòng)轎車是我國(guó)第一款自主開發(fā)的新能源純電動(dòng)汽車，采用完全自主研發(fā)、并達(dá)世界一流水平的高性能永磁同步電機(jī)。

2.4.1　榮威E50純電動(dòng)汽車簡(jiǎn)介

E50可在低轉(zhuǎn)速下輸出高轉(zhuǎn)矩，起步迅猛，0～50km/h加速性能為5.6s，最大功率為52kW，峰值轉(zhuǎn)矩達(dá)155N·m。該車運(yùn)用各種科技手段與技術(shù)，最大限度地減輕了車重，在歐洲NEDC工況下，榮威E50的最高有效續(xù)駛里程為170km（勻速工況下最高可達(dá)220km）。榮威E50采用了完全自主開發(fā)的電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS），具有低能耗、轉(zhuǎn)向精準(zhǔn)、低速輕便、高速穩(wěn)定、自回正等特點(diǎn)。

電動(dòng)車特有的車體重心設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車不同，榮威E50采用全新構(gòu)架純電動(dòng)車平臺(tái)研發(fā)，將電機(jī)與電池合理布局，實(shí)現(xiàn)良好的重量平衡配比，使行車操作更為靈巧，出行更為便捷，尤其適合城市使用。與傳統(tǒng)汽油微型車相比，榮威E50無(wú)需過(guò)多能耗即可換來(lái)高效能，讓行車成本更低，帶來(lái)更多經(jīng)濟(jì)效益。

2.4.2　永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理

汽車在起步、加速階段或爬坡時(shí)需要較大的牽引力，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低；在高速行駛時(shí)需要的牽引力較小，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高。目前在電動(dòng)汽車上使用的永磁同步電機(jī)有直流無(wú)刷永磁同步電機(jī)（BLDCM）和交流永磁同步電機(jī)（PMSM）。

（1）永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)　以榮威E50純電動(dòng)汽車采用的直流無(wú)刷永磁同步電機(jī)為例，其結(jié)構(gòu)如圖2-18所示，主要由定子繞組、轉(zhuǎn)子磁鐵和霍爾傳感器三部分組成。

定子繞組一般制成多相（三、四、五相不等），通常為三相繞組。三相繞組沿定子鐵芯對(duì)稱分布，在空間互差120°電角度，通入三相交流電時(shí)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。定子繞組形連接成三相整距繞組。

轉(zhuǎn)子采用永磁體，目前主要以釹鐵硼作為永磁材料。采用永磁體簡(jiǎn)化了電機(jī)的結(jié)構(gòu)，提高了可靠性，沒有轉(zhuǎn)子銅耗，提高了電機(jī)的效率。永磁體的弧極為180°，永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)呈梯形波分布，線圈內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也是交流梯形波。

霍爾效應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器是一種小型封閉式傳感器，具有性能穩(wěn)定、功耗小、抗干擾能力強(qiáng)、使用溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。其原理是在旋轉(zhuǎn)物體上粘一小塊磁鋼，傳感器固定在離磁鋼一定距離內(nèi)，對(duì)準(zhǔn)磁鋼S極即可進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)磁力線穿過(guò)傳感器上感應(yīng)元件時(shí)產(chǎn)生霍爾電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過(guò)霍爾芯片的放大整形后，形成電信號(hào)供控制器和二次儀表等使用。

三相永磁同步電機(jī)是從繞線式轉(zhuǎn)子同步伺服電機(jī)發(fā)展而來(lái)的，采用強(qiáng)抗退磁的永磁體轉(zhuǎn)子代替了繞線式轉(zhuǎn)子，具有體積和質(zhì)量小、慣性低、效率高等特點(diǎn)。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子分為凸極式和嵌入式兩類。凸極式轉(zhuǎn)子將永磁體安裝在轉(zhuǎn)子軸的表面。凸極式永磁轉(zhuǎn)子模型如圖2-19所示。在轉(zhuǎn)子軸上粘貼安裝永磁體，永磁材料的磁導(dǎo)率十分接近空氣的磁導(dǎo)率，所以在交軸和直軸上的電感相同。嵌入式永磁轉(zhuǎn)子則將永磁體嵌入轉(zhuǎn)子軸內(nèi)部，如圖2-20所示。這種類型的電機(jī)轉(zhuǎn)子交軸的電感大于直軸的電感，電機(jī)除了電磁轉(zhuǎn)矩外還有磁阻轉(zhuǎn)矩的存在。一般電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)多采用這種形式，能夠利用這種磁阻轉(zhuǎn)矩，通過(guò)調(diào)整和控制轉(zhuǎn)矩角，用最小的電流幅值來(lái)獲得最大的輸出轉(zhuǎn)矩。

榮威E50直流無(wú)刷永磁同步電機(jī)的控制方式采用兩兩繞組通電方式，每一瞬間有兩個(gè)功率開關(guān)導(dǎo)通，每隔60°換相一次，每次換相一個(gè)功率開關(guān)，每個(gè)功率開關(guān)導(dǎo)通120°電角度。功率開關(guān)的導(dǎo)通順序依次為VF1VF2—VF2VF3—VF3VF4—VF4VF5—VF5VF6—VF6VF1—……如圖2-21所示。三只霍爾集成電路傳感器按相位差120°安裝在電機(jī)尾端，用以檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置。

（2）永磁同步電機(jī)的原理　車輛上動(dòng)力電池提供的直流電經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路（IGBT），變換為電壓幅值和頻率可調(diào)的三相交流電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；同時(shí)檢測(cè)當(dāng)前的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，對(duì)電機(jī)的相電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并送入驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制器，電機(jī)控制器根據(jù)整車需求轉(zhuǎn)矩指令、運(yùn)行模式和旋轉(zhuǎn)方向，并根據(jù)反饋得到的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生所需要的三相交流電，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制分為兩個(gè)階段：低速階段，通電后隨著電壓的升高電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牧汩_始上升到一定轉(zhuǎn)速，同時(shí)端電壓也上升直至達(dá)到最大值；高速階段，端電壓達(dá)到最大值后若希望再繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速，就必須降低電機(jī)的勵(lì)磁電流，使磁場(chǎng)減弱，才能保持轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)和電壓平衡。由于永磁同步電機(jī)的勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)由永磁體產(chǎn)生，所以無(wú)法調(diào)節(jié)，只有通過(guò)調(diào)節(jié)定子電流，即增加定子直軸的去磁電流分量，來(lái)維持電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)的電壓平衡，從而達(dá)到弱磁增速的目的。

弱磁控制的目的是提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，在進(jìn)行弱磁控制時(shí)必須確定弱磁控制的轉(zhuǎn)速區(qū)域，即確定何時(shí)進(jìn)行弱磁控制。電機(jī)控制器的電流飽和是由于電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)升高，當(dāng)電機(jī)端電壓達(dá)到逆變器能夠輸出的最高電壓時(shí)，電機(jī)電流不能跟隨給定電流而引起的。當(dāng)電流調(diào)節(jié)飽和后，電機(jī)的功率隨轉(zhuǎn)速先增大后減小。

電機(jī)轉(zhuǎn)速公式為

n=-Ta　　

式中　n——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

　　   U——電源電壓，V；

　　 ΔU——功率開關(guān)壓降，V；

　  　Ke——電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；

　  　Ta——電機(jī)產(chǎn)生的平均電動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N·m；

　  　KT——轉(zhuǎn)矩系數(shù)；

　  　R ——電機(jī)的內(nèi)阻。

例　某電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用嵌入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其額定電壓為336V，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，定子電阻Rs為0.05Ω，直軸電感Ld為0.635mH，交軸電感Lq為1.635mH，永磁體磁通Φ為0.192Wb，極對(duì)數(shù)為4。如圖2-22所示，永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速在0.05s內(nèi)由零上升至500r/min，若采用普通控制方式，電機(jī)轉(zhuǎn)速最高只能達(dá)到3000r/min，實(shí)施弱磁控制后電機(jī)轉(zhuǎn)速在0.2～0.3s內(nèi)上升至6000r/min，最后穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)在6000r/min。該電機(jī)的外特性曲線如圖2-23所示，從外特性曲線看出，電機(jī)在小于額定轉(zhuǎn)速時(shí)基本保持恒轉(zhuǎn)矩輸出；在大于額定轉(zhuǎn)速時(shí)則恒功率輸出，轉(zhuǎn)矩下降；在進(jìn)入弱磁控制模式高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)矩和功率均下降。