新能源汽车新型电机的设计及弱磁控制,新能源汽车新型电机的设计及弱磁控制电子版

1.新能源汽车永磁同步电机的发展史，究竟是怎样的？

一、开关磁阻驱动电机系统

新能源汽车开关磁阻驱动电机系统主要包括四项成果：专用开关磁阻电机、控制器、功率转换器和转子位置传感器。所述控制器具有控制电路结构和功率转换器结构，所述转子位置传感器安装在电机的一侧。新能源汽车开关磁阻驱动电机系统的对应结构比较接近，适合新能源汽车的高速驱动。同时，开关磁阻驱动电机系统的相关驱动电路比较简单，性能好，对应成本低，对应控制轻便。因此，新能源汽车相关的开关磁阻驱动电机系统更适合新能源汽车在不同路况下的行驶，具有一定的潜力。

但新能源汽车开关磁阻电机驱动系统对应的比转矩脉动较大，噪声较大。相应的开关磁阻电机驱动系统的功率密度值相对较低，与开关磁阻电机驱动系统相关的许用效率不高，且由于采用了转子位置传感器，结构复杂。

二、三相异步驱动电机系统

新能源汽车相应的三相异步驱动电机系统包括三相异步电机及其相应的控制器。三相异步电动机对应的控制器采用功率元件将直流转换成三相交流，并将三相交流传输给三相异步电动机，形成三相磁力，形成一定的磁场。磁场和转子导体能有效工作，形成感应电流。当转子的导体受到电磁力的扰动时，就会产生一定的电磁转矩，使转子转动。当电机轴具有一定的机械负载时，可以提供机械能，获得驱动效果。新能源汽车相关的三相异步电机驱动系统结构简单，成本相对较低，结构相对坚固，没有位置传感器，运行可靠，噪音低，转矩脉动，速度快，限位大。因此，早期广泛应用于新能源汽车的三相异步电机驱动系统现在使用较少。

新能源汽车永磁同步电机的发展史，究竟是怎样的？

异步电机的矢量控制系统中基频以上要弱磁的原因：使用弱磁控制来达到高速是因为能够在原有的端电压情况下继续升速，亦即不必受到电源电压的限制能够升高速度。

抵消转子永磁体产生的反电动势不是通过改变定子电流来实现的，而是通过改变转子结构来实现的，从而保证随着转速的增加，定子电流不会被反电动势电流抵消到零。

这种水泵类电机，应该是要求具有一定的基本扭矩的，而弱磁控制会导致扭矩的显著下降，因此在设计时应当充分考虑弱磁给扭矩带来的变化，是否能够满足实际需求。

名称

弱磁的概念来自于直流传动控制，在其速度计算公式中速度与磁场的强度成反比。一般电机的控制在其达到额定转速之前是按照恒转矩方式进行控制的，电机速度与电枢电压成正比，而达到了额定转速后则按照恒功率方式进行控制，电枢电压恒定，电机速度与磁场强度成反比。交流电机的矢量控制是根据直流电机的模型进行控制的，因以沿用了直流电机的概念。

电动汽车具有低噪声、零排放、高效率、节能、能源多样化和综合利用等明显优势，成为各国发展的主流。随着永磁材料性能的提高和成本的降低，永磁同步电机(PMSM)以其高效率、高功率因数和高功率密度的优势成为电动汽车驱动系统中的主流电机之一。

永磁电机驱动系统

永磁电机不仅具有无刷结构和交流电机运行可靠的优点，还具有DC电机调速性能好的优点。它不需要励磁绕组，可以实现小尺寸和高控制效率。它是电动汽车电机研发和应用的热点。永磁电机驱动系统可分为无刷直流电机系统和PMSM系统。无刷DC电机(BLDCM)系统具有转矩大、功率密度高、位置检测和控制方法简单等优点，但换向电流难以达到理想状态，会引起转矩脉动、振动和噪声等问题。无刷直流电机系统在速度要求不高的电动汽车驱动领域具有一定的优势，得到了广泛的重视和应用。永磁同步电机(PMSM)系统具有控制精度高、转矩密度高、转矩稳定性好、噪声低等特点。通过合理设计永磁磁路结构，可以获得较高的弱磁性能，提高电机调速范围。因此，它在电动汽车驾驶中具有很高的应用价值，受到国内外电动汽车行业的高度重视，在日本得到了广泛应用。是一种理想的电动汽车驱动系统。

1.日本电动汽车用永磁同步电机的现状

日本从1965年开始发展电动汽车，1967年成立日本电动汽车协会。由于永磁同步电机的优异性能，自问世以来一直受到日本汽车公司的青睐。1996年，丰田汽车公司的电动汽车RAV4采用东京电机公司的插入式永磁同步电机作为驱动电机，其下的日本富士电子研究所研制的永磁同步电机可达到最大功率50kW，最大转速1300r/min。1998年1月，日产公司开发的新一代电动乘用车在美国加州投入使用。驱动电机采用钕铁硼材料，电机体积小。电动汽车驱动电机的技术指标见表2。

近年来，日本电气工程研究实验室与其他公司合作推出了一款内置双层永磁体的永磁同步电机(如图1所示)，提高了电机的横轴电导，增加了电机10%的转矩，增加了10%的最大效率区，电机最大峰值效率可达97%以上，主工作区效率可达93%以上。

2.欧洲电动汽车用永磁同步电机的现状

在法国的VEDELIC电动汽车项目中，PSA电动汽车动力总成制造商Moteurleroy-Somer在1997年改进了驱动电机。选用的新型驱动电机是三相永磁同步电机。

与传统的DC驱动系统相比，法国采用的三相永磁同步电机在以下三个方面进行了改进：①功率密度比和转矩密度比更高；②效率更高；③可靠性提高，维护方便。德国第三代奥迪混合动力汽车的驱动电机采用永磁同步电机(PMSM)。最大速度为12500转/分钟，最大输出功率为32kW。

3.美国电动汽车用永磁同步电机的现状

电动汽车在美国的发展比日本晚。在美国，感应电机的设计和控制策略已经成熟，因此感应电机是电动汽车的主要驱动电机。而美国也对永磁同步电机进行了研究，成果突出。詹姆士开发的永磁同步电机。歌迪和凯文。SatCon公司的LeRowR.E采用定子双绕组技术，不仅扩大了电机的转速范围，而且有效利用了逆变器的电压，绕组电流小，电机效率高。表4显示了美国SatCon公司开发的电机在不同速度和功率下的效率特性。