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562 基于台架实验的电动车用永磁同步电动机设计分析与实验

基于台架实验的电动车用永磁同步电动机设计分析与实验李雯,篝

中图分类号:TM351TM341文献标志码:A文章编号:1001-6848(2008)10-0001-03基于台架实验的电动车用永磁同步

电动机设计分析与实验

李雯,张承宁

(北京理工大学机械与车辆工程学院,北京100081)

摘要:为提高电动汽车驱动性能,以电动汽车驱动系统要求为目标,进行永磁同步电动机功率、电枢直径、计算长度和转子结构参数设计,并进行场路结合设计计算。利用以上参数设计了电动汽车用永磁同步电动机样机,进行了驱动电机系统台架试验。实验结果表明,永磁同步电动机低速转矩大、恒功率区宽、温升低,满足电动车的需要。

关键词:电动汽车;永磁同步电动机;台架实验;设计;场一路结合

DesignAnalysisandExperimentofPMSMBasedonBenchTestforEV

LIWen,ZHANGChen?ning

(CollegeofMechanicalVehicularEngineering,BeijingInstituteof

Technology,Beijing100081,China)

Abstract:Inordertoimprovedriveperformance,presenteddesignmethodofPMSMusedonelectricvehicle(EV).Accordingtothedrivingsystemrequirement,theneededefficiencyofPMSMwascalcu—lated.ThediameterandlengthofPMSMalTtlaturewereselected.Thefield?circuitcoupleddesignwerecalculated.Basedonallaboveparameters,PMSMusedonEVweredesigned.PMSMwafttestedonmotortestbench.PMSMhadbigtorqueatlowspeed,wideconstantefficiencysectionandlowtempera—turerising.AlltheperformancesatisfiedtheEVrequirements.

KeyWords:Electricvehicle(EV);PMSM;Benchtest;Design;Field?circuitcoupled

O引言

永磁同步电机(PMSM)采用永磁体励磁,具有功率密度高、起动转矩大、转矩平稳、振动噪声低等优点,能很好满足电动汽车负载范围和速度范围宽、低速大转矩、高转矩密度、高瞬时功率的要求,受到国外电动汽车界的高度重视,尤其在日本得到了极为广泛地应用,是电动汽车电驱动系统的理想选择…。本文以电动客车为研发背景,就电动汽车驱动用永磁同步电机性能参数的确定、主要尺寸和转子结构的选择以及电磁设计方法等问题进行了研究,开发了样机,并进行了台架测试,测定了样机效率图。

1设计

1.1PMSM性能参数的确定

电动汽车行驶加速度可如下式所示:

收稿日期:2007-10?15

基金项目:国家“863”计划项目(2004AA501970)

A=害=等(1)式中,F是汽车驱动力,凡是道路滚动阻力。

为简化永磁同步电机功率的计算过程,得到闭合解,作以下假设:①电动汽车在水平路面上行驶;

②行驶滚动阻力为o;③汽车受空气阻力为0。

闭合解的结论同样适用于行驶阻力存在的情况。

PMSM典型的外特性曲线如图l所示。图中,

移。为PMSM额定转速,t,。为电动汽车额定车速,

影一为电动汽车最高车速。在经过齿轮箱变速后电机的最高转速与影。成一定比率关系。

图1电动汽车用PMSM的特性曲线

?J?

万方数据

电机以最大加速度在0~秽。范围内加速,假设

加速时间为t,。假设‰>t,。,令电机最大功率为P一。PMSM在恒转矩范围内运行时,以大小为

,。d=尸一向。的驱动力一直加速到电机额定转速移。,然后在恒功率范围内,以大小为F,=P。。/v的驱动力加速到汽车额定车速秽。。整个加速过程中驱动力为:

F{篙爱汀㈤

【JP一/秒(秽>秽。)J、’

假设,K。=1,由式(1)、式(2)可以得到,电动车由静止加速到额定车速所需时间为:

t/=肛=mC警一fl"。一dv瓦~…-一dv石

(3)由上式得PMSM所需最大功率为:

P。=,’m。(172。+秽:)(4)由上式看出,电动汽车所需要的最大功率与PMSM的转速密切相关【2J。并且由此式可以得到PMSM的功率理论极限值。当秽。=O时,电机没有恒转矩过程,一直运行在恒功率阶段。如果电机在t,时间内以恒功率从加速到0~t,。,功率需求是最小的。其大小为:

P。=石m1,2。(5)在口。=t,。情况下,电机在t,时间内以恒转矩运行。此时PMSM所需最大功率为:

P。=im(2口:)(6)在持续恒转矩情况下,达到同样的额定车速所需的PMSM最大功率是持续恒功率情况下PMSM所需的最大功率的两倍。当然PMSM一直以恒功率运行是不现实的,但由此假设可以看出,若PMSM具有越宽的恒功率区,实现一定额定车速PMSM所需的最大功率越低。而电机功率的降低有益于减小电机体积,减轻重量,从而提高电机功率密度,更好地符合电动汽车驱动系统的要求。但是恒功率区增大,额定转速提高,将增加弱磁运行区域,相应增加电动机的机械损耗、铁耗以及逆变器的开关损耗,增加逆变器的成本,同时为降低高转速,相应传动系统体积增大,重量损耗增大。

1.2PMSM主要尺寸选择

永磁同步电动机的主要尺寸是指电枢直径D。和电枢计算长度k。主要尺寸基本关系如下式所示:

珑L∥6.1x104

,1、

下一一oqABsKp一、77

式中,P为计算功率;A为电负荷;B。为气隙磁密;K。为短矩因数;a;为计算极弧系数;一般取km-(0.6~1.5)D。;带入可以得到电枢直径D。(cm)的计算公式:耻器(8)

当永磁材料和磁极尺寸选定后,风就基本上被决定了。PMSM的气隙磁密吼主要由所选用的永磁材料的剩余磁密曰,决定。通常为B。=(0.6~o.85)曰,。对于连续运行的永磁电动机,一般取电负荷:A=30~100A/era(小功率电动机)

A=100—300A/cm(小型电动机)

1.3PMSM转子结构

按照永磁体上位置的不同,永磁同步电动机的转子磁路结构一般可分为三种:表面式、内置式和爪极式∞J。由于表面式磁路结构的制造工艺简单、成本低,在试制PMSM样机时选用此种结构。表面式磁路结构又分为表面突出式和表面插入式,表面插入式可充分利用转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩,提高电动机的功率密度,动态性能较突出式有所改善,所以选用表面插入式结构。PMSM转子结构如图2所示。

图2PMSM转子结构示意图

一般根据电枢直径的大小选取槽数,并且通常按奇数槽选择。因为奇数槽能减少由电枢齿产生的主磁通脉动,有利于减小定位力矩;槽数增多,绕组接触铁心的面积增加,有利于散热;但槽数增多后,槽绝缘也相应增加,使槽面积的利用率降低,电机制造成本也会增加,而且槽数过多,电枢齿距t过小,齿根很容易损坏。齿距通常限制为:

当D。<30cm时t>1.5elll

当D。>30c:m时£>2.0c:m

1.4PMSM场路结合设计

电动车用永磁同步电动机的大转矩密度特点,使电机不但须采用高矫顽力磁体,而且需要馈人大电流,导致电机中磁力线分布极度不均匀,特别在电机定子部分齿和转子隔磁桥部分出现局部饱和现

万方数据

象‘4|。如图3所示。该图为某电动汽车用PMSM分别在交、直轴电流作用下的磁力线分布图。

陟陟

(a)直轴负载场(b)交轴负载场

图3负载时的磁力线分布

电动汽车用PMSM的设计需综合考虑运行工

况。其场路结合设计重点在于计算不同电机电流下的转矩转速特性曲线,以兼顾电动汽车的各个运行状态,保证其整体性能。其中用场方法计算

不同交直轴电流下的交直轴电感,其它计算用路

方法进行。PMSM电磁转矩疋。及感应电动势E为:f乙(,,y)=mp[哆flsiny+(Ld—L。)/sin(27)/2]{一【E=∞缈(,,y)=60√(职+LdlCOsy)2+(Lqlsiny)2

(9)

式中,所有量都为口、b、c坐标下的值,其中m

为电机相数。给定电流,由有限元法(FEM)计算;7在90。一180。范围内的交直轴电感£。(,,7)、k(,,y)及磁链妒(,,7)计算乙(,,y)并在其中找出最大值。该值即为电流,下恒转矩运行时的优化电磁转矩。当电机运行于弱磁状态时,给出角度7,计算乙(J『,y)和电角速度∞(,,y)=(u一鹏)/妖,,7)。用路计算得到损耗转矩,由此得到电流,下电动机转矩转速特性曲线。改变电流,,可得不同电流下的机械特性曲线。

2PMSM样机开发及台架实验

以某电动客车为原型车,根据电动汽车的性能要求,PMSM样机的参数选择如表1所示。

表1PMSM样机设计参数表

连续额定功率P224kW峰值功率65kW

额定转速厅N5000r/rain直流电源电压K312V

额定相电压“127V额定相电流,N250A极对数p=2并联支路数o。1

定子槽数zl=36Y接法

额定转矩靠=甏45.83N.m峰值转矩‰=%1帅m对PMSM样机进行了电机台架试验,得到样机外特性曲线如图4所示。电机各项性能指标均到达或超过设计要求,并且低速扭矩大、转速范围宽。

图4PMSM样机外特性曲线

台架试验测得PMSM样机与控制器系统效率如图5所示。

140

120

110

刍80

若60

40

20

0002000300040005000600070008000

n/(r/min)

图5PMSM样机及其控制系统效率曲线

在图5中将电机及控制器系统效率大于80%的区域所占面积与整个MAP图所围面积的比值作为电机驱动系统动力性能的一个评价指标。经过计算,该牵引电机及控制器系统效率大于80%的区域面积占整个区域面积的79%。

3结论

运用场路结合方法是解决具有严重局部饱和及共磁路特点的电动汽车用PMSM电磁设计的有效手段。通过电机参数确定,电动车用PMSM样机动力性能良好、高功率区范围宽广、低速转矩大、恒功率区宽、温升低,又具有较高转速,符合设计要求,性能满足电动汽车驱动性能的要求。电机台架实验可以辅助电动车用永磁电机的设计,并对电机性能进行直观评价。

参考文献

[1]王鑫,李伟力,程树康.永磁同步电动机发展展望[J].傲电机,2007,40(5):69-70.

[2]HennebergerS,PahuerU,H/lnlqterK,eta1.Computation0faHighlySaturatedPermanentMagnetSynchronousMotorforaHy-bridElectricVehicle[J].IEEETransactionsOnMagnetics。

1997,33(5):4086-4088.

[3]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京:机械工业出版社,1997.

【4]许衍亮,唐任远.电动汽车用永磁同步电动机场路结合设计计算[J].中小型电机,2003。(2):17.19.

作者简介:李雯(1983一),女,山东人,从事电动汽车驱动控制技术研究。

?3?

万方数据

基于台架实验的电动车用永磁同步电动机设计分析与实验

作者:李雯, 张承宁, LI Wen, ZHANG Chen-ning

作者单位:北京理工大学,机械与车辆工程学院,北京,100081

刊名:

微电机

英文刊名:MICROMOTORS

年,卷(期):2008,41(10)

被引用次数:0次

参考文献(4条)

1.王鑫.李伟力.程树康永磁同步电动机发展展望[期刊论文]-微电机 2007(05)

2.Henneberger S.Pahuer U.Hameyer K Computation of a Highly Saturated Permanent Magnet Synchronous Motor for a Hybrid Electric Vehicle 1997(05)

3.唐任远现代永磁电机理论与设计 1997

4.许衍亮.唐任远电动汽车用永磁同步电动机场路结合设计计算[期刊论文]-中小型电机 2003(02)

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