車用永磁電機如何實現高速—電機側解決方案

2020-10-10 龍成電機

新能源汽車用電驅動系統總的技術發展趨勢是更高的功率密度、更高的效率。高速化是一個有效的技術路線，主流的電動汽車都紛紛選擇高轉速的電機，以提高動力性能。

表格 1國外主流電驅動系統的最高轉速

廠家

最高轉速

峰值功率

prius 2004

6000rpm

50kw

prius 2010

13500rpm

60kw

三菱 I-MIEV

13500rpm

60kw

特斯拉Model1

13000rpm

225kw

BMW –i3/i8

11400rpm

125kw


高速化雖然有很多優點，但是也給電機和控制帶來很多困難。在電磁上最突出的困難包括如下幾個：

如何既保證低速時的轉矩，又實現高速時的效率，實現兩頭平衡；

如何克服穩定裕度下降控制難度增加的困難；

本文探討的是從永磁同步電機的設計出發，如何解決問題的方法和思路，供大家參考。

下面這個公式清晰的描述了轉速和電機參數的關係。

圖表 1電機最高轉速公式


通過對式分析可看出,提高永磁同步電機（PMSM）的弱磁最高轉速有以下四種途徑:

(1) 增大極限電壓ulim(電壓極限);

(2) 增大極限電流ilim(電流極限);

(3) 減小永磁磁鏈ψf（永磁磁鏈）;

(4)增大直軸電感Ld。

其中前兩種方案勢必要增大逆變器容量,從而使成本增加。我們需要考慮其他解決方案。

學徒級

減小永磁磁鏈

減小永磁磁鏈ψf，當然能提高工作轉速，但如此電機的轉矩係數降低，如下公式所描述的，為了獲得同樣的轉矩，磁鏈小了，就需要增加更多的電流，這會導致控制器的電流壓力過大，增加成本。因此這是一種簡單有效但是有成本代價的方案。

增加直軸電感

比較理想的方法是增大直軸電感，電感大了，較小的直軸電流就能起到好的弱磁效果，因為容易把最高轉速公式中的分母變小，從而獲得更高的速度。增加電感的方式有很多，一般會在轉子的結構上作文章，比如增加磁橋的厚度，或者把磁鋼分段，增設中間磁橋，下圖就是兩種增加分段磁橋的方法，這些方法都能夠有效增加直軸電感。


但問題沒有那麼簡單， 因為增加了直軸電感也會有壞處的，若交軸電感沒有增加，那麼電機的凸極比會下降，電機的磁阻轉矩比例會下降，轉矩密度降低。而且增加Ld的措施會增加漏磁，減小永磁體的利用率，如下圖所示。分段結構雖然雖然轉速上去了，但漏磁係數增加了，平均轉矩也下降了。因此增加直軸電感是一種簡單有效學徒方法，它會帶來很多副作用。

專家級

世界是複雜的，事情是多面的，學徒級手段只是單方向的解決問題，很快就會碰到天花板，因此需要辯證的看待問題，利用組合的優化策略，來彌補學徒級手段的不足，這就有了專家級的優化策略。

增加交軸電感（提高凸極率）

從下面的公式可以看出，永磁電機的轉矩有兩部分組成，一部分是永磁體提供的永磁轉矩下降，另一部分是由於交、直軸電感差異引起的磁阻轉矩。為了提高速度，直軸電感（Ld）增加，永磁磁鏈降低，會導致永磁轉矩下降，有必要提高磁阻轉矩，因此需要增加交軸電感（Lq），從而提高凸極率

降低飽和度




大師級


正弦度


氣隙磁密可以看成是基波和諧波的合成



線性度



交軸電感隨電流變大而變小


抗退磁能力





總結

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