定子斜槽的新型车用混合励磁永磁同步电动机研制

刘仲恕

(福建工程学院信息科学与工程学院，福建福州 350118)

电动汽车所使用的电动机从大的方面来分，可以分为电励磁电动机和永磁体即磁钢励磁两种方式，电励磁电动机是指所有使用交直流电流产生激磁磁场的电机而永磁体励磁电动机是指所有使用磁钢等永磁体产生激磁磁场的电机。但以上两种励磁方式的车用电动机中，电励磁电动机由于励磁绕组铜损耗的存在使得电动机效率较低而且由于其较低的功率密度所以其主要尺寸都比较大。永磁同步电机虽然容易实现低速大转矩和高效率输出，但由于其气隙磁场由永磁体单独提供，电机制成后气隙磁场无法改变和调节，由此带来的问题是电机在恒功率运行时无法实现很宽范围的弱磁调速。有鉴于此，混合励磁永磁同步电动机从电机本体结构上将上述两种电动机进行有机结合，从而在运行性能上充分实现了两种电动机的固有优点。因而，混合励磁同步电动机应用在电动汽车中，不仅具有较大的起动转矩和低速恒转矩特性，使汽车具有良好的加速性能，而且在恒功率运行时可以实现汽车较宽范围的高速行驶能力[1]。本文所研制的混合励磁永磁同步电动机特殊之处在于定子铁心槽是斜向开槽的，可以有效削弱定、转子所感应的齿谐波电势，减小电机的附加损耗，减小异步附加转矩的影响，减小电动机转矩脉动及振动噪音，使汽车在运行过程中始终保持舒适和高效[4]。

1 结构特点

混合励磁永磁同步电动机的进行能量传递和转换的气隙磁场由转子上的N/S磁钢以及定子中的环形励磁绕组中的直流励磁电流共同产生。这两个励磁源所起的作用不同，转子磁钢产生的永磁磁动势对气隙磁场的产生起主导作用，定子励磁电流所产生的电励磁磁动势起辅助调节作用。本论文以目前较为成熟和典型的轴向和径向混合磁路同步电动机结构作为所设计电动机的结构。图1所示的是本次所研制的定子铁心槽为斜槽的混合励磁永磁同步电动机[1]。

图1 轴向/径向磁场混合励磁同步电机Fig.1 Axial/radial magnetic hybrid excitation synchronous motor

混合励磁永磁同步电动机有两套绕组，一套绕组为均匀分布在定子铁心内圆表面的对称的三相电枢绕组，另一套绕组为定子铁心中间所放置的环形直流励磁绕组。由于环形直流励磁绕组处于整段定子铁心中间，所以，定子铁心被分为两段，在定子铁心和机座之间还有一层定子背轭将定子铁心连接在一起。转子也分为两部分:由同极性的磁钢和铁心即中间极间隔均匀排列在转子外圆表面构成了两个磁极端，转子轴向气隙磁场的传导是通过套在转轴上的导磁性能良好的实心套筒(与定子背轭的作用和位置相同，这个套筒亦可称之为转子背轭)来实现的。对于环形励磁绕组中的电流可作如下分析:①当转子磁钢产生的轴向磁场和定子环形励磁电流产生的轴向磁场互相抵消即当定子环形励磁电流大于零时，对于进行电磁和机电能量转换和传递的径向磁场而言，此时励磁电流起增磁作用;②当励磁电流产生磁场对转子磁钢产生的径向磁场起削弱作用即当励磁电流小于零时，此时励磁电流起去磁作用[2];③当定子环形励磁电流为零时，气隙中的磁场由转子磁钢单独建立。与普通混合励磁永磁同步电动机不同，此次所研究的样机定子铁心槽采用斜槽设计。定子铁心采用斜槽设计后，为了正确求解混合励磁永磁同步电动机对应于定子铁心不同斜槽程度下的运行性能[1]。

2 定子斜槽宽度不同对效率的影响

表1为采用上述软件对定子铁心不同斜槽宽度下运行特性计算得到的结果。

表1 转矩和效率[3]Tab.1 Torque and efficient

由表1可以得出结论:新型混合励磁永磁同步电动机的输出功率和效率随着定子铁心采用斜槽后略有减小，这是由于定子铁心采用斜槽后在定、转子之间所产生的合成电磁磁场有所减小所造成的。另外，电动机异步附加转矩随着定子铁心采用斜槽而使定、转子齿谐波分量减小而减小。从表1所示的结果还可以得出结论，当定子铁心斜槽宽度为整数倍定子槽距倍数时，电动机的异步附加转矩达到最小，此时电动机输出转矩脉动最小。综合考虑各种因素，本次设计研制的新型车用混合励磁永磁同步电动机采用的定子铁心斜槽宽度为一个定子槽距[3]。

3 运行特性

以恒定同步速旋转的两相旋转坐标系中电动机的稳态定子电压方程为[4]

电磁转矩方程为

定子磁链方程为

上述式(1)～(3)中:ud，uq为定子直交轴电压;id，iq为定子直交轴电流;Ld，Lq为定子直交轴电感;R为定子每相交、直轴电阻(电机结构相当于隐极机，所以这两个电阻相等);ω为定子电流角频率;p为转子极对数;ψf为旋转坐标系下混合磁链(不同于永磁同步电动机，ψf为转子永磁体基波磁链与定子直流励磁电流产生的磁链之和);ψd，ψq为定子直交轴磁链。

电动机效率为

上式中:Pe为电动机的电磁功率;pt为电动机的铁损耗;pj为定子两种绕组损耗。

4 控制策略和仿真结果

电动汽车在不同的路况其性能指标的实现是通过控制系统适当地协调控制混合励磁同步电动机的励磁电流与电枢电流来完成的[5]。前一节已经建立了混合励磁永磁同步电动机数学模型，据此可以构建一个双闭环的控制系统，系统控制框图如图2所示。接着可以用 Matlab工具箱中的仿真模型在 siminlink下进行仿真。励磁电流的控制为:1)当定子励磁电流为零时，电动机所能够达到的最大转速为nmax，由结果可知，当电枢电压与电机结构参数不变时，电动机的最大转速正比于与永磁体所产生的磁势[6];2)当定子励磁电流的大小和方向都发生改变时，依据励磁电流控制器的输出来调节励磁电流，从而实现对气隙合成磁场的控制，最终实现电动机低速大转矩和恒功率高速宽调速范围的控制[6]。

图2 混合励磁同步电机系统控制框图Fig.2 System control block diagram of hybrid excitation synchronous motor

图2 所示的是混合励磁同步电动机应用在电动汽车中的运行特性曲线。

图3 车用电动机特性曲线Fig.3 Characteristic curve of motor vehicle

图4 特性曲线在坐标平面上可以划分为以下两个区域:A区恒转矩区和B区恒功率区，A区恒转矩区主要应用于当汽车起步、停车或加速和减速时，需要克服惯性阻尼，实现大转矩，电动机在基速以下运行[7]。B区恒功率区主要应用于当汽车行驶在路况较好的路面时，此时电动机转速超过基速。新型混合励磁永磁同步电动机运行的高速区(即恒功率B区)转速可以比其他同步电动机达到更宽广的调速范围[8]。我们对新型混合励磁永磁同步电动机的定子励磁电流所采取的控制策略为:当路况较差而需要减速时，励磁电流控制器通过增磁方式实现励磁电流的调节，实现车用电动机低速、大转矩调速;当路面较为平坦时，励磁电流控制器通过弱磁方式实现励磁电流的调节，从而使车用电动机的高速运行段的速度调节区域更大。

此外，这里需要特别指出的是:在传统的电气驱动系统中，由于大部分传统电动机不能直接运行于非常宽的速度区间，因此起动和发电机通常是由两个电机分别执行。随着电机技术和电子技术的发展，将起动电机和发电机结合为一体，作为驱动系统的一部分，也变得越来越可行了。起动发电机是根据不同路况实现车用电机“一机双用”功能的电机。在几种车用电动机中，混合励磁同步电动机由于其独有的磁通控制灵活性使其在起动发电机的应用上独树一帜[5]。图4，图5得出的仿真结果是混合励磁永磁同步电动机运行在电动机状态时的动态运行特性。电机内部参数为:定子绕组电阻为R=0.323Ω，永磁体磁链为0.324Wb，转动惯量为 J=0.217 8 kg·m2，极数为4，最大转速nmax为1 500 r/min。

首先我们得出的是混合励磁永磁同步电机工作在电动机状态的运行特性。图4为电机If=0时的动态运行特性，而图5为增磁方式下即If＞0时的动态运行特性。从图中可见，当有增磁电流时，其起动转矩比无增磁电流即If=0时大很多，电动机的转速可以很顺利地达到给定值1 500 r/min左右。而无增磁电流时，起动转矩很小，电动机的转速只能达到500 r/min左右，当不存在增磁电流时，电动机起动困难，起动转矩很小。从仿真结果可以看出，增磁电流可以使混合励磁永磁同步电动机的起动转矩大大增大、起动过程大大缩短[5]。

图4 无增磁电流(If=0)时的起动特性Fig.4 Starting characteristics without exciting current(If=0)characteristics

接着，本文研究该电动机运行在发电机状态(下坡、减速、制动时)的特性。图6和图7为混合励磁永磁同步电机在不同负载情况下整流输出电压随着电流的变化而变化的仿真结果。通过比较我们发现，混合励磁永磁同步电动机在发电状态下足以保证宽范围的恒压输出，从而对蓄电池进行充电。

从以上仿真结果可以得出结论:新型混合励磁永磁同步电动机可缩短动态响应时间，增大电动机的起动转矩，并使电动机调速范围在高速时得到很大程度的提高。而且在有些路况下(下坡、减速、制动时)混合励磁永磁同步电机运行在发电机状态，将机械能转化为电能给蓄电池充电。

图5 有增磁电流(If＞0)时的起动特性Fig.5 Starting characteristics with exciting current(If＞0)

图6 无励磁控制下的整流电压输出特性Fig.6 Output characteristics of rectified voltage without excitation control current

5 结语

研究了一种定子斜槽的新型车用混合励磁永磁同步电动机，由分析和仿真结果可以得出如下结论:与传统定子直槽永磁混合励磁永磁电动机相比，它不仅继承了其起动转矩大，动态响应好，调速范围广的优势等诸多优点，而且由于定子斜槽使转矩脉动大为降低，所以电动汽车运行更加平稳舒适。同时在有些路况下(下坡、减速、制动时)车用混合励磁电机可工作在发电机状态将相关的机械能回馈并对蓄电池进行充电。在混合动力电动汽车应用中，它能在短时间内带动内燃机至怠速状态，然后再切换至不同的运行状态。

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