探讨车用内置式永磁电机损耗最小简易控制

2021-05-21苏锦智

通信电源技术 2021年2期

吴昊，苏锦智

（1.海军装备部驻西安地区军事代表局，陕西西安 710000；2.包头长安永磁电机有限公司，内蒙古包头 014030）

0 引言

汽车是当前人们交通出行的重要代步工具。汽车工业发展过程中，机械系统通过电力输出动力更加节能和环保。而电力系统设计应用过程中，合理应用内置式永磁电机可以更好地促进汽车电力系统的动力能转换。内置式永磁电机日常工作时会有一定的损耗，影响电机工作，造成较大的能源浪费。在实际应用内置式永磁电机时，需分析永磁电机的损耗最小控制策略，这对电机装置的整体优化具有重要意义。

1 汽车内置式永磁电机简要阐述

汽车内置式永磁电机（Interior Permanent Magnet Synchronours Motor，IPMSM）是车辆中的重要装置，主要完成汽车电能驱动和转换，为汽车运行提供电力能源。此外，它对合理控制汽车运行也有非常重要的作用。汽车内置式永磁电机主要包括永磁材料、机座、定子铁芯、风罩、转子铁芯以及端盖等。这些结构装置确保电机应用更加有效，最大程度地提升了内置式永磁电机的使用效果。内置式永磁电机主要利用状态反馈线性化结构原理，利用解耦器、解耦矩阵、Park Clarke变换装置、速度和位置检测单元、SVPW单元以及整理单元等器件来完成驱动。系统电流通过后，利用调节器完成电力调节和控制，解耦器、Park逆变装置以及SVPW单元进行反馈线解耦，确保内置式永磁电机完成电力驱动，为汽车提供充足的电力动力。

2 汽车内置式永磁电机损耗分析

内置式永磁电机在实际应用过程中存在一定的损耗，导致电机运行效率下降，从而影响系统的实际工作效率。当前内置式永磁电机损耗主要包括铁芯损耗和电机铜损。

电机铜损是永磁电机的重要损耗，主要包括基础铜损耗和附加铜损耗。基础铜损耗为电流流过定子绕组和转子绕组在导线电阻上产生的损耗。附加铜损耗为交流电在定子绕组上因趋肤效应和邻近效应引起的额外损耗以及定子绕组各股线之间的循环电流引起的杂散铜损耗。二者相加对整个电机的运行造成了严重的损耗影响。电机损耗控制过程中要完成铜损耗的精准计算，主要计算公式为：

式中，Iu代表定子电流；Rcu代表75 ℃下定子电阻值；Qcu代表铜损耗。实际损耗设计中需确保损耗最小值控制设计的合理性，这样才能提升损耗控制效果。

铁芯损耗是永磁电机运行过程中的常见损耗，占汽车发电机总体损耗的大部分。发电机铁芯损耗主要是主磁通在定子铁芯内产生的磁滞损耗、涡流损耗以及附加损耗等。在电机损耗控制过程中，铁芯损耗是主要内容，其计算公式为：

式中，PFe代表内置式永磁电机铁损；Rc代表等效铁损电阻；icd2和icp2为铁损耗电流。通过计算铁损耗，确保铁芯损耗控制设计更加合理。

内置式永磁电机的总损耗为铜损耗和铁损耗之和，实际的铁损耗设计过程中，共同控制铜损和铁损，有效开展损耗控制工作，以提升损耗控制效果[1]。

3 汽车内置式永磁电机损耗最小简易控制方案

内置式永磁电机损耗最小控制就是在实际的电机设计过程中合理掌控电机，最大程度地提升电机的工作效果，确保电机高效运行。本文在内置式永磁电机损耗最小简易控制过程中，针对性提出了3种损耗控制方案，分别是id=0、MTPA控制以及LMC控制。

id=0指将等效在同步旋转坐标系d轴的电流值控制为0，从而实现对铁损耗电流的有效控制，达到内置式永磁电机损耗最小简易控制的目的。

MTPA控制是指对内置式永磁电机最大转矩比电流的控制。其控制转机转速为1 000～2 500 r/min，通过控制实际的转子转速来控制整体电流的速度，同时合理掌控永磁电机[2]。

LMC控制利用损耗最小计算结构来设计反向电子转子，确保永磁电机损耗设计的应用更加有效。3种技术方案的设计应用，确保汽车内置永磁电机损耗最小控制。而在本次研究过程中，为了验证3种方案的损耗控制效果，利用MATLAB/Simulink建模环境完成系统损耗测试，从而实现对系统损耗的策略控制，确保系统损耗控制更加有效，也能够在最大程度上提升内置式电机的控制效果，确保电机控制展开更加有效，最大程度上提升电机控制效果。

4 汽车内置式永磁电机损耗最小简易控制策略对比分析

4.1 汽车内置式永磁电机损耗最小控制方案对比

为了验证3种汽车内置式永磁电机损耗控制的效果，利用MATLAB/Simulink模型进行数据对比分析。内置式永磁电机损耗的原始参数如表1所示[3]。

表1 MATLAB/Simulink模型中内置式永磁电机损耗参数

具体的MATLAB/Simulink仿真实验过程中，设定3种不同的电机工作参数，计算各方案的损耗控制。

在实际的模拟中设置电机转速为2 500 r/min，额定转矩为76 N·m。通过仿真实验和模拟数据分析发现，3种方案的损耗控制分别为93.63%、93.62%以及93.73%。控制效率最好的为LMC控制策略，其电机损耗值最小。

在实际的模拟中设置电机转速为1 000 r/min、设计额定转矩为76 N·m。通过仿真实验和模拟数据分析发现，3种方案的损耗控制分别为85.6%、85.8%以及85.84%。控制效率最好的为LMC控制策略，其电机损耗值最小。同时通过本次实验可以发现，在额定转矩没变而电机转速下降1 500 r/min的情况下，3种方案的电机损耗控制效率都受到了较大的影响。

在实际的模拟中设置电机转速为1 000 r/min、设计额定转矩为40 N·m。通过仿真实验和模拟数据分析发现，3种方案的损耗控制分别为91.8%、91.9%以及92.1%。控制效率最好的为LMC控制策略，其电机损耗值最小。本次模拟实验中电机转速不变，减少实际的额定转矩，3种方案的控制效率都有不同程度的减小，但是LMC控制效率的降低幅度相对较小，说明其受到的影响比较小[4]。

4.2 具体实验结果分析研究

实验展开过程中，通过改变额定转矩或电机转速对比3种电机损耗控制策略的效果，得出以下结论。一是在不同的转机转矩和转速条件下，LMC策略效率最高，能够完成内置式永磁电机损耗最小控制。二是额定转矩和电机转速的变化对3种方案的损耗控制效率都有一定的影响，转速减小或额定转矩减小都会造成3种方案的控制效率降低。三是实验中电机转速变化时，3种方案的损失控制效率下降幅度较大，而额定转矩减小时，3种方案的损耗控制效率下降幅度相对较小，这说明电机转速的变化对内置式永磁电机损耗最小控制策略具有重要影响[5]。