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 pdf

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       新能源汽车新型电机的设计及弱磁控制是一个非常重要的话题，可以从不同的角度进行思考和讨论。我愿意与您分享我的见解和经验。

1.异步电机的矢量控制系统中基频以上为什么要弱磁?

2.在制造汽车时，如何提高驱动电机的短时最大输出功率？

3.新能源汽车驱动电机的基本知识

4.新能源汽车驱动电机控制系统的组成是什么

异步电机的矢量控制系统中基频以上为什么要弱磁?

       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。

在制造汽车时，如何提高驱动电机的短时最大输出功率？

       1、强磁的磁惯性(或者叫滞后吧)比较大,不适合高速变化，相比之下用减弱励磁最简单,最经济。

       2、弱磁控制则主要是电动机进行弱磁调速用，发电机弱磁控制则主要是指由直流发电机-直流电动机构成的G-M拖动系统，为了得到软的或下坠的机械特性时才使用。

       3、高速电机通常是指转速超过10000r/min的电机。它们具有以下优点：一是由于转速高，所以电机功率密度高，而体积远小于功率普通的电机，可以有效的节约材料。二是可与原动机相连，取消了传统的减速机构，传动效率高，噪音小。三是由于高速电机转动惯量小，所以动态响应快。

新能源汽车驱动电机的基本知识

       分析了永磁材料的磁性能，转子结构，电枢绕组模式和控制策略对永磁同步驱动电机性能的影响。它选用具有高持久性，高固有矫顽力和高最大磁能积的钕铁硼稀土永磁材料，并采用具有良好稳态性能和高功率密度的内置永磁钢转子。高槽全速，低铜消耗，小齿槽转矩，部分槽集中绕组和直接转矩弱磁控制策略。我们提出了一种优化设计方法，以改善新能源汽车用永磁同步驱动电机的性能。

       介绍

       世界上存在严重的能源短缺。随着生态环境的迅速恶化，环境保护问题日益突出，低碳经济的发展迫在眉睫，新能源汽车已成为全球节能环保领域最受推崇的新兴产业。汽车电气化技术的改进引起了更多关注。并作为混合动力和纯电动汽车“发动机”的驱动马达。它已成为与新能源汽车的性能以及节能减排直接相关的关键组件。永磁同步驱动电动机具有功率密度高，效率高，脉动转矩小，弱磁调速范围大等特点，是节能环保型新能源汽车驱动电动机的最佳选择。为了更好地利用永磁同步驱动电动机的价值，本文继续突破永磁材料研究的瓶颈，优化电动机结构设计，提高永磁同步驱动电动机的性能，促进更好的发展。新能源汽车。

       近年来，永磁材料发展迅速，种类繁多，目前最受欢迎的类型是铁氧体永磁材料，铝镍钴永磁材料，钕铁硼稀土永磁材料。永磁材料的开发过程如图1所示。

       新能源汽车用永磁同步驱动电动机的性能改进分析

       铁氧体永磁材料的突出优点是它不含稀土元素和钴，镍等贵金属，价格低廉，制造工艺简单，矫顽力高，退磁能力强，密度低，重量轻。然而，铁氧体永磁材料坚硬且易碎，因此不能进行电加工，并且所生产的电动机具有低功率和低效率。 Alnico永磁材料的特点是温度系数低，持久磁感应强度高和矫顽力低。它易于磁化和消磁，但是它包含诸如钴之类的贵重金属，因此非常昂贵。 NdFeB稀土永磁材料因其优异的磁性能而成为永磁材料的主力军，其磁性能远远超过了其他磁性材料，如铁氧体和铝镍钴合金。

       迄今为止，已开发出下一代钕铁硼永磁材料，室温下的剩磁感应强度已达到147T。本征矫顽力可以超过1000kA/m，最大磁能积（BH）为398kj/m，是铁氧体永磁材料的5至12倍，是Alnico永磁材料的3至10倍。材料NdFeB永磁材料的缺点是居里温度低，高温下使用时磁损耗大，热稳定性，耐腐蚀性和抗氧化性，因此需要根据磁体的使用环境来调整磁体表面。进行涂层处理。符合车辆环境的要求。NdFeB稀土永磁材料的磁性和机械性能明显高于铁氧体和AlNiCo永磁材料，并且加工性能优异。我国的稀土产量占世界总量的80％以上。具有独特稀土资源的钕铁硼稀土永磁材料更适合用于新能源汽车的永磁同步驱动电动机。

       转子结构对永磁同步驱动电机性能的影响

       通过在转子中安装永磁钢，可以将永磁同步驱动电动机分为表面型和内置转子结构，表面型转子结构可以分为表面安装型和埋入型。内置型可分为径向转子结构，切向转子结构和具有混合磁路的永磁体转子结构，该混合磁路根据永磁钢的励磁方向将径向和切线方向集成在一起。

       表面安装转子结构具有相同的d轴和q轴电感。转子没有推力作用，因此不会产生磁阻转矩。由于永磁体钢直接暴露于气隙磁场中，因此永磁体钢易于退磁，并且其弱化能力受到限制。内置转子结构，q轴电感大于d轴电感，并且转子具有凸极效应，因此会产生磁阻转矩。

       磁阻转矩的使用可以有效地增加电动机的功率密度。嵌入式结构的动态性能优于表面贴装型，但是漏磁系数和制造成本高于表面贴装型。内置转子结构的永磁钢位于转子内部，在永磁钢的外表面与定子铁心的内圈之间有一个由铁磁材料制成的极靴。内置的转子铁芯可保护永磁钢。由于转子磁路的结构不对称而产生磁阻转矩。它有助于提高永磁同步驱动电动机的过载能力和功率密度。而且，“弱场”扩展速度很容易。

       合适的转子结构的选择对永磁同步驱动电动机的性能有非常重要的影响。日本丰田生产混合动力汽车普锐斯（2003、2004、2010），2007Ca泵和2008LS600h，本田生产2005雅阁。主驱动马达均使用永磁同步驱动马达，但转子结构不同。其中，2005Accord是表面埋入式结构，Prius，2007Camry和2008Ls600h是内置结构，2003Prius的转子结构是“ 1”形，2004Prius，2010 Prius和2007Camry是“ V”形。 2008Ls600h具有“三角”结构，如图2所示。

       建于2004年普利斯，2007Caii，2010Prius和2008LS600H驱动电机，内置转子结构具有大大提高了具有表面转子结构的最大输出，最大速度和输出密度，而不是2005Accord驱动电机。另外，各种内置永磁结构对驱动马达的参数产生了更大的影响。新能源汽车用永磁同步驱动电动机的性能改进分析

       基于以上讨论，内置转子结构具有良好的动态和稳态性能，并且可以提供大扭矩，高功率和高功率密度。另外，内置转子的各种类型的结构对永磁同步驱动电动机具有更大的影响。因此，请加强对内置转子的结构设计的研究。探索既经济又性能好的转子结构对于提高永磁同步驱动电机的性能至关重要。

       电枢绕组对永磁同步驱动电机性能的影响

       永磁同步驱动电动机的电枢绕组根据线圈绕组的形状和埋线方式可分为分布绕组和集中绕组。根据电机每当量上极每极的槽数q=刀（印刷m），它可以分为整数槽绕组和分数槽绕组。

       分数槽或整数槽的使用取决于电动机的性能和生产过程。与整数槽绕组相比，使用分数槽绕组具有以下优点：

       1）平均而言，每个刺激对下相应的插槽数显着减少。少量的大插槽用来代替大量的小插槽，业余打孔片的插槽数量很少。电枢铁心的制造工艺相对简单，同时可以减少槽绝缘的空间，有助于提高槽的整体速度，提高电动机的性能。

       2）通常，使用小槽可以缩短电动机线圈的末端，以节省铜线，从而降低电动机的绕组电阻，并在相同情况下减少电动机的铜消耗，从而提高电动机效率并减少温升。

       3）如果不使用斜槽，则可以传输短距离和绕组的分布效果。改善了反电动势波形的正弦，以减少电动机中的转矩脉动和噪声。

       4）当节距l，=1时可以使用自动绕线（分数槽集中绕线），这不仅提高了劳动生产率，而且简化了导线的埋入过程和布线，并节省了成本。缠绕在齿上的线圈的圆周和在绕组末端的延伸部分的长度被缩短。为了进一步减少所使用的铜量，每个线圈的末端不重叠。不必提供相间绝缘。

       5）通过合理选择极槽调节。与整数槽绕组相比，部分槽集总绕组在减小齿槽转矩和增加输出方面更有效，并且磁场减弱和速度扩展能力也有所提高。

       与整数槽绕组相比，分数槽绕组的主要缺点是：损失和噪音。目前，选择与低谐波谐波匹配的极槽，采用叠片式转子磁轭来减少涡流损耗，采用高阻永磁材料，适当增加气隙，调整槽宽等都是有效的。弥补了部分槽绕组的缺点。

       根据以上分析，就性能指标和经济性而言，分数槽绕组可以有效地提高槽的整体速度，减少电动机的铜消耗，并减小齿槽转矩。更适合于永磁同步驱动电动机。控制策略对永磁同步驱动电机性能的影响

       永磁同步驱动电动机的两种常见控制策略是矢量控制和直接转矩控制。两者都有其优点和缺点。矢量控制基于受控永磁同步驱动电动机的数学模型，并且通过控制电枢绕组电流来实现电动机转矩。

       永磁同步驱动电动机的低速转矩在矢量控制下相对稳定，速度范围宽。在转子磁场方向矢量控制下，不需要励磁电流，因此它可以产生单位电流。最大电磁转矩。相对于矢量控制。直接转矩控制消除了对复杂空间坐标变换的需求。只有采用定子磁通量方向控制，才能直接观察和控制定子坐标系中的电机磁通量和转矩，具有控制方式简单，转矩响应快，易于完全数字化的优点。

       目前，先进的控制算法已应用于两种控制策略，并取得了良好的效果。例如，基于滑模可变结构的永磁同步驱动电动机的直接转矩控制解决了常规永磁同步类型的直接转矩控制的问题。驱动电动机大电流，磁链和转矩脉动问题。

       基于占空比控制的新型永磁同步驱动电动机直接转矩控制方法。使用准确的数学模型和扭矩误差，在整个采样周期内计算当前所选有效电压矢量的工作时间的占空比。它实时调整有效电压矢量的工作时间。有效降低转矩脉动。将基于比例积分派生神经网络的小脑模型联合控制器CMAC引入永磁同步电动机交流调速系统，用速度的外环PI控制器代替传统的双环控制系统。

       另外，在矢量控制和直接转矩控制策略的研究基础上，高性能控制技术也得到了迅速发展，极大地提高了永磁同步驱动电机的性能。

       1）弱磁场扩展技术。电动汽车，特别是直接驱动电动汽车，需要具有宽速度范围的永磁同步驱动电动机。电动机的调速范围受到电动机本身的机械强度和高于基本速度的恒定功率范围的限制。在这种情况下，需要弱磁控制。由于内置的转子结构，电动机具有凸极效应。并充分利用磁阻转矩来拓宽磁场减弱区域的范围。

       2）转矩脉动抑制技术。永磁同步驱动电动机的转矩脉动的两个主要原因是由于其自身的结构而导致的非理想磁路和放大引入参数误差的控制方法。所以。通过优化永磁同步驱动电动机的结构，可以改善转子磁场分布，并可以在电动机控制水平上优化控制策略，以减少定子齿槽转矩，最终实现转矩脉动抑制。

       基于以上分析，内置永磁同步驱动电机采用直接转矩控制弱磁增速技术。它对提高自身性能有很大的影响。

       结束语

       本文分析了永磁材料的磁性能，转子结构，电枢绕组和控制策略对永磁同步驱动电机性能的影响。永磁钢采用钕铁硼稀土永磁材料，转子采用内置结构，电枢绕组选择分数槽绕组也与转矩磁场弱化速度扩展技术直接匹配。它可以有效地改善永磁同步驱动电动机的主要性能指标。

新能源汽车驱动电机控制系统的组成是什么

       1.驱动电机系统?

       通过有效的控制策略将动力蓄电池提供的直流电转化为交流实现电机的正转以及反转控制。在减速/制动时将电机发出的交流电转化为直流电，将能回收给动力蓄电池或者提供给超级电容等储能设备供给二次制动使用。

2.驱动电机?

       将电能转换成机械能为车辆行驶提供驱动力的电气装置，该装置也具备机械能转化成电能的功能。

       3.驱动电机控制器

       控制动力电源与驱动电机之间能量传输的装置，由控制信号口电路、驱动电机控制电路和驱动电路组成。

4.直流母线?

       电压驱动电机系统的直流输入装置。

5.额定电压?

       直流母线的标称电压。

6. 最高工作电压?

       直流母线电压的最高值。

7.输入输出特性

       表示驱动电机、驱动电机控制器或驱动电机系统的转速、转矩，电流等参数间的关系。功率、效率、电压、降价能艳一 障假电机。

8.持续转矩?

       规定的最大、长期工作的转矩。

9.持续功率

       规定的最大、长期工作的功率。

10. 工作电压范围?

       能够正常工作电压范围。

11.转矩-转速特性?

       转速特性一般是形容频率的曲线，转矩特性是确定电压上升的该驱动电机可以达到的并可以短时工作而不出现故障的最大转矩值曲线。

12.峰值转矩电机

       伴积认当机械设备转速为零(堵转) 时的转矩。

13. 堵转转矩

       功率大 效亮高。

14.最高工作转速?

       达到最高功率而呈现出来的最高速度。

       电动汽车对驱动电机的特性要求有哪些?与传统工业驱动电机不同，电动汽车的驱动电机通常要求能够频繁的起动/停车、加速减速，低速/爬坡时要求高转矩、高速行驶时要求低转矩并要求变速范围大。

       电动汽车对驱安知动运转名定二年量功率察度二座童动电机的要求可归纳如下:为了充分利用有限的车载空间，减小车辆质量，降低运行中的能量消耗，应尽量减小驱动电机的体积和质量。驱动电机可以采用铝合金外壳，各种控制装置和冷却系统等也要求尽可能轻量化和小型化。

       1.高功率密度、轻量化在允许的范围内尽可能采用高电压，可以减小驱动电机的尺寸和控制器、导线等设备的尺寸，特别是可以降低逆变器的成本。

       2.全速段高效运行-次充电续航里程长，特别是在车辆频繁起停或变速运行的情况下，驱动电机应具有较高的效率。

       3.低速大转矩及高速宽调速即使没有变速器，驱动电机本身应能满足所需的转矩特性，以获得在起动、加速、行驶、减速、制动等各种运行工况下的功率和转矩要求。

       驱动电机应具有自动调速功能，可以减轻驾驶人的操作强度，提高驾驶的舒适度，并且能够达到与传统内燃机汽车同样的控制响应。与低速电动机相比，高转速驱动电机的体积和质量较小，有利于降低整车装备的质量舒适度高

       4。高可靠性，在任何运行工况下驱动电机都应具有高可靠性，以确保车辆的行驶安全。

       5.安全性能，动力蓄电池组、驱动电机等强电部件的工作电压能达到 300V 以上，对电气系统的安全性和控制系统的安全性提出了更高的要求，新能源汽车驱动电机必须符合相关车辆电气控制的安全性能标准和规定。

       6.低成本、低噪声为降低新能源汽车的使用成本，驱动电机的使用寿命应和车辆保持一致，真正实现节能环保的目标。同时驱动电机还要求具有耐温和耐潮性能好、运行噪声低、结构简单、成本低、适合批量生产，使用维护方便等特点。

       7.能量回收。能量回收系统对于提高电动汽车的能量利用率具有重要意义。对驱动电机及电机控制器要求较高。

问题引导2:

驱动电机主要分为哪几类?

       驱动电机可分为两大类，即有刷电动机和无刷电动机。习惯上将有换向器的直流动机简称为直流电动机。

       由于技术成熟、控制简单，直流电动机曾在电力驱动领域有着突出的地位。实际上各类直流电动机包括 (串励、并励、他励) 和永磁直流电动机都曾在电动汽车上得到应用，但其电刷和换向器需要经常维护、可靠性低，正在被交流无刷电动机取代。

       无换向器电动机包括异步电动机、永磁同步电动机、永磁无刷电动机、开关磁阻电动机等。

       无换向器电动机在效率、功率密度、运行成本、可靠性等方面明显优于传统的直流电动机，因此在现代电动汽车中获得广泛应用。驱动电机分类如下:

       永磁直流电动机有刷电动机串励直流电动机直流电动机、并励直流电动机他励直流电动机笼型异步电动机绕线转子电励磁式无刷电动机、同步电动机、永磁同步磁阻式永磁无刷电动机开关磁阻电动机。

问题引导 3:

新能源汽车驱动电机如何选择?

       选择新能源汽车驱动电机的关键是电动机的机械特性。

       至今为止电动汽车采用的驱动电机主要包括:直流电动机、交流异步电动机、永磁同步电动机、直流无刷电动机和开关磁阳电动机。关于机械特性可以用转矩-转速特性和功率-转速特性曲线来表示，并可作为选择电动机的参考依据。

       在选择新能源汽车的驱动电机时可以向电动机生产厂家提出所需要的各种性能参数，以作为电动机设计的依据。实际上大多数情况下是新能源汽车制造商根据电动机生产厂家提供的技术性能参数选择现成的电动机。

       可供电动汽车选用的电动机种类繁多，功率范围很厂新能源汽车对于驱动电机的调速范围、可靠性、在恶劣环境下的工作能力等方面有比较高的要求。

       1.额定电压的选择电动机电压的选择主要依据车辆总体参数的要求来设计，车辆的自重、蓄电池等相关数确定后，才能确定电动机的由压，转速等参救，即当车辆自重确定后，蓄电池的个数就确定了，电动机的电压等级也随之确定。

       但总体要求是:尽可能提高电压等级，这样就可以使电动机在满足驱动要求的情况下，使电动机的功率小一些，电动机的电流也小一些，这样蓄电池的容量选择、安装空间、安装方式等就更容易处理。

       2.额定转速的选择根据电动汽车的速度、动力性能的要求，需要选择不同转速的驱动电机。

(1)低速电动机?

       低速电动机的转速为 3000 ~6000r/min，扩大的恒功率区的低速电动机额定转矩高、转子电流大、电动机的尺寸和质量较大，且相应的转换器、控制器的尺寸也较大，各种电器的损耗较大，但减速器的速比较小。

       一般低速电动机的转动惯量大、反应慢，不太适用于电动汽车。

(2)中速电动机

       中速电动机的转速为 6000 ~10000r/min，它的各种参数介于低速电动机和高速电动机之间。

(3)高速电动机?

       高速电动机的转速为 10000~15000r/min，扩大的恒功率区宽，尺寸和质量较小，相应的转换器和控制器的尺寸也较小，各种电器内在的损耗较小。但其减速器的速比要大大增加，通常需要采用行星齿轮传动机构。

       高速电动机的使用主要受电磁材料的性能、高速轴承的承载能力的限制。一般高速电动机的转动惯性小、起动快、停止也快，电动汽车常采用高速电动机作为驱动电机。

       太平洋汽车网电机控制系统主要由电机控制器、驱动电机、电子换挡操纵装置、加速踏板组成，还包括高压电线、信号线和冷却系统。

       新能源汽车电机驱动系统包括电力电子变换器以及相应的控制器。电力电子变换器由固态器件组成，主要作用是将大量能量从电源传递给电机输入端。

       控制器通常由微控制器或数字信号处理器和相关的小信号电子电路组成，其主要作用是处理信息以及产生电力变换器半导体开关器件所需的切换信号。电机驱动系统主要部件、储能装置以及电机之间的关系。

       新能源汽车电机驱动系统框图功率变换器包括直流变换器和交流变换器，直流变换器用于驱动直流电机，直流变换器用于驱动交流电机。功率变换器是由大功率、快速响应的半导体器件组成。电机驱动系统的电力电子电路中的固态器件的作用是作为通或断的电子开关将恒定电压变换为可变频、可变压的电源。

       所有的功率器件都有一个控制输入门极（或栅极或基极）功率器件根据控制器输出的控制信号导通或者关断。在过去的20多年，功率半导体技术迅猛发展，使得直流和交流电机驱动系统朝着小型、高效和可靠的方向快速发展。在纯电动汽车及混合动力汽车电机驱动系统中，最常用的功率器件是IGBT。IGBT的电压、电流范围以及开关频率完全满足电驱动系统的要求。

       DC/DC及DC/AC变换器的作用新能源汽车驱动系统控制器管理和处理系统信息以控制电驱动系统的功率流向。控制器根据驾驶员的输入指令进行动作，同时要遵循电机的控制算法。经过几十年的发展，各种电机都有很多种控制算法。在这些控制算法中，有些是用于高性能驱动系统的，另外一些是用于要求较低的调速驱动系统。

       电力牵引用的电驱动系统需要响应快、效率高，因此其被归类为高性能驱动系统的范畴。这些电机驱动系统控制算法是计算密集型的，需要快速的处理器及相当多的反馈信号接口。现在的处理器基本都是数字信号处理器，取代了原来的模拟信号处理器。

       与模拟信号处理器相比，数字信号处理器不仅可以降低漂移和误差，同时短时间内处理复杂算法的能力方面性能也有了较大的提高。控制器实际上是一个嵌入式系统，其中微处理器、数字信号处理器通过外围接口电子模块进行信号处理。

       （图/文/摄：太平洋汽车网问答叫兽）

       今天关于“新能源汽车新型电机的设计及弱磁控制”的探讨就到这里了。希望大家能够更深入地了解“新能源汽车新型电机的设计及弱磁控制”，并从我的答案中找到一些灵感。