電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電動(dòng)機(jī)功率特性及弱磁擴(kuò)速能力研究(一)――

1、 收稿日期 :2001212229基金項(xiàng)目 :國(guó)家 863計(jì)劃項(xiàng)目 (8632Z37203 1電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電動(dòng)機(jī)功率特性及弱磁擴(kuò)速能力研究 (一 恒轉(zhuǎn)矩控制及弱磁控制時(shí)的功率特性徐衍亮(250061 山東省濟(jì)南市 山東大學(xué)電氣工程學(xué)院 (100083 北京市 北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院 摘 要 采用 d 、 q 坐標(biāo)系下的相量分析方法 , 研究永磁同步電動(dòng)機(jī) (PMSM 、 特別是電動(dòng)汽車(chē)用 PMSM 1詳細(xì)分析了不同弱磁率 、 不同凸極率對(duì)電機(jī)電壓 、 電流相量變化軌跡的影響 , 及由此引起的電機(jī)的功率特性及弱磁擴(kuò)速能力的差異 1推導(dǎo)出以弱磁率和凸極率為變量的 PMSM 的弱磁擴(kuò)速倍數(shù)表

2、達(dá)式 , 由此 得出提高 PMSM 弱磁擴(kuò)速能力的根本途徑 , 比較了不同磁路結(jié)構(gòu) PMSM 弱磁擴(kuò)速能力的大小 1關(guān)鍵詞 功率特性 ; 弱磁 ; 相量分析 /電動(dòng)汽車(chē) ; 永磁同步電動(dòng)機(jī) 中圖分類(lèi)號(hào) TM41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A文章編號(hào) :1000-5323(2002 05-0401-05STU DY ON POWER CAPABIL ITY AN D FL UX 2WEAKENING L EVE L OF PERMANENT MAGNET SY NCHRONOUS MOTORIN E L ECTRIC VEHICL E APPL ICATION ( POWER CAPAB IL IT Y W

3、HEN CONSTAN T TORQU E AND FL U X 2WEN KEN IN G CON TROLX U Y an 2liang(School of Elect. Eng. , Shandong Univ. , Jianan City , Shandong Province 250061,China (Beijing Univ. of Aeronautics and Astronautics , Beijing City 100083, China ABSTRACT The phasor method is adopted for the first time to analyze

4、 the influence of the demagnetizing coefficient , saliency ratio on the loci of voltage and current and then on the power capability and flux 2weakening level of permanent magnet synchronous motor (PMSM especially in electric vehicle (EV application. The de 2scription of the PMSM s flux 2weakening a

5、djusting speed capability is worked out and expressed with the demag 2netizing coefficient and saliency ratio , by which the radical methods to enhance the PMSM s flux 2weakening ca 2pability are concluded , and the flux 2weakening capability of PMSM with different magnet structures is com 2pared.KE

6、 Y WOR DS Power capability ; Flux 2weakening ; Phasor analysis/Electric vehicle (EV ; Permanent magnet synchronous motor (PMSM 2002年 10月 第 32卷 第 5期 山 東 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) (工學(xué)版 JOURNA L OF SHAN DONG UNIVERSIT Y(ENGINEERING SCIENCE Vol. 32 No. 5 Oct. 20020 引言永磁同步電動(dòng)機(jī)具有盡可能寬廣的弱磁調(diào)速范 圍對(duì)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)有特別重要的意義 , 能夠在電機(jī) 最大功率 (即逆

7、變器容量 不變的條件下提高電動(dòng)汽 車(chē)的起動(dòng)加速能力 1及低速爬坡能力 , 或者說(shuō)在保 持電動(dòng)汽車(chē)起動(dòng)加速及低速爬坡能力不變的前提下 降低電機(jī)的最大功率 , 從而降低逆變器的容量 1因 此對(duì)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)用 PMSM 功率特性 (功率轉(zhuǎn)速特 性 及弱磁擴(kuò)速能力的分析具有更為重要的意義 1目前 , 分散地選取幾組電機(jī)參數(shù) (永磁磁鏈和交 直軸電感 進(jìn)行功率特性曲線比較是永磁同步電動(dòng)機(jī)功率特性分析的通用方法 271然而這一方法不 但分析結(jié)論缺乏普遍性 , 而且無(wú)法對(duì)電機(jī)參數(shù)變化 引起的功率特性曲線的差異原因進(jìn)行研究和探討 1實(shí)際上 , 永磁同步電動(dòng)機(jī)的不同參數(shù)產(chǎn)生電機(jī)不同 的功率特性 , 原因在于不同

8、電機(jī)參數(shù)引起電機(jī)電壓 電流相量不同的變化軌跡 1因此本文采用永磁同步 電動(dòng)機(jī) d 、 q 坐標(biāo)系下的相量分析方法 , 以弱磁率和 凸極率為電機(jī)參數(shù) , 從電機(jī)調(diào)速過(guò)程中電壓電流相 量的變化軌跡出發(fā) , 考慮到電動(dòng)汽車(chē)用電機(jī)運(yùn)行的 實(shí)際 , 研究永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率特性 , 對(duì)電機(jī)的凸 極率和弱磁率變化所引起的電機(jī)功率特性差異進(jìn)行 綜合分析 1本論文由兩部分組成 , 第一部分采用永磁同步 電動(dòng)機(jī) d 、 q 坐標(biāo)系下的相量分析方法 , 以凸極率和 弱磁率為電機(jī)參數(shù) , 分析了永磁同步電動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)矩 控制及普通弱磁控制時(shí)的電壓電流相量的變化軌跡 及功率特性的變化規(guī)律 ; 第二部分在第一部分的基 礎(chǔ)上

9、分析了最大輸入功率弱磁控制的電壓電流相量 的變化軌跡及功率特性 , 提出最大輸入功率弱磁控 制的等效電流控制策略 , 推導(dǎo)出以弱磁率和凸極率 為變量的 PMSM 的弱磁擴(kuò)速倍數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式 , 提 出提高 PMSM 弱磁擴(kuò)速能力的根本措施 , 分析了損 耗 、 飽和等因素對(duì) PMSM 功率特性及弱磁擴(kuò)速倍數(shù) 的影響 1 1 電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)用永磁同步電動(dòng) 機(jī)電流控制策略及其相量分析 方法 電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)用永磁同步電動(dòng)機(jī)與一般驅(qū)動(dòng)用 永磁同步電動(dòng)機(jī)的區(qū)別在于 , 前者需更大的短時(shí)和 瞬時(shí)大電流 , 使其不但擁有恒轉(zhuǎn)矩控制和普通弱磁 控制 , 還具備最大輸入功率弱磁控制的條件 11. 1 永磁同步電動(dòng)機(jī)

10、電流控制策略由于永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率特性及弱磁擴(kuò)速能 力不但決定于電機(jī)本身的參數(shù) , 還與逆變器容量及 直流母線電壓大小有關(guān) , 因此以下分析是以電機(jī)的 凸極率 和弱磁率 為參數(shù) , 分別定義為 :=LL d(1=f(2 其中 :L d 、 L q 直交軸電感f d 、 q 坐標(biāo)系下永磁磁鏈電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電動(dòng)機(jī)的電流控制策略有 三種即 24:1 恒轉(zhuǎn)矩控制 :i s =i lim , u u lim ;2 普通弱磁控制 :i s =i lim , u =u lim ;3 最大輸入功率弱磁控制 :i s i lim , u =u lim ; 其中 :i s 、 u s 分別為 d 、 q 坐

11、標(biāo)系下電機(jī)電流和電壓 , i lim 、 u lim 分別為 d 、 q 坐標(biāo)系下電機(jī)的極限電流和極 限電壓 1對(duì)這三種電流控制策略 , 其中恒轉(zhuǎn)矩控制和普 通弱磁控制是必須存在的 , 最大輸入功率弱磁控制 只有在 1時(shí)才有可能存在 1電流控制策略的詳 細(xì)內(nèi)容請(qǐng)見(jiàn)有關(guān)文獻(xiàn) 11. 2 調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)功率特性相量分析方法 圖 1為調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī) d 、 q 坐標(biāo)系下的 相量圖 , 其中角 、 分別為電壓電流相量與 q 軸的 夾角 , 為功率因數(shù)角 , 在不計(jì)各種損耗的假定下 , 電機(jī)的功率可表示為 :P em =u s i s cos (3 為使分析更具普遍性 , 永磁同步電動(dòng)機(jī)功率特4

12、02 山 東 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) (工學(xué)版 2002年性的分析以標(biāo)幺值形式進(jìn)行 , 功率及電角速度的基 值 P c 、c 分別定義為 :P c =P emN =u lim i lim N(4 c =f(5其中 , i lim N =f /L d可以看出 , 基值功率是弱磁率為 1時(shí)電機(jī)的最大功 率 , 基值電角速度為電機(jī)理想空載時(shí)的轉(zhuǎn)折電角速 度 1圖 1 永磁同步電動(dòng)機(jī)電壓電流相量Fig. 1 Phasors of voltage and current of PMSM2 永磁同步電動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)矩控制和普通弱磁控制時(shí)的功率特性2. 1 電壓電流相量變化軌跡根據(jù)前述電流控制策略 , 永磁同步電動(dòng)機(jī)在恒

13、 轉(zhuǎn)矩控制及普通弱磁控制下 , 電壓 、 電流相量角 、 滿足下式 :=tan -1cos /(1/-sin 1/sin 90=1/sin (6因此 , 永磁同步電動(dòng)機(jī)在整個(gè)恒轉(zhuǎn)矩控制區(qū)和普通 弱磁控制區(qū)具有如圖 2所示的電壓 、 電流相量變化軌跡 , 可以看出 :1 在恒轉(zhuǎn)矩控制區(qū) , 電流相量保持為 OA i 不變 , 其相角 1可表示為下式 :1=0=1sin-1224(-1 1(7電壓相量相角為 1, 幅值由 0增加到其極限電 壓 u lim 12 在普通弱磁控制區(qū) , 電流相量由 OA i 變化到 OB i , 即幅值不變 , 相位由 1 90; 電壓相量幅值 不變 , 但相位由 1

14、開(kāi)始根據(jù)弱磁率的不同而具有不 同的變化規(guī)律 1=1時(shí) , 隨電流相量由 OA i 變化到 OB i , 電壓相量由 OA u 變化到 OB u , 即隨電流相位由 90, 電壓相位也由 190, 如圖 2a 所示 11時(shí) , 在整個(gè)弱磁過(guò)程 , 電壓相角由 1一直 增大到 180, 如圖 2c 所示 1而且 達(dá) 90時(shí)的電流 相角 p 也與 無(wú)關(guān) (由于 1可能大于 90, 此時(shí)該 點(diǎn)為假想點(diǎn) , 且滿足下式sin p =(9圖 2 恒轉(zhuǎn)矩控制及普通弱磁控制時(shí)電壓電流相量變化軌跡Fig. 2 Loci of voltage and current phasors of PMSM with co

15、nstant torque control and ordinary flux 2weakening control 第 5期 徐衍亮 :電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電動(dòng)機(jī)功率特性及弱磁擴(kuò)速能力研究 (一 4032. 2 功率與電角速度之間的關(guān)系在普通弱磁控制下 , 電機(jī)電角速度與電流相量 角之間的關(guān)系為 :=(L q i q 2+(f +L d i d 2=(L q i s cos 2+(f -L d i s sin 2(10以標(biāo)么值形式表示式 (10 為 :3=/c =1/(cos 2+(1-sin 2(11此時(shí)功率標(biāo)么值為 :P 3em =P em /P emN =cos (12計(jì)及恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)功

16、率的變化特征 , 可得 P em /P emN =f (/c 的變化曲線如圖 3所示 11 =3 2 =2 3 =1125 4 =1 5 =0. 909 6 =0. 667 7=01333圖 3 電磁功率與電角速度之間的關(guān)系Fig. 3 Characteristics of power versus electric angle velocity404 山 東 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) (工學(xué)版 2002年 并且可以推得最高轉(zhuǎn)速 3max 、 最高轉(zhuǎn)速時(shí)的功 率 P 3em (=max 和最大功率 P 3em max 分別為 :3 max =|1-| 1 =1(13P 3em (=max = 0 11=

17、1(14P 3em max = 111(151 1時(shí) , 電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 、 最高轉(zhuǎn)速時(shí)的功 率及最大功率僅決定于 , 與 無(wú)關(guān) 1因此 , 相同 下 , 電機(jī)功率特性曲線基本相同 51凸極率僅對(duì)產(chǎn) 生最大功率時(shí)的轉(zhuǎn)速值有影響 , 增大時(shí)該轉(zhuǎn)速值 降低 , 有利于提高電機(jī)的低速特性 1但當(dāng) 較小時(shí) (即永磁磁鏈比直軸磁鏈大很多 , 對(duì)功率特性曲 線影響很弱 , 這是由于磁阻功率比永磁功率更強(qiáng)地 決定于電機(jī)電流的大小 41所以在 較小時(shí) , 有無(wú) 凸極性對(duì)電機(jī)的功率特性影響可忽略不計(jì) 1同時(shí)可以看出 , 增大弱磁率 , 不但線性增加了 最大功率 , 而且增加了電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 , 在 =1時(shí) 具有

18、理想的最高轉(zhuǎn)速 1因此擁有盡可能大的凸極率 和弱磁率 , 且采用最大轉(zhuǎn)矩電流控制同普通弱磁控 制相結(jié)合的電流控制策略的永磁同步電動(dòng)機(jī) , 具有 良好的功率特性 12 1時(shí) , 首先 , 最高轉(zhuǎn)速隨 的增大而降 低 , 且電機(jī)在相同 下的功率特性受凸極率影響 1其次最大功率與通入電流不再是線性關(guān)系 , 增加電 機(jī)電流 (即增加 并不能線性地增加電機(jī)的最大功 率 , 功率的增加程度決定于 的大小 1=1時(shí)功率表示為 :P em =f i q =1+(1/-sin /cos 2 (16可以看出在 sin =1/時(shí)獲得最大電磁功率 , 表示 為 :P em max =u lim f /L =u lim

19、 i sN =P emN (17 此時(shí)增加電流 , 最大功率不變 1所以在 1時(shí) , 增大電流不但使調(diào)速范圍變 小 , 而且得不到與電流相應(yīng)大小的最大功率 1因此 當(dāng) 1時(shí)不宜采用普通弱磁控制 1但在 1時(shí) , 增大 , 不但最大功率增加 (盡管不是線性增加 , 而 且發(fā)生最大功率時(shí)的轉(zhuǎn)速降低 , 因此有利于提高電 機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩 1參 考 文 獻(xiàn)1 Mehrdad Ehsani , Khwaja M , Hamid A. Propulsion sys 2 tem design of electric and hybrid vehicles J .IEEE Trans. Ind. Electro

20、nics , 1997, 44(1 :1927.2 Morimoto S , Takeda Y , Hirasa T , Taniguchi K. Ex 2 pansion of operating limits for permanent magnet motor by current vector control considering inverter capacity J1IEEE Trans. on Ind. Application , 1990, 26(5 : 886871.3 唐任遠(yuǎn) . 現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì) M .北京 :機(jī)械工 業(yè)出版社 ,1997.4 郭振宏 . 寬恒功率調(diào)速范圍主軸永磁同步電動(dòng)機(jī)及其 傳動(dòng)系統(tǒng)的研究 D 1博士學(xué)位論文 , 沈陽(yáng) :沈陽(yáng)工 業(yè)大學(xué) ,1999.