在制造汽车时,如何提高驱动电机的短时最大输出功率?

发布网友 发布时间：2022-05-03 08:45

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热心网友 时间：2023-10-17 09:24

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*。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*。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。

热心网友 时间：2023-10-17 09:25

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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*。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*。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。

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