電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁研究綜述

朱永彬 林 珍

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116）

隨著世界范圍內(nèi)資源、能源及環(huán)境問(wèn)題日益凸顯，電動(dòng)汽車以其較高的能量利用率和環(huán)境友好性逐漸取代傳統(tǒng)能源汽車，帶來(lái)整個(gè)行業(yè)的變革。因此近年來(lái)，電動(dòng)汽車的研發(fā)與推廣應(yīng)用受到越來(lái)越多國(guó)家的重視[1]。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，對(duì)整車性能優(yōu)劣起決定性作用。稀土永磁同步電機(jī)（PMSM）自20世紀(jì)80年代面世以來(lái)，以其轉(zhuǎn)矩密度高、效率及功率因數(shù)高、結(jié)構(gòu)和尺寸靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)，廣受推廣應(yīng)用。隨著電力電子器件及變頻技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)優(yōu)越的調(diào)速性能更加明顯，因而在包括電動(dòng)汽車在內(nèi)的多種領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。由于電動(dòng)汽車具有頻繁啟停、負(fù)荷爬坡、頻繁加減速等復(fù)雜循環(huán)工況，要求其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不僅具有高功率、高轉(zhuǎn)矩密度，還要求有一個(gè)較寬的調(diào)速范圍，以滿足各種工況[2]。

電動(dòng)汽車用PMSM轉(zhuǎn)子由稀土永磁體勵(lì)磁，由于勵(lì)磁磁場(chǎng)不可調(diào)節(jié)，同時(shí)受直流母線電壓及逆變器容量限制，在系統(tǒng)超過(guò)額定功率后，隨著轉(zhuǎn)速上升，輸出功率將下降，若不采用弱磁擴(kuò)速，則無(wú)法運(yùn)行到較高的轉(zhuǎn)速。因此，如何進(jìn)行弱磁控制以盡可能擴(kuò)大汽車用永磁電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍，成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)[1-3]。

1 永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)模型及弱磁原理

依轉(zhuǎn)子永磁體安裝位置不同，車用永磁同步電動(dòng)機(jī)可分為表貼式和內(nèi)置式兩種。表貼式永磁電動(dòng)機(jī)永磁體位于轉(zhuǎn)子表面，由于永磁體磁導(dǎo)率接近空氣，PMSM工作氣隙相對(duì)均勻，等效氣隙較大，直軸電抗小，無(wú)磁阻轉(zhuǎn)矩，不適合弱磁控制。內(nèi)置式永磁電動(dòng)機(jī)永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，其直、交軸磁路不對(duì)稱，由此產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩可提高電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力及轉(zhuǎn)矩、功率密度，且同功率密度下電動(dòng)機(jī)直軸電感較表貼式大，這就為弱磁擴(kuò)速帶來(lái)優(yōu)勢(shì)。

內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)dq軸數(shù)學(xué)模型如下。

電壓方程

電磁轉(zhuǎn)矩方程

由逆變器電壓電流約束條件為

電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)有電壓平衡方程式

式中，ω為電動(dòng)機(jī)角速度，R1為定子繞組相電阻。

忽略R1，則恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)能獲得的最高轉(zhuǎn)速為

式中，γ為電流超前角，is為逆變器輸出電流。電流直交軸分量隨γ變化如圖1所示。

圖1 電流直交軸分量隨γ 變化

隨著γ的增大，直軸分量逐漸增大。當(dāng)γ增大到 90°時(shí)，is最終將全部轉(zhuǎn)化為直軸電流，此時(shí)可獲得的理想最高轉(zhuǎn)速為

從式（6）可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速隨端電壓升高到基準(zhǔn)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，逆變器輸出電壓達(dá)到極限，在此之前電動(dòng)機(jī)為恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。若要繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速，必須采用弱磁控制。而當(dāng)逆變器端電壓U和輸出電流is達(dá)最大值后，由于id和iq受到is幅值的限制，電動(dòng)機(jī)的弱磁性能也將受到限制。如何從電機(jī)本體設(shè)計(jì)著手，通過(guò)優(yōu)化電動(dòng)機(jī)參數(shù)和轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，使電動(dòng)機(jī)獲得良好的擴(kuò)速性能，成為問(wèn)題的關(guān)鍵[4-5]。

2 新型結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁研究現(xiàn)狀

實(shí)際上，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)，無(wú)論采取何種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其永磁體總是串聯(lián)在電動(dòng)機(jī)的直軸磁路上，等效氣隙較大，采取參數(shù)優(yōu)化所獲得的直軸電抗依然較小，在正常的電樞電壓下，即使電流為純直軸電流，弱磁效果依然差強(qiáng)人意；而永磁體在弱磁控制時(shí)面臨的退磁風(fēng)險(xiǎn)，也制約著電動(dòng)機(jī)擴(kuò)速性能的提高。因而近年來(lái)各國(guó)學(xué)者們一直在研究新的特種結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)，以滿足更多更廣場(chǎng)合弱磁擴(kuò)速的需要。下文從幾種不同弱磁手段，介紹多種新型結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)。

2.1 改變轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)使磁通可控

傳統(tǒng)永磁電動(dòng)機(jī)通常采用單一永磁體勵(lì)磁，其直軸電感較小，弱磁擴(kuò)速時(shí)id幅值需要很大，才能產(chǎn)生足夠的直軸去磁磁動(dòng)勢(shì)，這就增大了定子繞組損耗；而由于逆變器輸出容量限制，id不可能無(wú)限增大，導(dǎo)致弱磁能力往往不理想。為此，采用兩種永磁體構(gòu)成混合式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制輔助永磁體充磁方向，使氣隙永磁磁通可控，成為一種思路。天津大學(xué)陳益廣教授運(yùn)用這種方法，提出了一種內(nèi)置混合式磁通可控永磁同步電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示[7-8]。

圖2 混合式轉(zhuǎn)子磁通可控電動(dòng)機(jī)

該電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子永磁體槽內(nèi)同時(shí)放置釹鐵硼和鋁鎳鈷兩種永磁體，由于鋁鎳鈷永磁的剩磁密度很高而矯頑力較低，通過(guò)控制直軸電流矢量脈沖的方向和幅值可以控制鋁鎳鈷永磁的磁化方向和強(qiáng)度；而釹鐵硼的剩磁和矯頑力都很高，其充磁方向不會(huì)隨id脈沖方向改變。氣隙中永磁磁通主要由釹鐵硼提供，其磁化方向長(zhǎng)度決定著氣隙永磁磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，也即決定著電動(dòng)機(jī)的低速性能。施加正向id脈沖時(shí)，鋁鎳鈷與釹鐵硼磁化方向一致，此時(shí)為助磁作用。施加反向id脈沖時(shí)，不同的id幅值決定鋁鎳鈷被反向磁化的強(qiáng)弱，也即決定了鋁鎳鈷將釹鐵硼產(chǎn)生的磁通在轉(zhuǎn)子內(nèi)旁路的數(shù)量不同，這就使得氣隙永磁磁通變得可控，達(dá)到弱磁控制的目的。

另一思路指出，雖然單一永磁體勵(lì)磁時(shí)，轉(zhuǎn)子向電樞繞組提供的永磁磁通難以調(diào)節(jié)，但若能通過(guò)增加一段轉(zhuǎn)子，向定子繞組提供反向磁通，其最終效果也是弱磁。因而學(xué)者們提出復(fù)合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)并進(jìn)行了研究，其中為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)的永磁加磁阻的復(fù)合轉(zhuǎn)子是一種可行性較高的方式，其結(jié)構(gòu)如圖3所示[9]。

圖3 復(fù)合式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

奧地利學(xué)者W. Muhlegger較早提出這種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子并對(duì)此作了深入研究，這種復(fù)合式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)由一個(gè)永磁段和一個(gè)磁阻段構(gòu)成，兩段轉(zhuǎn)子的直軸方向一致，并使二者之間有一定的間隙，以減少漏磁。這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以使電動(dòng)機(jī)直軸電感較大，利于弱磁，但由于增加了磁阻段，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、功率密度不可避免地降低，且高速運(yùn)行時(shí)鐵耗較大。

2.2 改變磁通路徑弱磁

傳統(tǒng)弱磁方法利用直軸電流產(chǎn)生的去磁磁動(dòng)勢(shì)進(jìn)行弱磁，永磁體面臨不可逆退磁的風(fēng)險(xiǎn)，電動(dòng)機(jī)性能可能遭到永久性破壞[10-11]。

由式（6）可知，增大直軸電感，可以獲得更高的轉(zhuǎn)速。為盡可能增大內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的直軸電感，以增強(qiáng)其弱磁能力，有學(xué)者提出將轉(zhuǎn)子內(nèi)永磁體分段放置的思想。文獻(xiàn)[12]中Rukmi Dutta，M. F. Rahman等人提出一種電動(dòng)機(jī)徑向磁路分段的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子永磁體分段結(jié)構(gòu)

該電動(dòng)機(jī)利用隔磁磁橋?qū)⒂来朋w分為三段。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)置式永磁電動(dòng)機(jī)，永磁體整體串聯(lián)在直軸磁路中，其直軸磁路大部為鐵心，磁通經(jīng)鐵心穿過(guò)永磁體，使得磁路飽和程度較高，直軸電感相對(duì)較小。通過(guò)隔磁磁橋?qū)⒂来朋w分為三段，使原磁通路徑被切斷，飽和程度降低，增大了直軸電感。經(jīng)過(guò)實(shí)際樣機(jī)試驗(yàn)對(duì)比分析可知，該電動(dòng)機(jī)弱磁范圍為 600～6000r/min，表明分段永磁體結(jié)構(gòu)具有優(yōu)秀的弱磁能力。

文獻(xiàn)[13]提出了一種新型永磁同步電動(dòng)機(jī)，如圖5所示。不同于傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)在永磁體外層再增加一層鐵心，并利用隔磁磁橋，將外層鐵心分為8段，A、B、C、D均位于交軸位置上，另外四段覆蓋在永磁體上。

圖5 通過(guò)改變磁通路徑弱磁

當(dāng)恒功率運(yùn)行時(shí)，電樞繞組中通以直軸電流，電樞反應(yīng)磁場(chǎng)通過(guò)永磁體表面的鐵心，再由A、B、C、D四塊軟鐵各自形成通路。這樣利用直軸電流改變磁通路徑，減少了從永磁體到電樞的磁通，而通過(guò)永磁體本身的磁通并沒(méi)有變化，這不僅增強(qiáng)了電動(dòng)機(jī)的弱磁能力，也可避免永磁體發(fā)生不可逆退磁。

2.3 采用多段轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互抵消弱磁

在對(duì)電動(dòng)機(jī)齒槽效應(yīng)研究的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，采用轉(zhuǎn)子斜極，可以削弱電動(dòng)機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩。受此試驗(yàn)結(jié)果的啟發(fā)，有學(xué)者提出將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子分段，調(diào)節(jié)各段轉(zhuǎn)子之間的夾角，便可控制通過(guò)電樞繞組中的永磁磁通，從而實(shí)現(xiàn)弱磁的目的[14-17]。

文獻(xiàn)[18]提出一種兩段轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)，如圖6所示。以各段轉(zhuǎn)子磁極直軸夾角為基準(zhǔn)度量轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)位置，當(dāng)兩段轉(zhuǎn)子夾角為 0°時(shí)，它們的磁通完全一致，疊加后使氣隙磁場(chǎng)最大。調(diào)節(jié)直軸夾角，使兩段轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)出現(xiàn)相位差，其共同作用的磁場(chǎng)將會(huì)減少，這就達(dá)到了弱磁控制的目的。

圖6 轉(zhuǎn)子分段結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)

該電動(dòng)機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)主要集中于如何在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子段之間的夾角，關(guān)于調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，學(xué)者們也做了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[15]中提出一種螺旋調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，如圖7所示，該機(jī)構(gòu)在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子之間夾角的同時(shí)，還可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子與定子相對(duì)位置，改變定轉(zhuǎn)子耦合面積，從而使弱磁能力得到提高[17]。

圖7 轉(zhuǎn)子分段結(jié)構(gòu)螺旋調(diào)節(jié)裝置

2.4 改變勵(lì)磁回路磁阻弱磁

電動(dòng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中不可避免產(chǎn)生離心力，且離心力隨轉(zhuǎn)速上升而增大。利用這個(gè)離心力，控制電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)隨轉(zhuǎn)速變化，就可以控制氣隙磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)弱磁。

比較有代表性的是哈爾濱工業(yè)大學(xué)窛寶泉等人提出的利用離心力動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)磁路磁阻的8極切向轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)[19-20]，其結(jié)構(gòu)如圖8所示，在同一永磁體槽中，槽最外側(cè)為位置固定的副永磁體，主永磁體初始位置在槽內(nèi)靠近轉(zhuǎn)子軛的部位，且可在槽內(nèi)滑動(dòng)。如圖所示在轉(zhuǎn)子永磁體槽靠近副永磁體一端的外側(cè)，放置倒三角形的非導(dǎo)磁材料。

圖8 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)磁路轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

基速以下運(yùn)行時(shí)，離心力較小，主永磁體位于圖中初始位置，此時(shí)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁路不通過(guò)非導(dǎo)磁材料，氣隙磁通較大。隨著轉(zhuǎn)速上升超過(guò)基速，離心力逐漸增大，主永磁體開始沿槽向外側(cè)移動(dòng)，磁路同時(shí)向外側(cè)移動(dòng)，由于非導(dǎo)磁材料的存在，磁路磁阻增大，氣隙磁場(chǎng)減弱，實(shí)現(xiàn)弱磁。

除以上各種弱磁方法以外，學(xué)者們受電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)控制勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)磁場(chǎng)的啟發(fā)，還提出將永磁同步電動(dòng)機(jī)加裝勵(lì)磁繞組進(jìn)行調(diào)磁，形成混合勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)，可集電勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)于一身，實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩、功率密度，寬調(diào)速范圍，適宜做電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

3 電動(dòng)機(jī)參數(shù)對(duì)弱磁運(yùn)行性能的影響

3.1 凸極率ρ 對(duì)電動(dòng)機(jī)弱磁恒功率性能的影響

調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)高速區(qū)恒功率性能一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。當(dāng)其轉(zhuǎn)速達(dá)到基速時(shí)，逆變器輸出電壓已達(dá)極限，若轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，反電勢(shì)隨之增大。若反電勢(shì)超過(guò)端電壓，逆變器將無(wú)法向電動(dòng)機(jī)輸入能量，若無(wú)應(yīng)對(duì)措施，電動(dòng)機(jī)在進(jìn)入高速區(qū)后輸出功率將迅速下降，無(wú)法保持恒功率運(yùn)行。如何使PMSM能運(yùn)行到較高的轉(zhuǎn)速而又不降低低速區(qū)輸出轉(zhuǎn)矩和高速區(qū)輸出功率，成為問(wèn)題的關(guān)鍵。

凸極率ρ=Lq/Ld是影響電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能的一個(gè)重要因素，在保持定子不變的情況下，提高Laq與Laq之比，可以提高功率因數(shù)，進(jìn)而提高效率[6]。當(dāng)凸極率ρ≠1時(shí)，電動(dòng)機(jī)具有磁阻轉(zhuǎn)矩，但大于1和小于1的選擇，對(duì)電動(dòng)機(jī)性能有較大影響。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，雖然Ld＞Lq電動(dòng)機(jī)在弱磁區(qū)比Lq＞Ld結(jié)構(gòu)有略高的輸出轉(zhuǎn)矩，但其恒轉(zhuǎn)矩區(qū)性能卻明顯劣于Lq＞Ld結(jié)構(gòu)，故在恒功率運(yùn)行性能相近時(shí)，ρ＞1電動(dòng)機(jī)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

文獻(xiàn)[21]著重研究了不同凸極率電動(dòng)機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行和弱磁擴(kuò)速運(yùn)行時(shí)的輸出功率特性，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得出電動(dòng)機(jī)在不同凸極率時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速—功率曲線，如圖 9（a）、（b）所示，與圖中曲線對(duì)應(yīng)不同Ld、Lq取值情況見表1。

圖9 不同凸極率下的轉(zhuǎn)矩和功率曲線

表1 Ld、Lq取值情況

對(duì)比#1到#3曲線可知，隨Ld、Lq增大，恒轉(zhuǎn)矩區(qū)輸出轉(zhuǎn)矩略有增大，但恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行范圍也變窄；而由#3和#6曲線可以看出，在恒功率運(yùn)行性能相近的情況下，凸極率提高時(shí)，恒轉(zhuǎn)矩性能有了很大的提高。由#2和#5曲線可知，無(wú)論凸極率如何取，使永磁磁鏈Ψf和直軸電感Ld標(biāo)幺值相等，在弱磁高速運(yùn)行時(shí)，都能保持電動(dòng)機(jī)輸出功率恒定而不迅速降低，并保持一個(gè)較大的擴(kuò)速范圍?？梢姡妱?dòng)機(jī)Ld、Lq選取的最優(yōu)原則應(yīng)該是Ld取大但又要接近Ψf。但Lq＞Ld的電動(dòng)機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)具有更好的運(yùn)行性能，它的輸出轉(zhuǎn)矩和功率均比Ld＞Lq的電動(dòng)機(jī)高出很多，故而更適合恒轉(zhuǎn)矩區(qū)負(fù)載大，調(diào)速范圍也較大的場(chǎng)合。

3.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)弱磁擴(kuò)速的影響

不同的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，直交軸電感等參數(shù)不同，從而影響電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能。作為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)，為增大轉(zhuǎn)矩密度，應(yīng)增加其永磁體用量，而徑向永磁體結(jié)構(gòu)無(wú)法充分利用轉(zhuǎn)子內(nèi)空間，顯然是不合適的，因此多采用U型及V型轉(zhuǎn)子。清華大學(xué)許家群等以輕型客車用7.5kW PMSM為例，運(yùn)用有限元方法，分析了轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)性能的影響，指出電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)用PMSM的永磁體結(jié)構(gòu)應(yīng)綜合考慮電動(dòng)機(jī)的弱磁能力、抗退磁能力、機(jī)械強(qiáng)度以及對(duì)磁阻轉(zhuǎn)矩的利用等方面[22]。其實(shí)驗(yàn)主要對(duì)瓦片型和U型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖10所示。

圖10 電動(dòng)汽車用PMSM轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)類型

由理論分析可知：直軸電感Ld的大小直接決定著電動(dòng)機(jī)的弱磁調(diào)速能力，仿真中將轉(zhuǎn)子d軸與定子A相繞組軸線重合后可加載最大直軸電流。實(shí)驗(yàn)表明U型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子最大直軸電流時(shí)的電感是瓦片型結(jié)構(gòu)的1.18倍，具有更強(qiáng)的弱磁能力。在相同的直軸去磁磁動(dòng)勢(shì)下，前者使氣息磁密減少了 62.1%，而后者只減少了 46.5%，故而在獲得相同的弱磁性能時(shí)，U型結(jié)構(gòu)只需更低的直軸電流，這就意味著有更大的交軸電流以提供有功功率；最大交軸電流時(shí)，U型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)同樣比瓦片型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)具有更大的交軸電感。此外，U型結(jié)構(gòu)具有更大的永磁體擺放空間，有利于設(shè)計(jì)較大的漏磁系數(shù)，利于弱磁，在抗退磁能力方面，兩種結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)相近?？梢?，U型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比瓦片型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)具有更好的弱磁性能。

由前文及電動(dòng)機(jī)理想最高轉(zhuǎn)速式（5）可知，電動(dòng)機(jī)的弱磁擴(kuò)速能力與永磁磁鏈Ψf及直軸電感Ld直接相關(guān)。同時(shí)，氣隙長(zhǎng)度δ、永磁體充磁方向長(zhǎng)度hM、空載漏磁系數(shù)δ0參數(shù)及轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)的選擇，均對(duì)電動(dòng)機(jī)的直交軸電感Ld、Lq有著較大的影響。為探索這些參數(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)弱磁能力的影響，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，提高電動(dòng)機(jī)的擴(kuò)速范圍，學(xué)者們也作了相應(yīng)的研究。

一般情況下隨氣隙長(zhǎng)度δ的增加，直交軸電感有所減少。隨永磁體充磁方向長(zhǎng)度hM的增加，直軸電樞反應(yīng)電抗Xad減少，且氣隙長(zhǎng)度δ對(duì)Xad的影響逐漸減少；而氣隙長(zhǎng)度δ對(duì)Xaq的影響比對(duì)Xad的影響要大。故而內(nèi)置式PMSM氣隙長(zhǎng)度不宜過(guò)大，否則導(dǎo)致直軸電感較小而弱磁能力不足，電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍窄。文獻(xiàn)[23]指出，當(dāng)氣隙和隔磁磁橋長(zhǎng)度適當(dāng)增大時(shí)，空載漏磁系數(shù)增大，利于弱磁擴(kuò)速。電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，為盡可能獲取較大的直軸電感，應(yīng)選擇合理的氣隙長(zhǎng)度和永磁體磁化方向長(zhǎng)度，使直軸電感和漏磁系數(shù)合理配合，獲得良好的擴(kuò)速性能。

3.3 電機(jī)參數(shù)誤差對(duì)電動(dòng)機(jī)弱磁性能的影響

在進(jìn)行弱磁控制的過(guò)程中，若控制算法使用的電動(dòng)機(jī)參數(shù)與實(shí)際參數(shù)之間存在誤差，對(duì)電動(dòng)機(jī)弱磁能力的實(shí)現(xiàn)有較為明顯的影響。浙江大學(xué)陳陽(yáng)生、諸自強(qiáng)，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)D. Howe等人，結(jié)合電動(dòng)機(jī)控制策略，以一臺(tái)6極無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為例，研究了反電勢(shì)E（永磁磁鏈Ψf）、直交軸電感Ld和Lq定子繞組電阻R1、直流母線電壓Udc等對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁性能的影響[24]。在高速區(qū)弱磁運(yùn)行狀態(tài)，控制算法所用反電勢(shì)值E等于或稍大于測(cè)量的實(shí)際值時(shí)，電動(dòng)機(jī)實(shí)際直交軸電流id和iq可以精確地跟蹤控制器指令電流。而前者低于后者時(shí)，電流誤差顯著增大，且基值轉(zhuǎn)速有所增大，恒功率調(diào)速范圍增大，但輸出轉(zhuǎn)矩略有減少。弱磁運(yùn)行狀態(tài)下，運(yùn)用于控制算法的Ld較實(shí)際值低時(shí)，其弱磁能力迅速下降，但q軸電感的參數(shù)誤差對(duì)弱磁能力的影響則不太明顯。

4 采用控制算法進(jìn)行弱磁

隨著永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制方法的日漸成熟，除優(yōu)化電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和磁路設(shè)計(jì)外，還可以從控制策略入手，通過(guò)合適的控制算法，實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁控制，以下將介紹幾種較有代表性的弱磁控制方法。

4.1 超前角弱磁控制

控制超前角即控制定子電流中的直軸去磁分量id以實(shí)現(xiàn)弱磁。由圖 1中電流向量圖可知，γ為電流超前角，id=issinγ，iq=iscosγ，恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)使γ為0。進(jìn)入弱磁區(qū)后，控制γ增大，id隨之增大，實(shí)現(xiàn)弱磁。實(shí)際運(yùn)行中，γ的輸入由PI調(diào)節(jié)器給定。

針對(duì)傳統(tǒng)超前角控制方法在電動(dòng)機(jī)由恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行向弱磁運(yùn)行過(guò)渡時(shí)，產(chǎn)生d、q軸電流振蕩，進(jìn)而導(dǎo)致速度滑坡，文獻(xiàn)[25]提出一種改進(jìn)型超前角弱磁控制算法。該方法采用一種運(yùn)算量較小的SVPWM過(guò)調(diào)制算法，以零電壓矢量作用時(shí)間T0是否小于零作為過(guò)調(diào)制起始點(diǎn)的依據(jù)，在逆變器直流側(cè)電壓不變的前提下增大其交流電壓輸出，提高電壓輸出能力，改善動(dòng)態(tài)性能；而針對(duì)弱磁區(qū)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)制定子輸入電壓，導(dǎo)致輸出功率下降，文獻(xiàn)提出采用q軸電流誤差閉環(huán)來(lái)代替電壓閉環(huán)的方法，在弱磁區(qū)將 q軸電流誤差Δiq輸入PI調(diào)節(jié)器生成超前角γ，并由此計(jì)算出新的id、iq，在運(yùn)行時(shí)，需注意限制id使其小于電動(dòng)機(jī)最大去磁電流。

4.2 電流調(diào)節(jié)器法

傳統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器算法基于磁場(chǎng)定向，包含兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器，即一個(gè)交軸電流調(diào)節(jié)器和一個(gè)直軸電流調(diào)節(jié)器，電流調(diào)機(jī)器包含電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)和前饋解耦環(huán)節(jié)，控制過(guò)程中，交軸電流取決于角頻率給定值和實(shí)際值之間的差值，定子電流由最大轉(zhuǎn)矩電流比控制方案決定。式（7）為 PMSM 交軸電壓方程。由方程可知，在弱磁狀態(tài)下的某一轉(zhuǎn)速ωr運(yùn)行時(shí)，uq受ulim限制，id、iq相互耦合，無(wú)法獨(dú)立控制。由于電壓限制，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，電流調(diào)節(jié)器逐漸飽和，id系數(shù)（斜率）絕對(duì)值變大，直交軸間的耦合逐漸加強(qiáng)，導(dǎo)致控制效果變差。

為解決這個(gè)問(wèn)題，學(xué)者們轉(zhuǎn)而利用這種耦合作用，提出單電流調(diào)節(jié)器弱磁控制，即僅控制直軸電流，完成弱磁控制。比較具有代表性的是電流耦合調(diào)節(jié)定交軸電壓（CCR-FQV）和改進(jìn)后的電流耦合調(diào)節(jié)變交軸電壓（CCR-VQV），前者固定交軸電壓指令，但無(wú)法充分利用直流側(cè)電壓，效率和負(fù)載能力下降，調(diào)速范圍也變窄；后者隨電動(dòng)機(jī)工況改變交軸電壓指令，但其魯棒性較差。

針對(duì)以上兩種控制方法所出現(xiàn)的問(wèn)題，文獻(xiàn)[26]提出一種改進(jìn)的CCR-VQV方法。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在弱磁狀態(tài)下某一轉(zhuǎn)速rω的最優(yōu)工作點(diǎn)時(shí)，其交直軸電壓必然滿足電壓極限公式，從而其交軸電壓指令可由式（8）給定。

如此在電動(dòng)機(jī)弱磁運(yùn)行時(shí)，交直軸電流可以同時(shí)滿足式（2）、式（3）、式（7），工作點(diǎn)時(shí)鐘被固定在電壓極限橢圓上，使直流側(cè)電壓得到充分利用。同時(shí)該方法具有魯棒性強(qiáng)，無(wú)需查表，便于移植的特點(diǎn)。

4.3 前饋弱磁

針對(duì)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)向弱磁區(qū)轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的直交軸電流振蕩、轉(zhuǎn)速、輸出功率滑坡，Thomas. M. J[27]提出前饋弱磁方案。文獻(xiàn)[28]提出通過(guò)電流解耦控制和給定電壓補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，能夠在直流母線電壓、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)載變化較大的情況下實(shí)現(xiàn)向弱磁區(qū)的切換，但該方法對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的依賴性較高。

文獻(xiàn)[29]提出一種基于前饋控制的弱磁控制策略，將直、交軸電流隨轉(zhuǎn)矩及定子磁鏈的變化關(guān)系制成表格，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)轉(zhuǎn)矩及定子磁鏈的參考值通過(guò)實(shí)時(shí)查表得出電動(dòng)機(jī)直、交軸電流給定值；同時(shí)針對(duì)運(yùn)行過(guò)程中電動(dòng)機(jī)參數(shù)的漂移問(wèn)題，在前饋控制基礎(chǔ)上疊加基于輸出電壓的閉環(huán)控制。實(shí)驗(yàn)表明，該方法具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，可以滿足系統(tǒng)要求。

4.4 過(guò)調(diào)制方法

過(guò)調(diào)制算法根據(jù)零電壓矢量的作用時(shí)間判斷過(guò)調(diào)制的起點(diǎn)，查表確定調(diào)制比，實(shí)現(xiàn)SVPWM過(guò)調(diào)制算法。文獻(xiàn)[30]將電壓閉環(huán)控制運(yùn)用到過(guò)調(diào)制算法中，提高了母線電壓利用率，同時(shí)也提高了轉(zhuǎn)折速度和弱磁區(qū)的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率，盡可能挖掘電動(dòng)機(jī)輸出潛力。

4.5 六步電壓法

文獻(xiàn)[31]還提出六步電壓法，屬于較早起的弱磁方法，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的功角來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流母線電壓的最大利用，但是這種方法需要估算定子磁鏈，且對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)和負(fù)載條件較為敏感，魯棒性較差。

5 結(jié)論

作為電動(dòng)汽車牽引電機(jī)，必須具有轉(zhuǎn)矩、功率密度大、調(diào)速范圍寬、系統(tǒng)效率高、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、電磁兼容性好等特點(diǎn)，此外還需考慮電動(dòng)機(jī)的制作成本和使用壽命等。

本文從電機(jī)本體結(jié)構(gòu)和控制策略兩方面綜述了近年來(lái)永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁性能的研究發(fā)展?fàn)顩r。電機(jī)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，雖然一定程度上提高了電動(dòng)機(jī)的弱磁運(yùn)行能力，但其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜為控制帶來(lái)困難；而當(dāng)前各種控制算法中也存在諸如對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性、計(jì)算轉(zhuǎn)矩輸出需要知道功角、需要估算定子磁鏈等問(wèn)題。如何從本體結(jié)構(gòu)和控制策略兩方面結(jié)合，尋找既適于弱磁運(yùn)行，又易于進(jìn)行弱磁控制的電動(dòng)機(jī)成為未來(lái)研究的重點(diǎn)方向。本文介紹的新型結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的各種弱磁思想，為后續(xù)的電動(dòng)汽車用的永磁同步電動(dòng)機(jī)研究提供思路，讀者可綜合考慮自身實(shí)際運(yùn)用場(chǎng)合及性能要求，采取適宜的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)弱磁。

[1] 張千帆, 寇寶泉, 程樹康. 電動(dòng)車用新型驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)展綜述[J]. 微特電機(jī), 2004, 32(6): 33-37.

[2] 彭海濤, 何志偉, 余海闊. 電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)的發(fā)展分析[J]. 微電機(jī), 2010, 43(6): 78-81.

[3] 王鐵成, 代穎, 崔淑梅. 電動(dòng)車用永磁同步電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 微電機(jī), 2005, 38(1): 55-57.

[4] 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, 2002.

[5] 王秀和. 永磁電機(jī)[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社,2007.

[6] 張飛, 唐任遠(yuǎn). 永磁同步電機(jī)電抗參數(shù)研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2006, 21(11): 7-10.

[7] 陳益廣, 王穎, 沈勇環(huán), 等. 寬調(diào)速可控磁通永磁同步電機(jī)磁路設(shè)計(jì)和有限元分析[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2005, 25(20): 157-161.

[8] 陳益廣, 仲維剛, 沈勇環(huán). 內(nèi)置混合式可控磁通永磁同步電機(jī)有限元分析[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2009, 29(6): 61-66.

[9] Muhlegger W, Teppan W, Manfred Rentmeister.Working conditions of a Permanent Excited Synchronous Motor in Flux-Weakening Mode[C]//Proceeding of ICEM. 1990: 1107-1110.

[10] Bianchi N, Bolognani S, Chalmers B J. Salient-rotor PM synchronous motors for an extended flux-weakening operation range[J]. Industry Applications, IEEE Transactions on, 2000, 36(4): 1118-1125.

[11] 尹華杰. 主軸永磁同步電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)及“弱磁”問(wèn)題的研究[D]. 武漢: 華中理工大學(xué), 1994.

[12] Dutta R, Rahman M F. Design and analysis of an interior permanent magnet (IPM) machine with very wide constant power operation range[J]. Energy Conversion, IEEE Transactions on, 2008, 23(1): 25-33.

[13] Xu Longya, Ye L, Li Zhen, et al. A new design concept of permanent magnet machine for flux weakening operation[J]. Industry Applications, IEEE Transactions on, 1995, 31(2): 373-378.

[14] Masabiro Masuzawa, Noriyoshi Hirao, Takashi Sasaki,et al. Brassless Motor Having Permanent Magnets:United States Patent,5821710[P]. 1998-10-13.

[15] Kim Houng Joong, Kazan Tabara, Kou Ajima, et a1.Hybrid Car and Dynamo-Electric Machine: United States Patent, US646243081 [P].2002.10-8.

[16] Kim Houng Joong, Shigeta Ueda. Dynamo—Electric Machine Having a Rotor with First and Second Axially or Rotationally Displaceable Field Magnets: United States Patent, US697505582[P]. 2005-12-13.

[17] Kim Houng Joong, Yoshitaka lwaji. Rotary Electric Machine and Automobile Provided witll the Same:United States Patent, US700227482[P]. 2006-2-21.

[18] Ki-Chan K. A novel magnetic flux weakening method of permanent magnet synchronous motor for electric vehicles[J]. Magnetics, IEEE Transactions on, 2012,48(11): 4042-4045.

[19] 寇寶泉, 李春艷, 李立毅, 等. 能夠跟隨轉(zhuǎn)速自動(dòng)弱磁的永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子[P]: 中國(guó), 200610009857.5.2006-8-23.

[20] Kou Baoquan, Li Chunyan, Cheng Shukang. Flux-Weakening-Characteristic analysis of a new Permanent-Magnet synchronous motor used for electric vehicles[J].Plasma Science, IEEE Transactions on, 2011, 39(1):511-515.

[21] 蔡軍, 萬(wàn)山明. 永磁同步電機(jī)參數(shù)對(duì)弱磁性能的影響[J]. 微電機(jī), 2011, 44(1): 1-3.

[22] 許家群, 徐衍亮, 邢偉, 等. 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)用永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)選擇[J]. 微特電機(jī), 2004, 32(3):12-13, 24.

[23] 馬曉楓. 寬轉(zhuǎn)速范圍永磁同步電動(dòng)機(jī)電磁參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 微電機(jī), 2014, 47(4): 13-16.

[24] 陳陽(yáng)生, 黃碧霞, 諸自強(qiáng), 等. 電機(jī)參數(shù)誤差對(duì)永磁同步電機(jī)弱磁性能的影響[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008, 28(6): 92-98.

[25] 于家斌, 秦曉飛, 鄭軍, 等. 一種改進(jìn)型超前角弱磁控制算法[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2012, 16(3): 101-106.

[26] 方曉春, 胡太元, 林飛, 等. 基于交直軸電流耦合的單電流調(diào)節(jié)器永磁同步電機(jī)弱磁控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(2): 140-147.

[27] Jahns TM. Flux-Weakening regime operation of an interior Permanent-Magnet synchronous motor drive[J].Industry Applications, IEEE Transactions on, 1987,IA-23(4): 681-689.

[28] Tursini M, Chiricozzi E, Petrella R. Feedforward Flux-Weakening control of Surface-Mounted Permanent-Magnet synchronous motors accounting for resistive voltage drop[J]. Industrial Electronics, IEEE Transactions on, 2010, 57(1): 440-448.

[29] 王瑩, 唐任遠(yuǎn), 曹先慶, 等. 內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁控制實(shí)驗(yàn)研究[J]. 微電機(jī), 2008, 41(11): 1-4.

[30] 吳芳, 萬(wàn)山明, 黃聲華. 一種過(guò)調(diào)制算法及其在永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁控制中的應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào),2010, 25(1): 58-63.

[31] Bose BK. A high-performance inverter-fed drive system of an interior permanent magnet synchronous machine[J]. Industry Applications, IEEE Transactions on, 1988, 24(6): 987-997.