磁滞式永磁同步电机在电动汽车上的应用探究M. Azizur Rahman, Fellow, IEEE and Ruifeng Qin
摘要：本文从改善电机在电动汽车上的应用前景出发，介绍了一种磁滞式永磁同步(PMHS)电机的设计、分析以及PWM矢量控制。

这种混合式的设计同时具备了传统的磁滞电机以及永磁电机两者的优点。

文中首先建立了同步和异步情况下磁滞式永磁同步电机的等效电路模型。

然后做了在给定电机驱动下电机PWM矢量控制仿真。

最终建立磁滞式永磁同步电机的实验室模型，并通过实验来验证这种新型电机的功能。

关键词：控制DSP 电动汽车混合磁滞电动机永磁矢量
Ⅰ引言
如今整个世界范围内都在致力于研究出一套可靠、方便、无污染且低成本的交通运输系统。

而电力电子学、磁性材料、电池、数字信号处理器以及控制策略的发展无疑对该系统的研发有着深远的影响。

电动汽车和混合动力汽车将会成为将来最为主流的两种交通工具。

电动汽车从20世纪初就开始非常流行，然而在20世纪30年代，电动汽车几乎不被用于交通运输，因为相比于内燃机，电动车的动力性差以及且价格昂贵。

但伴随着越来越多的环境问题以及能源危机，电动汽车无污染排放的优势使其重新得到人们的重视。

随着人们对空气质量越来越重视，一些城市甚至设立了零排放区域并且制定了一系列严格的排放法规来鼓励电动汽车的使用。

加州空气资源委员会甚至颁布了一项规定：截止1998年，在加利福尼亚出售的所有汽车中，至少要有2%是零排放汽车，2003年要增长到10%[1]。

电动车在城市运输以及其他的一些服务中也有着广泛的应用。

电力推进在电梯、手扶车、轮椅以及机场穿梭巴士等工具上已经被运用了很多年了，都主要是短途运输。

续航能力过差的缺陷大大的限制了电力推进的应用，这种情形估计要到电池技术取得突破性的进展后才会得到改善。

以内燃机为常规动力并辅以电池电机以提升发动机性能的混合动力概念再次跃入人们的视野[2]。

目前混合动力汽车有两种基本的形式，即串联式混合动力和并联式混合动力。

两种方式都有各自的优点和不足[2]。

不过在短期内，混合动力汽车还是被视为减少汽车排放以及能源消耗的最可行的方案。

混合动力汽车也提出了目前汽车工业的现状，也就是利用现有的汽油调配站，对基础设施不作或作很小的变化，再加上几个插座。

目前世界上的混合动力汽车的研究者们主要把精力集中在制造出性能与价格能被大众接受且满足排放法规的混合动力汽车[3][4]。

电机驱动是电动汽车的中央核心[5]。

世界上对于电动汽车和混合动力汽车的研究最重要的考虑因素是电机在12000---15000r/m的高转速下的高能高效应用。

电动汽车和混合动力汽车主要有三种电机驱动器。

它们分别是常规的永磁直流电机驱动器、标准异步电机(IM)驱动器和永磁(PM)电机驱动器[5]。

最后一类包含了永磁同步电机和永磁无刷直流电机，永磁无刷直流电机从本质上来讲是一种多相整流永磁同步电机。

由于常规的异步电机与永磁直流电机转速范围小、比较笨重且体积较大，因此它们常常需要两到三种齿数比。

而永磁同步电机和用高能磁性材料硼铁化钕(NdFeB)制成的永磁无刷直流电机即使在12000r/m以上的高转速下不需要齿轮变速也有很好的性能。

开关磁阻电机在一些特殊的领域也会发挥出一些出人意料的效果。

Ⅱ电动汽车驱动电机的选择
为电动汽车选择一部好的驱动电机是一项很具挑战性的事，其原因如下[6]，[7]：
●在较大的转速范围(0~15000r/m)内需要有足够的转矩保持电机稳定工作；
●由于电池能提供的电压较低，因此直流电压等级也被限制；
●电机的安装空间也受到限制；
●电机在行程范围内应该保持所能达到的最高效率；
●电机的成本应尽可能低。

电动汽车和混合动力汽车电机驱动的选择主要取决于三个因素，就是表1中所列的质量、效率以及全部成本。

这些数据是在40~50kW的额定功率下得到的，适用于中型客车、小汽车以及小型货车[3]，[4]。

可以推测所有影响电机驱动的因素都与电力电子有关。

必须注意的是电机的整体效率和相关的电子设备都影响着电池的负荷。

下个世纪之后，随着产量的增加，NdFeB型高能磁铁价格的降低以及电力电子器件成本的减少，永磁电机驱动的成本也会越来越低。

此外，据推测，矢量控制电机驱动需要某种形式的转子位置检测。

因此，在不久的将来，无需位置检测的电机驱动将会成为行业发展趋势，所以三种电机的成本将会非常接近。

电动汽车上的大部分交流电机都是液体冷却的，因为这样可以减少体积和质量。

永磁电机和磁滞式永磁同步电机都能使磁铁保持较低的温度，这对NdFeB磁铁是非常有利的。

预计磁滞式永磁同步电机在近几年里质量、效率以及成本因素都会接近永磁电机驱动。

因此，总的来说，将来电动汽车最好的电机驱动将会是：
1) 未来的五年是鼠笼式异步电机驱动；
2)2001~2005年将会是永磁和混合永磁电机驱动。

传统的直流整流子式电动机在电动汽车推进系统中有着卓越的表现。

电动汽车中直流整流子式电动机的控制非常简单。

然而，直流电机的电刷和换向器需要经常的维护，同时机械式换向器系统运转时所产生的火花也限制了它的应用。

直流电机的这几个主要问题使得它不适用于免维护的操作。

交流异步电机由于它们比直流电机更高的可靠性和可以实现免维护操作而更加受到人们的青睐，这两点恰好时电动汽车驱动系统主要考虑的因素。

异步电机驱动是用现存的基础工业设施就可以完成的标准技术。

可是，当电机频率改变时，电机的阻抗也会改变，定子阻抗的变化会引起电机气隙磁通的改变，并最终影响到输出转矩。

直接和正交轴耦合的动态模型的非线性性使得它的控制比较复杂。

此外，异步电机还有转子滑移导致同损耗的固有问题，同时还有电机核心的散热问题。

还有就是异步电机一般是两极或四极，它们的绕组端部较大并且有相当大的背铁套，这些都部分导致了电机质量的增加。

在用高能磁性材料如NdFeB替换磁场绕组之后，永磁同步电机就可以摆脱传统的电刷和滑动环。

但永磁电机没有自启动转矩，如果加入鼠笼式绕组的话，它就可以以异步电机的工作模式启动。

电动汽车需要拥有更高效率以及更大转矩容量的新型电机。

必须强调的是电机的设计必须要对整个系统进行权衡，举个例子，选择单速或是多速变速箱就会给电机的设计带来不同的约束。

因此，车用电机的设计必须考虑系统的水平。

永磁同步电机有几个很明显的优势，那就是高效率、高功率因数以及相对较高的稳定性。

永磁同步电机的平顺无刷工作以及简单的转子结构还给它带来了许多额外的优势，尤其是在高速下的应用。

此外，大量的极对减轻了电机的重量并节约了许多材料。

在同步转速下没有了转子铜的损耗使得它具有更高的效率。

永磁同步电机的定子与驱动所用到的电子技术与异步电机驱动的差不多。

当然它也有一些不足之处。

目前高能磁性材料NdFeB的成本相当高，它的磁铁腐蚀以及较差的温度承受能力是其他电机驱动技术没有出现过的潜在危险。

固定的磁通使它在恒定电压下的转速范围很小。

不过弱磁和逐步推进的混合设计有可能将电机的转速范围变为原来的3倍。

当永磁同步电机工作在行频的时候，在启动时有一个很大的缺陷，那就是启动时磁铁产生的制动力矩会减小启动转矩，这会降低转子的同步负载能力。

在鼠笼式绕组的帮助下，常规的设计就可以有足够的加速转矩，当电机达到同步转矩时，鼠笼的转矩就会减小到0，反之磁力矩就是电机转矩的唯一来源。

图1显示了典型的永磁电机和磁滞式电机在启动过程中的转矩变化。

图1 典型永磁电机与磁滞式电机转矩随转速的变化
(a:磁滞式电机转矩；b:理想磁滞转矩；c:永磁电机转矩；d:负载曲线)
磁滞式电机不仅仅具有常规的多相定子绕组和实心转子滞后环这些结构特征，同时在启动到同步这段时间里具有较高内置自启动转矩。

它没有转子槽，因而它在运行过程中的噪音也很小。

这些优点使得磁滞式电机特别适用于需要恒转矩、恒转速以及低噪音的工作环境[8]。

它有较高的磁环电流和附加损失，当转子达到同步转速时，转子磁通不再清扫转子周围，转子上的磁滞材料的剩余磁通密度就会相对固定。

由于同步转速下电涡流力矩的消失，磁滞式电机就会暂时成为永磁电机。

混合电机是将永磁电机和磁滞式电机的转子进行了合并，这使得它有很多不同于永磁电机和磁滞式电机的优点[8]。

这种将永磁体嵌入磁滞环内表面的槽里的混合电机被称之为磁滞式永磁同步电机。

在异步转速阶段，电机的转矩由磁滞转矩、涡流转矩和永磁制动力矩组成；在同步转速阶段，电机转矩由磁滞转矩和永磁转矩构成。

它具有磁滞电机和永磁电机两者的优点，常规永磁电机磁铁制动力矩被高电涡流和磁滞力矩完美的补偿了，尤其是在最初的启动阶段，这种混合的PMHS电机在需要平顺安静工作环境电动汽车上有非常好的应用前景。

这篇文章的主要目的就是介绍电动汽车用的磁滞式永磁同步电机的设计。

同时等效电路、PWM矢量控制仿真和一定边界条件下的实验结果也会被介绍。