电动汽车用永磁同步电动机功率特性及弱磁扩速能力研究一.docx

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电动汽车用永磁同步电动机功率特性及弱磁扩速能力研究一

　　收稿日期:

2001212229

基金项目:

国家863计划项目（8632Z372031

电动汽车用永磁同步电动机

功率特性及弱磁扩速能力研究（一

———恒转矩控制及弱磁控制时的功率特性

徐衍亮

（250061　山东省济南市　山东大学电气工程学院（100083　北京市　北京航空航天大学宇航学院

摘　要　采用d、q坐标系下的相量分析方法,研究永磁同步电动机（PMSM、特别是电动汽车用PMSM1详细分析了不同弱磁率、不同凸极率对电机电压、电流相量变化轨迹的影响,及由此引起的电机的

功率特性及弱磁扩速能力的差异1推导出以弱磁率和凸极率为变量的PMSM的弱磁扩速倍数表达式,由此得出提高PMSM弱磁扩速能力的根本途径,比较了不同磁路结构PMSM弱磁扩速能力的大小1

关键词　功率特性;弱磁;相量分析/电动汽车;永磁同步电动机中图分类号　TM41　　文献标识码:

A

文章编号:

1000-5323（200205-0401-05

STUDYONPOWERCAPABILITYANDFLUX2WEAKENINGLEVELOFPERMANENTMAGNETSYNCHRONOUSMOTOR

INELECTRICVEHICLEAPPLICATION（Ⅰ

—POWERCAPABILITYWHENCONSTANTTORQUEANDFLUX2WENKENINGCONTROL

XUYan2liang

（SchoolofElect.Eng.,ShandongUniv.,JiananCity,ShandongProvince250061,China

（BeijingUniv.ofAeronauticsandAstronautics,BeijingCity100083,China

ABSTRACT　Thephasormethodisadoptedforthefirsttimetoanalyzetheinfluenceofthedemagnetizingcoefficient,saliencyratioonthelociofvoltageandcurrentandthenonthepowercapabilityandflux2weakeninglevelofpermanentmagnetsynchronousmotor（PMSMespeciallyinelectricvehicle（EVapplication.Thede2scriptionofthePMSM’sflux2weakeningadjustingspeedcapabilityisworkedoutandexpressedwiththedemag2netizingcoefficientandsaliencyratio,bywhichtheradicalmethodstoenhancethePMSM’sflux2weakeningca2pabilityareconcluded,andtheflux2weakeningcapabilityofPMSMwithdifferentmagnetstructuresiscom2pared.

KEYWORDS　Powercapability;Flux2weakening;Phasoranalysis/Electricvehicle（EV;Permanentmagnetsynchronousmotor（PMSM

2002年　10月　第32卷第5期　　　　山东大学学报（工学版JOURNALOFSHANDONGUNIVERSITY（ENGINEERINGSCIENCE　　　　

Vol.32　No.5

　Oct.　2002

0　引言

永磁同步电动机具有尽可能宽广的弱磁调速范围对电动汽车驱动有特别重要的意义,能够在电机最大功率（即逆变器容量不变的条件下提高电动汽车的起动加速能力[1]及低速爬坡能力,或者说在保持电动汽车起动加速及低速爬坡能力不变的前提下降低电机的最大功率,从而降低逆变器的容量1因此对电动汽车驱动用PMSM功率特性（功率转速特性及弱磁扩速能力的分析具有更为重要的意义1目前,分散地选取几组电机参数（永磁磁链和交直轴电感进行功率特性曲线比较是永磁同步电动

机功率特性分析的通用方法[2~7]1然而这一方法不但分析结论缺乏普遍性,而且无法对电机参数变化引起的功率特性曲线的差异原因进行研究和探讨1实际上,永磁同步电动机的不同参数产生电机不同的功率特性,原因在于不同电机参数引起电机电压电流相量不同的变化轨迹1因此本文采用永磁同步电动机d、q坐标系下的相量分析方法,以弱磁率和凸极率为电机参数,从电机调速过程中电压电流相量的变化轨迹出发,考虑到电动汽车用电机运行的实际,研究永磁同步电动机的功率特性,对电机的凸极率和弱磁率变化所引起的电机功率特性差异进行综合分析1

本论文由两部分组成,第一部分采用永磁同步电动机d、q坐标系下的相量分析方法,以凸极率和弱磁率为电机参数,分析了永磁同步电动机恒转矩控制及普通弱磁控制时的电压电流相量的变化轨迹及功率特性的变化规律;第二部分在第一部分的基础上分析了最大输入功率弱磁控制的电压电流相量的变化轨迹及功率特性,提出最大输入功率弱磁控制的等效电流控制策略,推导出以弱磁率和凸极率为变量的PMSM的弱磁扩速倍数的数学表达式,提出提高PMSM弱磁扩速能力的根本措施,分析了损耗、饱和等因素对PMSM功率特性及弱磁扩速倍数的影响11　电动汽车驱动用永磁同步电动机电流控制策略及其相量分析方法

　　电动汽车驱动用永磁同步电动机与一般驱动用永磁同步电动机的区别在于,前者需更大的短时和瞬时大电流,使其不但拥有恒转矩控制和普通弱磁控制,还具备最大输入功率弱磁控制的条件1

1.1　永磁同步电动机电流控制策略

由于永磁同步电动机的功率特性及弱磁扩速能力不但决定于电机本身的参数,还与逆变器容量及直流母线电压大小有关,因此以下分析是以电机的凸极率ρ和弱磁率ξ为参数,分别定义为:

ρ=

L

Ld

（1

ξ=

Ψ

f

（2其中:

Ld、Lq———直交轴电感

Ψ

f

———d、q坐标系下永磁磁链

电动汽车用永磁同步电动机的电流控制策略有三种即[2~4]:

1恒转矩控制:

is=ilim,uΦulim;

2普通弱磁控制:

is=ilim,u=ulim;

3最大输入功率弱磁控制:

isΦilim,u=ulim;其中:

is、us分别为d、q坐标系下电机电流和电压,ilim、ulim分别为d、q坐标系下电机的极限电流和极限电压1

对这三种电流控制策略,其中恒转矩控制和普通弱磁控制是必须存在的,最大输入功率弱磁控制只有在ξ>1时才有可能存在1电流控制策略的详细内容请见有关文献1

1.2　调速永磁同步电动机功率特性相量分析方法图1为调速永磁同步电动机d、q坐标系下的相量图,其中角α、β分别为电压电流相量与q轴的夹角,φ为功率因数角,在不计各种损耗的假定下,电机的功率可表示为:

Pem=usiscosφ（3为使分析更具普遍性,永磁同步电动机功率特

402

　山东大学学报（工学版2002年

性的分析以标幺值形式进行,功率及电角速度的基值Pc、

ωc分别定义为:

Pc=PemN=ulimilimN

（4ωc=

Ψf

（5

其中,ilimN=Ψf/Ld

可以看出,基值功率是弱磁率为1时电机的最大功率,基值电角速度为电机理想空载时的转折电角速度

1

图1　永磁同步电动机电压电流相量

Fig.1　PhasorsofvoltageandcurrentofPMSM

2　永磁同步电动机恒转矩控制和

普通弱磁控制时的功率特性

2.1　电压电流相量变化轨迹

根据前述电流控制策略,永磁同步电动机在恒转矩控制及普通弱磁控制下,电压、电流相量角α、β满足下式:

α=tan-1[ρcosβ/（1/ξ-sinβ]　　　ξ<1/sinβ180°-tan-1[ρcosβ/（sinβ-1/ξ

]　ξ>1/sinβ90°　　　　　　　　　　　　　　

ξ=1/sinβ（6

因此,永磁同步电动机在整个恒转矩控制区和普通弱磁控制区具有如图2所示的电压、电流相量变化

轨迹,可以看出:

1在恒转矩控制区,电流相量保持为OAi不

变,其相角β1可表示为下式:

β1=

0°

ρ=1sin

-1

22

4（ρ-1

ρ≠1

（7

电压相量相角为α1,幅值由0增加到其极限电压ulim1

2在普通弱磁控制区,电流相量由OAi变化

到OBi,即幅值不变,相位由β1→90°;电压相量幅值不变,但相位由α1开始根据弱磁率的不同而具有不同的变化规律1

ξ=1时,随电流相量由OAi变化到OBi,电压

相量由OAu变化到OBu,即随电流相位由β→90°,电压相位也由α1→

90°,如图2a所示1ξ<1时,在整个弱磁区,电压相量相角先由α1增大到某一最大值αz,然后再减少到0,变化轨迹如图2b所示,即电压相量由OAu变化到OBu,然后反转变化到OCu1而且电压相角为αz（即电压相量转折时的电流相角βz只与弱磁率ξ有关,而与凸极率无关,βz满足下式:

sinβz=ξ

（8

ξ>1时,在整个弱磁过程,电压相角由α1一直增大到180°,如图2c所示1而且α达90°时的电流相角βp也与ρ无关（由于α1可能大于90°,此时该点为假想点,且满足下式

sinβp=

ξ

（9

图2　恒转矩控制及普通弱磁控制时电压电流相量变化轨迹

Fig.2　LociofvoltageandcurrentphasorsofPMSMwithconstanttorquecontrolandordinaryflux2weakeningcontrol第5期徐衍亮:

电动汽车用永磁同步电动机功率特性及弱磁扩速能力研究（一403　

2.2　功率与电角速度之间的关系

在普通弱磁控制下,电机电角速度与电流相量角之间的关系为:

ω=

（Lqiq2+（Ψf+Ldid2

=