【正文】 池汽車。 混合動(dòng)力汽車。長安汽車公司采用同軸 ISG 輕度混合方案 ， 成功開發(fā)了第二輪功能樣車和第三輪性能樣車，并在國內(nèi)率先開展了混合動(dòng)力專用發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)。 天津清源電動(dòng)車輛有限公司等單位研發(fā)的純電動(dòng)轎車，其整車的動(dòng)力性 、 經(jīng)濟(jì)性 、 續(xù)駛里程 、 噪聲等指標(biāo)已超過法國雪鐵龍公司贈(zèng)送的純電動(dòng)轎車和箱式貨車，初步形成了關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)能力。由于多數(shù)采用了鎳氫電池、鎳鎘電池 、 鋰離子電池等高性能電池 ， 車輛性能較有保證 ， 已進(jìn)入小批量試生產(chǎn)階段 。 電動(dòng)機(jī)的使用尚無定論 ，有待今后在使用中考驗(yàn)。所以燃料電池汽車已成為世界各大汽車公司 21 世紀(jì)初激烈競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn) 。此時(shí)，要設(shè)法減小永磁同步電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，即采用弱磁控制以達(dá)到擴(kuò)速的目的。因此對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行弱磁控制并且拓寬弱磁范圍有著重要的意義。 六步電壓法。定義虛擬瞬時(shí)功率 S= |udiq+uqid|，電機(jī)處于最大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)， S/ωe=0。電流調(diào)節(jié)器包括前饋解耦環(huán)節(jié)和電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)。 從電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁能力 永磁同步電動(dòng)機(jī)不同的電機(jī)參數(shù)將引起電壓電流相量不同的變化軌跡，部分文獻(xiàn)對(duì)于電機(jī)參數(shù)變化引起的功率特性曲線差異進(jìn)行了研究和探討并且提出了各種改進(jìn)的電機(jī)結(jié)構(gòu)。 針對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁運(yùn)行難的特點(diǎn)，本論文將以弱磁率和凸極率為參數(shù)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁原理進(jìn)行深入的研究，并找出影響其擴(kuò)速能力的因素。實(shí)際上這種禍合關(guān)系是十分復(fù)雜的，為了建立永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，通常先做如下假設(shè) ： (1) 電 機(jī)的磁路是線性的，不計(jì)磁路飽和、磁滯和渦流的影響 ； (2) 三 相繞組是完全對(duì)稱的，在空間互差 1200，不計(jì)邊緣效應(yīng) ； (3) 忽 略齒槽效應(yīng)，定子電流在氣隙中只產(chǎn)生正弦分布的磁動(dòng)勢(shì)，忽略高次諧波 ； (4) 不 計(jì)鐵心損耗。 Rs ——電子繞組的電阻 。 θ——轉(zhuǎn)子 d 軸超前定子 A 相繞組軸線的電角度。 對(duì)絕大多數(shù)正弦波調(diào)速永磁電動(dòng)機(jī)來說，轉(zhuǎn)子上不存在阻尼繞組，因而，電動(dòng)機(jī)的電壓、磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩方程可簡化為 ?????????????????????????????????])([)(11qdqdqfmddqqdemqqqfmddddqdqqdqddiiLLiiLpiipTiLiLiLiRdtduiRdtdu?? () a) 空間矢量圖 b) 向量圖 圖 PMSM 空間矢量圖和向量圖 如果把上式中的有關(guān)量表示成空間向量的形式，則 d、 q 坐標(biāo)系下永磁同步電動(dòng)機(jī)的空間向量圖如圖 )所示。在永磁同步電動(dòng) 機(jī)分析中采用如下標(biāo)么化處理方法： ???????????????????????fdNdfememdfNNLRrLpTTLiiuu*)(*)()(***2*????? () 式中 ， *emT 、 *i 、 *u 、 *r 和 *? 分別是轉(zhuǎn)矩、電流、電壓和電角速度的標(biāo)么值。而且，當(dāng)轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，僅是一組常系數(shù)的線性微分方程。從上一節(jié)中對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型的分析可以看出，對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩的控制可歸結(jié)為對(duì)交軸電流和直軸電流的控制。從式 ()可以看出，當(dāng)永磁體的勵(lì)磁磁鏈 和交、直軸電感確定以后，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩便取決于定子電流的空間矢量 is，而 is 的大小和相位又決定于 id 和 iq，也就是說控制 id 和 iq 便可以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制基本電磁關(guān)系 正弦永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制運(yùn)行時(shí)與系統(tǒng)中的逆變器密切相關(guān)的，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能要受到逆變器的制約。將式 ()表示在圖 的 idiq 平面上，即可得到電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的電壓極限軌跡 ——電壓極限橢圓。 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子電流空間矢量既不能超出電動(dòng)機(jī)的電壓極限橢圓，也不能超出電流極限圓。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩軌跡在 *di 、 *qi 平面上不僅關(guān)于 d 軸對(duì)稱，而且在第二象限為正 (運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài) )，在第三象限為負(fù) (運(yùn)行于制動(dòng)狀態(tài) )。 對(duì)于凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩 /電流軌跡是關(guān)于 d 軸對(duì)稱的一條曲線，且在坐標(biāo)原點(diǎn)處與 q 軸相切，在第二象限和第三項(xiàng)向內(nèi)的漸進(jìn)線均為一條 450 的直線。 永磁同步電動(dòng)電流控制策略 永磁同步電動(dòng)機(jī)用途不同，電動(dòng)機(jī)電流矢量控制策略也各不相同。目前大多小功率的永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)都采用 id=0 的控制方法。 1cos ?? 控制 1cos ?? 控制方法是控制交、直軸電流分量，保持永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)恒為 1 的控制方法。電動(dòng)機(jī)工作于轉(zhuǎn)矩隨定子電流增大而增大的區(qū)間時(shí)，交、直軸電流與電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線如圖 5b)所示。 采用最大轉(zhuǎn)矩 /電流控制時(shí)，電動(dòng)機(jī) 的電流矢量應(yīng)滿足 ?????????????0)(0)(qsemdsemiiTiiT () 把式（ ）和 22 qds iii ?? 帶入上式，可求得 dqdffqdqqdffd LLLLLiLLi)1(2)1(4)(2)(4 2222222????????????????? () 把上式表示為標(biāo)么值，并代入式（ ），可以得到交、直軸電流分量與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為 ???????????))1(412(2)1(*2**3***qqemddemiiTiiT? （ ） 反過來，此時(shí)的定子電流分量 id*和 iq*可表示為 ?????*)(**)(*21emqemd Tfi Tfi () 由式 ()繪出的永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩交、直軸電流間的關(guān)系曲線如圖)所示。在最大轉(zhuǎn)矩 /電流軌跡的 OA 段上，電動(dòng)機(jī)可以以該軌跡上的個(gè)點(diǎn)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，且通過該點(diǎn)的電壓極限橢圓所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速即為在轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)折速度，而交點(diǎn) A 對(duì)應(yīng)于 輸出轉(zhuǎn)矩最大時(shí)的轉(zhuǎn)矩速度。其主要缺點(diǎn)是隨著輸出轉(zhuǎn)矩的增大，功率因數(shù)下降較快。在該控制方法基礎(chǔ)上，還可以方便的加入弱磁控制方法，改善電動(dòng)機(jī)恒功率運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩的性能。根據(jù)電機(jī)學(xué)知識(shí)，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電磁關(guān)系方程如下： ????????????feaaeeICRIUCEnnCE???? () 式中， E——直流電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì) ； Ce——直流電動(dòng)機(jī)電勢(shì)系數(shù) ； Φ——直流電動(dòng)機(jī)每相磁通 ； U——直流電動(dòng)機(jī)定子電壓 ； Ia——直流電動(dòng)機(jī) 電樞電流 ； Ra——直流電動(dòng)機(jī)電樞電阻 ； If——直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流 。永磁同步電動(dòng)機(jī)電壓方程如下式 22 )()( fddqd iLiLu ??? ??? () 從上式可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)端電壓隨轉(zhuǎn)速升高到逆變器能夠輸出的最大電壓之后，若要繼續(xù)升高電機(jī)的速度，永磁同步電機(jī)將無法再作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，而必須采取下述措施之一 (或兼而用之 )，以維持電樞繞組的電勢(shì)平衡，從而獲得一個(gè)新的調(diào)速范圍。 要特別指出的是，盡管這一等效弱磁措施能夠擴(kuò)展電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍之外的調(diào)速范圍 (即弱磁范圍 )，但它以犧牲恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍和輸出轉(zhuǎn)矩為代價(jià)。因此，一般是通過增加直軸去磁電流來實(shí)現(xiàn)弱磁。這時(shí)電機(jī)在理論上可以在任意的高速下進(jìn)行弱磁運(yùn)行，并輸出基本恒定的功率。轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高到 ω2(ω2ω1)時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩 /電流軌跡與電壓極限圓相交于 B 點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為 Tem2(Tem2 Tem1)，若此時(shí)定子電流矢量偏離最大轉(zhuǎn)矩 /電流軌跡，由 B電移至 C 點(diǎn)，則電動(dòng)機(jī)可輸出更大的轉(zhuǎn)矩 Tem1，從而提高了電動(dòng)機(jī)超過轉(zhuǎn)折速度時(shí)的輸出功率。某轉(zhuǎn)速下輸入功率最大時(shí) 定子電流矢量的求解過程如下： 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于某轉(zhuǎn)速 ω 而輸入功率最大時(shí)應(yīng)為 1emT 2emT 恒轉(zhuǎn)矩軌跡 電流極限圓 電壓極限圓 最大轉(zhuǎn)矩 /電流軌跡 A B C O 1? 2? qi di 01 ?ddidP () 由電壓方程可把交軸電流分量表示為 qfddq LiLui 22l i m )()( ?? ??? () 把上式和式（ ）帶入式（ ）并忽略定子電阻，可得電動(dòng)機(jī)輸入最大功率時(shí)的定子直、交軸電壓 ??????????????qddqddfdLiLuiiLi22lim )()( ?? () 式中 ?????????? ?????）（）（101)1(4 )()1(8)(2l i m22??? ??????ddffdiLui () 永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁擴(kuò)速能力的提高 經(jīng)推導(dǎo)得轉(zhuǎn)折速度與凸極率、弱磁率之間的關(guān)系為 ??????????????????)1(11)1(]8)1[()1(161)(11*222???????? ffbCC () 式中， 22)1(811 ???????fC ，其對(duì)應(yīng)的曲線如圖 所示。 定義永磁同步電動(dòng)機(jī)的擴(kuò)速倍 數(shù)為 kξ **m a xm a xbbk ????? ?? () Kξ的具體表達(dá)式為 ????????????????????)1(11)1(1]8)1[()1(161)(1222??????????ff CCk () 顯然，弱磁擴(kuò)速倍數(shù)表示的是永磁同步電動(dòng)機(jī)在空載且不計(jì)電機(jī)各種損耗時(shí)的弱磁擴(kuò)速能力。盡管永磁同步電機(jī)有多種多樣的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，但無論是并聯(lián)永磁路轉(zhuǎn)子還是串聯(lián)永磁路轉(zhuǎn)子，永磁體總是串聯(lián)在直軸磁路中，并占去交軸磁路的部分空間。式 ()是普通永磁同步電機(jī)的固有 特性，是弱磁難的原因。其中永磁段是電機(jī)出力的主要部分，其設(shè)計(jì)思路基本上與傳統(tǒng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)相同 ； 磁阻 段是電機(jī)弱磁的主體部分。在低速時(shí)，電機(jī)電流控制角很小，交軸分量電流很大，直軸分量電流很小。為了抵消永磁磁場(chǎng)，要求高速下電樞反應(yīng)磁場(chǎng)方向與永磁磁場(chǎng)方向相反，則要求電樞電流的 d 軸分量盡可能大，同時(shí)電機(jī)設(shè)計(jì)需保證有大的 Xd，以使得 XdLd 分 量盡可能大 (相對(duì)額定速度下的電機(jī)電樞電流希望 有盡可能大的交軸電流以產(chǎn)生一交軸磁鏈 )，同時(shí)在額定速以下不影響電機(jī)出力。本節(jié)從電動(dòng)機(jī)本身出發(fā)，提出三 種特殊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)，使其更利于弱磁擴(kuò)速。如果永磁體提供正常的勵(lì)磁磁場(chǎng) (由永磁體的性能及定、轉(zhuǎn) 子鐵心飽和磁密決定 )，則額定電流產(chǎn)生的直軸電樞反應(yīng)磁通只能消弱永磁通的極小部分，即弱磁率太低。從如中可以看出，永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁擴(kuò)速能力隨弱磁率的增加而提高，如果同時(shí)增加電動(dòng)機(jī)的凸極率，則弱磁擴(kuò)速能力會(huì)有更明顯的提高。凸極率、弱磁率越大，轉(zhuǎn)折速度越低。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于某一轉(zhuǎn)速 ω 時(shí)，由電壓方程可得到弱磁控制時(shí)電流矢量軌跡 22l i m )()( dddfd iLuLi ??? ???? () 由電壓方程（ ）可以得出轉(zhuǎn)速的表達(dá)式 22l i m)()( qqddf iLiLpu???? ?