电动汽车用永磁同步电动机弱磁研究综述

朱永彬 林 珍

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350116）

随着世界范围内资源、能源及环境问题日益凸显，电动汽车以其较高的能量利用率和环境友好性逐渐取代传统能源汽车，带来整个行业的变革。因此近年来，电动汽车的研发与推广应用受到越来越多国家的重视[1]。

驱动电机及其控制系统作为电动汽车的关键部件，对整车性能优劣起决定性作用。稀土永磁同步电机（PMSM）自20世纪80年代面世以来，以其转矩密度高、效率及功率因数高、结构和尺寸灵活多样等优点，广受推广应用。随着电力电子器件及变频技术的发展，永磁同步电动机优越的调速性能更加明显，因而在包括电动汽车在内的多种领域得到更加广泛的应用。由于电动汽车具有频繁启停、负荷爬坡、频繁加减速等复杂循环工况，要求其驱动系统不仅具有高功率、高转矩密度，还要求有一个较宽的调速范围，以满足各种工况[2]。

电动汽车用PMSM转子由稀土永磁体励磁，由于励磁磁场不可调节，同时受直流母线电压及逆变器容量限制，在系统超过额定功率后，随着转速上升，输出功率将下降，若不采用弱磁扩速，则无法运行到较高的转速。因此，如何进行弱磁控制以尽可能扩大汽车用永磁电动机的调速范围，成为国内外学者关注的热点[1-3]。

1 永磁同步电动机结构模型及弱磁原理

依转子永磁体安装位置不同，车用永磁同步电动机可分为表贴式和内置式两种。表贴式永磁电动机永磁体位于转子表面，由于永磁体磁导率接近空气，PMSM工作气隙相对均匀，等效气隙较大，直轴电抗小，无磁阻转矩，不适合弱磁控制。内置式永磁电动机永磁体位于转子内部，其直、交轴磁路不对称，由此产生的磁阻转矩可提高电动机过载能力及转矩、功率密度，且同功率密度下电动机直轴电感较表贴式大，这就为弱磁扩速带来优势。

内置式永磁同步电动机dq轴数学模型如下。

电压方程

电磁转矩方程

由逆变器电压电流约束条件为

电动机运行时有电压平衡方程式

式中，ω为电动机角速度，R1为定子绕组相电阻。

忽略R1，则恒转矩运行时能获得的最高转速为

式中，γ为电流超前角，is为逆变器输出电流。电流直交轴分量随γ变化如图1所示。

图1 电流直交轴分量随γ 变化

随着γ的增大，直轴分量逐渐增大。当γ增大到 90°时，is最终将全部转化为直轴电流，此时可获得的理想最高转速为

从式（6）可以看出，当转速随端电压升高到基准额定转速时，逆变器输出电压达到极限，在此之前电动机为恒转矩运行。若要继续提高转速，必须采用弱磁控制。而当逆变器端电压U和输出电流is达最大值后，由于id和iq受到is幅值的限制，电动机的弱磁性能也将受到限制。如何从电机本体设计着手，通过优化电动机参数和转子磁路结构，使电动机获得良好的扩速性能，成为问题的关键[4-5]。

2 新型结构永磁同步电动机弱磁研究现状

实际上，传统结构的永磁同步电动机，无论采取何种转子结构，其永磁体总是串联在电动机的直轴磁路上，等效气隙较大，采取参数优化所获得的直轴电抗依然较小，在正常的电枢电压下，即使电流为纯直轴电流，弱磁效果依然差强人意；而永磁体在弱磁控制时面临的退磁风险，也制约着电动机扩速性能的提高。因而近年来各国学者们一直在研究新的特种结构电动机，以满足更多更广场合弱磁扩速的需要。下文从几种不同弱磁手段，介绍多种新型结构永磁同步电动机。

2.1 改变转子结构使磁通可控

传统永磁电动机通常采用单一永磁体励磁，其直轴电感较小，弱磁扩速时id幅值需要很大，才能产生足够的直轴去磁磁动势，这就增大了定子绕组损耗；而由于逆变器输出容量限制，id不可能无限增大，导致弱磁能力往往不理想。为此，采用两种永磁体构成混合式转子磁路结构，通过控制辅助永磁体充磁方向，使气隙永磁磁通可控，成为一种思路。天津大学陈益广教授运用这种方法，提出了一种内置混合式磁通可控永磁同步电动机，其结构如图2所示[7-8]。

图2 混合式转子磁通可控电动机

该电动机在转子永磁体槽内同时放置钕铁硼和铝镍钴两种永磁体，由于铝镍钴永磁的剩磁密度很高而矫顽力较低，通过控制直轴电流矢量脉冲的方向和幅值可以控制铝镍钴永磁的磁化方向和强度；而钕铁硼的剩磁和矫顽力都很高，其充磁方向不会随id脉冲方向改变。气隙中永磁磁通主要由钕铁硼提供，其磁化方向长度决定着气隙永磁磁场的强弱，也即决定着电动机的低速性能。施加正向id脉冲时，铝镍钴与钕铁硼磁化方向一致，此时为助磁作用。施加反向id脉冲时，不同的id幅值决定铝镍钴被反向磁化的强弱，也即决定了铝镍钴将钕铁硼产生的磁通在转子内旁路的数量不同，这就使得气隙永磁磁通变得可控，达到弱磁控制的目的。

另一思路指出，虽然单一永磁体励磁时，转子向电枢绕组提供的永磁磁通难以调节，但若能通过增加一段转子，向定子绕组提供反向磁通，其最终效果也是弱磁。因而学者们提出复合转子结构电动机并进行了研究，其中为电动汽车驱动而设计的永磁加磁阻的复合转子是一种可行性较高的方式，其结构如图3所示[9]。

图3 复合式转子结构

奥地利学者W. Muhlegger较早提出这种结构转子并对此作了深入研究，这种复合式转子结构由一个永磁段和一个磁阻段构成，两段转子的直轴方向一致，并使二者之间有一定的间隙，以减少漏磁。这种转子结构可以使电动机直轴电感较大，利于弱磁，但由于增加了磁阻段，电动机转矩、功率密度不可避免地降低，且高速运行时铁耗较大。

2.2 改变磁通路径弱磁

传统弱磁方法利用直轴电流产生的去磁磁动势进行弱磁，永磁体面临不可逆退磁的风险，电动机性能可能遭到永久性破坏[10-11]。

由式（6）可知，增大直轴电感，可以获得更高的转速。为尽可能增大内置式永磁同步电动机的直轴电感，以增强其弱磁能力，有学者提出将转子内永磁体分段放置的思想。文献[12]中Rukmi Dutta，M. F. Rahman等人提出一种电动机径向磁路分段的转子结构，如图4所示。

图4 转子永磁体分段结构

该电动机利用隔磁磁桥将永磁体分为三段。传统结构的内置式永磁电动机，永磁体整体串联在直轴磁路中，其直轴磁路大部为铁心，磁通经铁心穿过永磁体，使得磁路饱和程度较高，直轴电感相对较小。通过隔磁磁桥将永磁体分为三段，使原磁通路径被切断，饱和程度降低，增大了直轴电感。经过实际样机试验对比分析可知，该电动机弱磁范围为 600～6000r/min，表明分段永磁体结构具有优秀的弱磁能力。

文献[13]提出了一种新型永磁同步电动机，如图5所示。不同于传统电动机，该电动机在永磁体外层再增加一层铁心，并利用隔磁磁桥，将外层铁心分为8段，A、B、C、D均位于交轴位置上，另外四段覆盖在永磁体上。

图5 通过改变磁通路径弱磁

当恒功率运行时，电枢绕组中通以直轴电流，电枢反应磁场通过永磁体表面的铁心，再由A、B、C、D四块软铁各自形成通路。这样利用直轴电流改变磁通路径，减少了从永磁体到电枢的磁通，而通过永磁体本身的磁通并没有变化，这不仅增强了电动机的弱磁能力，也可避免永磁体发生不可逆退磁。

2.3 采用多段转子磁场相互抵消弱磁

在对电动机齿槽效应研究的过程中发现，采用转子斜极，可以削弱电动机齿槽转矩。受此试验结果的启发，有学者提出将电动机转子分段，调节各段转子之间的夹角，便可控制通过电枢绕组中的永磁磁通，从而实现弱磁的目的[14-17]。

文献[18]提出一种两段转子结构电动机，如图6所示。以各段转子磁极直轴夹角为基准度量转子之间的相对位置，当两段转子夹角为 0°时，它们的磁通完全一致，叠加后使气隙磁场最大。调节直轴夹角，使两段转子的磁场出现相位差，其共同作用的磁场将会减少，这就达到了弱磁控制的目的。

图6 转子分段结构电动机

该电动机的技术难点主要集中于如何在电动机运行的过程中调节转子段之间的夹角，关于调节机构的设计，学者们也做了相关研究。文献[15]中提出一种螺旋调节机构，如图7所示，该机构在调节转子之间夹角的同时，还可以调节转子与定子相对位置，改变定转子耦合面积，从而使弱磁能力得到提高[17]。

图7 转子分段结构螺旋调节装置

2.4 改变励磁回路磁阻弱磁

电动机在旋转过程中不可避免产生离心力，且离心力随转速上升而增大。利用这个离心力，控制电动机结构随转速变化，就可以控制气隙磁场，实现弱磁。

比较有代表性的是哈尔滨工业大学窛宝泉等人提出的利用离心力动态调节磁路磁阻的8极切向转子磁路结构电动机[19-20]，其结构如图8所示，在同一永磁体槽中，槽最外侧为位置固定的副永磁体，主永磁体初始位置在槽内靠近转子轭的部位，且可在槽内滑动。如图所示在转子永磁体槽靠近副永磁体一端的外侧，放置倒三角形的非导磁材料。

图8 动态调节磁路转子结构

基速以下运行时，离心力较小，主永磁体位于图中初始位置，此时转子励磁磁路不通过非导磁材料，气隙磁通较大。随着转速上升超过基速，离心力逐渐增大，主永磁体开始沿槽向外侧移动，磁路同时向外侧移动，由于非导磁材料的存在，磁路磁阻增大，气隙磁场减弱，实现弱磁。

除以上各种弱磁方法以外，学者们受电励磁同步电动机控制励磁电流调节磁场的启发，还提出将永磁同步电动机加装励磁绕组进行调磁，形成混合励磁同步电动机，可集电励磁电动机和永磁同步电动机的优点于一身，实现高转矩、功率密度，宽调速范围，适宜做电动汽车驱动电动机。

3 电动机参数对弱磁运行性能的影响

3.1 凸极率ρ 对电动机弱磁恒功率性能的影响

调速永磁同步电动机高速区恒功率性能一直是国内外学者研究的重点。当其转速达到基速时，逆变器输出电压已达极限，若转速继续升高，反电势随之增大。若反电势超过端电压，逆变器将无法向电动机输入能量，若无应对措施，电动机在进入高速区后输出功率将迅速下降，无法保持恒功率运行。如何使PMSM能运行到较高的转速而又不降低低速区输出转矩和高速区输出功率，成为问题的关键。

凸极率ρ=Lq/Ld是影响电动机运行性能的一个重要因素，在保持定子不变的情况下，提高Laq与Laq之比，可以提高功率因数，进而提高效率[6]。当凸极率ρ≠1时，电动机具有磁阻转矩，但大于1和小于1的选择，对电动机性能有较大影响。实际应用结果表明，虽然Ld＞Lq电动机在弱磁区比Lq＞Ld结构有略高的输出转矩，但其恒转矩区性能却明显劣于Lq＞Ld结构，故在恒功率运行性能相近时，ρ＞1电动机具有明显的优势。

文献[21]着重研究了不同凸极率电动机的恒转矩运行和弱磁扩速运行时的输出功率特性，并通过仿真实验得出电动机在不同凸极率时，电动机的转速—转矩、转速—功率曲线，如图 9（a）、（b）所示，与图中曲线对应不同Ld、Lq取值情况见表1。

图9 不同凸极率下的转矩和功率曲线

表1 Ld、Lq取值情况

对比#1到#3曲线可知，随Ld、Lq增大，恒转矩区输出转矩略有增大，但恒转矩运行范围也变窄；而由#3和#6曲线可以看出，在恒功率运行性能相近的情况下，凸极率提高时，恒转矩性能有了很大的提高。由#2和#5曲线可知，无论凸极率如何取，使永磁磁链Ψf和直轴电感Ld标幺值相等，在弱磁高速运行时，都能保持电动机输出功率恒定而不迅速降低，并保持一个较大的扩速范围。可见，电动机Ld、Lq选取的最优原则应该是Ld取大但又要接近Ψf。但Lq＞Ld的电动机在恒转矩区具有更好的运行性能，它的输出转矩和功率均比Ld＞Lq的电动机高出很多，故而更适合恒转矩区负载大，调速范围也较大的场合。

3.2 转子结构参数对电动机弱磁扩速的影响

不同的转子磁路结构，直交轴电感等参数不同，从而影响电动机的运行性能。作为电动汽车驱动用电动机，为增大转矩密度，应增加其永磁体用量，而径向永磁体结构无法充分利用转子内空间，显然是不合适的，因此多采用U型及V型转子。清华大学许家群等以轻型客车用7.5kW PMSM为例，运用有限元方法，分析了转子磁路结构对驱动电动机性能的影响，指出电动汽车驱动用PMSM的永磁体结构应综合考虑电动机的弱磁能力、抗退磁能力、机械强度以及对磁阻转矩的利用等方面[22]。其实验主要对瓦片型和U型转子结构进行分析，转子结构对比如图10所示。

图10 电动汽车用PMSM转子结构类型

由理论分析可知：直轴电感Ld的大小直接决定着电动机的弱磁调速能力，仿真中将转子d轴与定子A相绕组轴线重合后可加载最大直轴电流。实验表明U型结构转子最大直轴电流时的电感是瓦片型结构的1.18倍，具有更强的弱磁能力。在相同的直轴去磁磁动势下，前者使气息磁密减少了 62.1%，而后者只减少了 46.5%，故而在获得相同的弱磁性能时，U型结构只需更低的直轴电流，这就意味着有更大的交轴电流以提供有功功率；最大交轴电流时，U型转子结构电动机同样比瓦片型转子结构电动机具有更大的交轴电感。此外，U型结构具有更大的永磁体摆放空间，有利于设计较大的漏磁系数，利于弱磁，在抗退磁能力方面，两种结构的电动机相近。可见，U型转子结构比瓦片型转子结构电动机具有更好的弱磁性能。

由前文及电动机理想最高转速式（5）可知，电动机的弱磁扩速能力与永磁磁链Ψf及直轴电感Ld直接相关。同时，气隙长度δ、永磁体充磁方向长度hM、空载漏磁系数δ0参数及转子磁极结构的选择，均对电动机的直交轴电感Ld、Lq有着较大的影响。为探索这些参数对电动机弱磁能力的影响，对电动机进行优化，提高电动机的扩速范围，学者们也作了相应的研究。

一般情况下随气隙长度δ的增加，直交轴电感有所减少。随永磁体充磁方向长度hM的增加，直轴电枢反应电抗Xad减少，且气隙长度δ对Xad的影响逐渐减少；而气隙长度δ对Xaq的影响比对Xad的影响要大。故而内置式PMSM气隙长度不宜过大，否则导致直轴电感较小而弱磁能力不足，电动机调速范围窄。文献[23]指出，当气隙和隔磁磁桥长度适当增大时，空载漏磁系数增大，利于弱磁扩速。电机设计时，为尽可能获取较大的直轴电感，应选择合理的气隙长度和永磁体磁化方向长度，使直轴电感和漏磁系数合理配合，获得良好的扩速性能。

3.3 电机参数误差对电动机弱磁性能的影响

在进行弱磁控制的过程中，若控制算法使用的电动机参数与实际参数之间存在误差，对电动机弱磁能力的实现有较为明显的影响。浙江大学陈阳生、诸自强，英国谢菲尔德大学D. Howe等人，结合电动机控制策略，以一台6极无刷直流电动机为例，研究了反电势E（永磁磁链Ψf）、直交轴电感Ld和Lq定子绕组电阻R1、直流母线电压Udc等对永磁同步电动机弱磁性能的影响[24]。在高速区弱磁运行状态，控制算法所用反电势值E等于或稍大于测量的实际值时，电动机实际直交轴电流id和iq可以精确地跟踪控制器指令电流。而前者低于后者时，电流误差显著增大，且基值转速有所增大，恒功率调速范围增大，但输出转矩略有减少。弱磁运行状态下，运用于控制算法的Ld较实际值低时，其弱磁能力迅速下降，但q轴电感的参数误差对弱磁能力的影响则不太明显。

4 采用控制算法进行弱磁

随着永磁同步电动机矢量控制和直接转矩控制方法的日渐成熟，除优化电动机结构和磁路设计外，还可以从控制策略入手，通过合适的控制算法，实现永磁同步电动机的弱磁控制，以下将介绍几种较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电流中的直轴去磁分量id以实现弱磁。由图 1中电流向量图可知，γ为电流超前角，id=issinγ，iq=iscosγ，恒转矩运行时使γ为0。进入弱磁区后，控制γ增大，id随之增大，实现弱磁。实际运行中，γ的输入由PI调节器给定。

针对传统超前角控制方法在电动机由恒转矩运行向弱磁运行过渡时，产生d、q轴电流振荡，进而导致速度滑坡，文献[25]提出一种改进型超前角弱磁控制算法。该方法采用一种运算量较小的SVPWM过调制算法，以零电压矢量作用时间T0是否小于零作为过调制起始点的依据，在逆变器直流侧电压不变的前提下增大其交流电压输出，提高电压输出能力，改善动态性能；而针对弱磁区稳态运行时制定子输入电压，导致输出功率下降，文献提出采用q轴电流误差闭环来代替电压闭环的方法，在弱磁区将 q轴电流误差Δiq输入PI调节器生成超前角γ，并由此计算出新的id、iq，在运行时，需注意限制id使其小于电动机最大去磁电流。

4.2 电流调节器法

传统的电流调节器算法基于磁场定向，包含两个电流调节器，即一个交轴电流调节器和一个直轴电流调节器，电流调机器包含电压补偿环节和前馈解耦环节，控制过程中，交轴电流取决于角频率给定值和实际值之间的差值，定子电流由最大转矩电流比控制方案决定。式（7）为 PMSM 交轴电压方程。由方程可知，在弱磁状态下的某一转速ωr运行时，uq受ulim限制，id、iq相互耦合，无法独立控制。由于电压限制，随着电动机转速的上升，电流调节器逐渐饱和，id系数（斜率）绝对值变大，直交轴间的耦合逐渐加强，导致控制效果变差。

为解决这个问题，学者们转而利用这种耦合作用，提出单电流调节器弱磁控制，即仅控制直轴电流，完成弱磁控制。比较具有代表性的是电流耦合调节定交轴电压（CCR-FQV）和改进后的电流耦合调节变交轴电压（CCR-VQV），前者固定交轴电压指令，但无法充分利用直流侧电压，效率和负载能力下降，调速范围也变窄；后者随电动机工况改变交轴电压指令，但其鲁棒性较差。

针对以上两种控制方法所出现的问题，文献[26]提出一种改进的CCR-VQV方法。当电动机工作在弱磁状态下某一转速rω的最优工作点时，其交直轴电压必然满足电压极限公式，从而其交轴电压指令可由式（8）给定。

如此在电动机弱磁运行时，交直轴电流可以同时满足式（2）、式（3）、式（7），工作点时钟被固定在电压极限椭圆上，使直流侧电压得到充分利用。同时该方法具有鲁棒性强，无需查表，便于移植的特点。

4.3 前馈弱磁

针对恒转矩区向弱磁区转换时产生的直交轴电流振荡、转速、输出功率滑坡，Thomas. M. J[27]提出前馈弱磁方案。文献[28]提出通过电流解耦控制和给定电压补偿的方法对电动机进行控制，能够在直流母线电压、电动机转速及负载变化较大的情况下实现向弱磁区的切换，但该方法对电动机参数的依赖性较高。

文献[29]提出一种基于前馈控制的弱磁控制策略，将直、交轴电流随转矩及定子磁链的变化关系制成表格，在电动机运行过程中，根据转矩及定子磁链的参考值通过实时查表得出电动机直、交轴电流给定值；同时针对运行过程中电动机参数的漂移问题，在前馈控制基础上叠加基于输出电压的闭环控制。实验表明，该方法具有较快的动态响应速度，可以满足系统要求。

4.4 过调制方法

过调制算法根据零电压矢量的作用时间判断过调制的起点，查表确定调制比，实现SVPWM过调制算法。文献[30]将电压闭环控制运用到过调制算法中，提高了母线电压利用率，同时也提高了转折速度和弱磁区的输出转矩和输出功率，尽可能挖掘电动机输出潜力。

4.5 六步电压法

文献[31]还提出六步电压法，属于较早起的弱磁方法，通过调节电动机的功角来调节电动机的输出转矩，实现了对直流母线电压的最大利用，但是这种方法需要估算定子磁链，且对电动机参数和负载条件较为敏感，鲁棒性较差。

5 结论

作为电动汽车牵引电机，必须具有转矩、功率密度大、调速范围宽、系统效率高、适应环境能力强、电磁兼容性好等特点，此外还需考虑电动机的制作成本和使用寿命等。

本文从电机本体结构和控制策略两方面综述了近年来永磁同步电动机弱磁性能的研究发展状况。电机结构的创新，虽然一定程度上提高了电动机的弱磁运行能力，但其结构的复杂为控制带来困难；而当前各种控制算法中也存在诸如对电机参数的依赖性、计算转矩输出需要知道功角、需要估算定子磁链等问题。如何从本体结构和控制策略两方面结合，寻找既适于弱磁运行，又易于进行弱磁控制的电动机成为未来研究的重点方向。本文介绍的新型结构电动机的各种弱磁思想，为后续的电动汽车用的永磁同步电动机研究提供思路，读者可综合考虑自身实际运用场合及性能要求，采取适宜的结构实现弱磁。

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