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1、设计研究永磁同步电动机在混合动力汽车上的应用张金柱(黑龙江工程学院)【摘要】介绍了应用于混合动力汽车上的永磁同步电动机的结构、工作原理、控制方法。并较详细介绍永磁同步电动机在丰田prius轿车上的应用。【主题词】同步电动机混合动力汽车永磁电动机目前是车用电动机的主流,一般可分为永磁直流有刷电动机与永磁无刷电动机,1永磁同步电动机的结构两者的主要差别在于永磁放置的位置。永磁式直流有刷电动机是将永磁放于不转动的定子上并在永磁同步电动机的结构如图1所示,分为定转子上安置线圈,因此须经碳刷与换向片将电流子、转子与转子磁场位置检
2、测机构等三部份。传递至转子上。此结构的优点是以机械接触的方式使电动机随时处于最大转矩的输出条件,缺点是碳刷、换向片间的磨损与转子线圈散热不易等因素,限制电动机在高速、大电流状况下的应用。此类电动机在车辆应用多集中在3000r/min与数百瓦的输出功率以下的装置。永磁无刷电动机则将永磁放在转子上并使用其它感测组件以达到类似碳刷、换向片的功能,其优点为散热容易且无碳刷磨损,因此摆脱高速与大功率化的限制,唯一需注意的是如何选配适合图1永磁同步电机示意图的换相感测组件与其安装位置,因为该类电动机1.1定子需要匹配专用的驱动电路
3、与换相感测组件。目前定子部分是由线圈与散热机构组成,由于车载在混合动力汽车的应用越来越多,例如丰田与本产品有空间的限制与较高燃料使用效率的要求,因田混合动力汽车采用此类电动机,瞬间输出功率此在同样的输出功率下可由较高效率或以较佳的达到数十千瓦与最高转速需求在5000r/min以上。散热方式来缩小体积。以永磁同步电动机为例,永磁无刷电动机若以120°的方式驱动则称为85%以上的损失为铜损与铁损且发生在定子部分,无刷直流电动机;若使用180°的方式驱动,此时流若磁场安置得当则损失大部份会来自铜损。入电动机的电流接近弦波,因
4、此称为永磁同步电1.2转子动机。由于这两种电动机都隶属于交流同步电动转子根据永磁的植入方式,可区分为内置磁机且于混合汽车中皆有使用,因此在文中统称为铁与表面贴磁,见图2。由于内置磁铁具有可承受永磁同步电动机。较高的振动,高速时磁铁不易飞脱等优点,因此较收稿日期:2005-03-10·32·上海汽车2005106设计研究极位置信息,目前在纺纤业中使用相当多,而驱动器可经变频器作适当的修改后即可使用。2.2磁场正交控制在转子磁场正交处投入定子线圈产生的磁场(此位置磁场称为q轴),由电动机的原理得知此时电动机的转矩是最大的,
5、因此,控制的重点是找出转子磁场的位置,一般多在电动机转子上安置传感组件作为磁场位置检测用。此种方法的优点图2各种转子贴磁方式及其d/q轴磁场方向类似直流电动机。内置磁铁的电动机控制原理基本上类似磁场适合于车辆使用,若是扩展永磁同步电动机的定正交控制,但为了高速使用会在定子线圈加入与功率操作区间,则需适当设计q轴电感与d轴电转子磁场反向的d轴电流成份作为弱磁控制(目感的比值及解决q轴电感的饱和。的在于降低电动机反电动势)。若未安装转子磁对于使用永磁的电动机,应该考虑环境对于场位置感测组件,利用电动机反电动势来执行磁磁性的
6、影响以确保产品的稳定性。一般影响磁铁场正交控制。磁场正交控制基本上又可区分为磁性因素约有下列几点:120°与180°的控制方法,此两种方法都是由三臂(1)老化:磁铁经过充磁后会随时间产生缓(每臂有上下两只功率晶体管串接而成)的功率晶慢的磁力衰退现象,以钕铁硼(NdFeB)磁铁为例,体组合成推动电动机的功率级,依据三臂的上下其抗磁力10年后约会衰减0.2%。臂导通顺序分别对电动机三相线圈供电而形成旋(2)温度效应:当永磁置于高温一段时间后,转磁场。另外,需特别注意120°只能用于定子线磁铁会产生材质组织变化而影响磁铁充磁
7、后的特圈为Y型接之电动机。性。(3)外在磁场影响:最常出现的是驱动器异常3永磁同步电动机在丰田Prius轿或是弱磁不当,对已充磁的磁铁形成局部或不可车上的应用逆的磁性退磁。1.3转子位置检测机构丰田公司于1997年开始销售混合动力的Pri2由于永磁同步电动机需要转子磁场位置的信us汽车,它是世界上第一款大批量生产的商业用息,以便在最佳的位置引入定子电流,形成所需的途的混合动力车型。丰田混合动力汽车的动力中磁场,由此可得到最佳转矩或输出最大效率。常枢是混合动力系统(THS),它使用汽油机和电动见的检测机构分别为编码器、霍
8、尔感测组件与旋机两种动力,通过串联与并联相结合的方式进行转变压器等3类,由于后两者对环境变动有较好工作,达到了低排放的效果。2003年,丰田公司又的适应性,因此较适合于汽车使用。推出了采用THSⅡ系统的新一代Prius汽车,使混2永磁同步电动机的控制方法合动力车的发展向前迈进了一大步。THS与THSⅡ之间的主要差别见表1。2.1同
