电动汽车电动机的结构与控制策略

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电动汽车电动机的结构与控制策略

由于能源、环境问题和社会的高度关注，电动汽车的发明被认为是个人和城市交通的有前途和有效的交通工具。由于电池的寿命有限，通常可以通过减小汽车电机的体积来实现能量效率优化。

电机是纯电动汽车动力系统中最重要的部件之一。电机应满足许多性能要求，如最大功率和转矩密度、高效率、最小体积和重量、过载能力、控制能力、低成本、低振动和噪音和高可靠性等。电机和电池包性能直接反映在车辆性能上，即加速时间、最高速度、车辆动态特性、车辆行驶舒适度和车辆充电后的续驶里程。

不同类型的三相电机能够按整车技术要求执行完美驱动运行。大型汽车公司已经开发出了自己独创的电机结构，并通过一系列的改进设计来保持电机性能和牵引技术竞争优势。

电机的结构和生产技术是相互关联的，且控制策略与电动汽车的性能密切相关。下面将进行简单的介绍。

1电动汽车电机的结构研究[1]

回顾当今制造的电池电动车辆（BEV）中的牵引电机设计，可以看出，根据领先的设计者开发了很多不同系列电机。对BEV的产生重大影响的一个基本因素就是电池技术的进步。电动汽车牵引电机的发展与整个BEV演变密切相关。

所有混合动力车和大多数全电动车都采用大型内部永磁同步电机和稀土磁铁（剩余磁通密度高达1.4下运行的关键部件。这对于在大量的应用中使用T）。重稀土元素镝是允许NdFeB磁体在较高温度PM非常重要，例如牵引电机。由于它们具有非常高的磁能，稀土磁体产生强磁场，从而导致更小的电机体积。稀土永磁同步电机的能量转换效率最高，它们具有最大的功率密度和最高的峰值效率。稀土永磁同步电动机具有许多优点—高功率和转矩密度、高效率和功率因数、尺寸小和重量轻。此外，具有高磁阻转矩的电动机设计有助于在弱磁场中的运转。

在最受欢迎的纯电动轿车ModelS-P90D版本中，特斯拉采用双电机驱动系统。与传统的单电机驱动相比，双电机汽车中的全轮驱动系统是一种明显的改

进。后部电机可以进行加速调节，而前置电机可以进行调整，以实现高效的公路巡航。电池组、电动机和道路的状态变化很大。组合的电机轴功率通常超过电池电功率。全轮驱动系统响应于车辆中的一般条件和载荷传递将可用电力分配给电机。

不同类型的牵引电机具有各自的优点。稀土永磁电机以更高的成本提供更好的性能，而感应电机以更低的价格提供适中的性能。永磁电机更适合在低速和中速范围内的强大负载，而感应电机可能在更高的速度下占主导地位，其效率相当甚至更好。电励磁同步电动机也具有良好的特性，但功率密度较低。稀土永磁同步电机在现代电池电动汽车驱动中占主导地位。然而，对于成本、性能和可靠性方面的评价时，铜转子感应电机是电动车永磁电机的强有力的替代品。作者提供的海平斯槽部铜损见图1。

图1

海平斯槽部铜损图（ChevySparkEV）

[1]

2采用开关定子技术的电机结构[2]

2.1

主要目的和主要原理

电动汽车的核心是其能源利用，车辆的总体性能取决于能源的利用效率。这种电机主要目的是使电动汽车能够克服其速度、负载和续驶里程限制，提高电池的能量效率，从而提高整车的能源利用率，有助于降低负载电流、电池功率和能量。

与开关定子RaviKumarBLDC提出了一种新的电动车传动系配置

电机（SS_BLDC）。两个定子采用不同扭矩/反电动势常数的独立三相绕组。内定子设计有扭矩常数，以满足车辆的正常运行，外定子设计有扭矩常数，以满足高加速和减速要求。2个功率逆变器用于根据控制算法独立为定子供电。车辆所需的速度输入到设备。加速度来自输入速度要求，是在两

汽车文摘

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个定子之间切换的决策参数。当加速度大于设定值时，具有较高转矩常数的外定子被激活，保持另一个定子处于停用状态，如果加速度小于设定值，则内定子处于被激活模式，保持外定子停用状态。两个定子之间的切换是通过固态开关完成的。2.2

结论

所提议的开关定子BLDC电机用于电动车辆以提高车辆的能量效率。该电机设计与传统配置相比，电池消耗的功率和能量较少，被认为是用于电动车辆节能的较好的设计。

3可变磁通电机的新结构[3]

3.1

主要目的和主要原理

电机需要更高的输出和更宽的输出范围。同时，由于环境能量问题，特别强调实现更高的效率。对于需要续驶里程长的电动车（EV）等应用，要求电机在整个输出范围内以高效率驱动。可调节电动机的磁场磁通强度的可变磁通电动机（VMFM）可以有效解决以上问题。

图2电机转子结构[3]

一种VMFM的设计和制造，是通过使用致动器相对转子中心沿轴向分成三个部分来实现磁场通量的机械调节，可以同时满足高输出和高效率(图2)。可以实现分开的转子中心磁极的相对旋转。当三个转子的N极和S极分别在一条线上对齐时，来自转子的磁通量最强（最大磁场通量状态）。另一方面，当不同的磁极对准时，磁通量在转子内部被短切，因为N极靴与S极靴对齐。结果，从转子到定子的磁通量变得最弱（最小磁场通量状态），并且定子中产生的铁损减少。此外，快捷磁通量基本上不变，因此转子中不会发生铁损。因此，电机的铁损减少了。当转子中心磁极相对于轴的相对旋转的角度被称为相对角度时，切割相对角度的磁通量也会改变。感应电压大小与最大磁场通量状态的比率被称为磁场通量率时，而且当不需要高输出时，可以通过将磁场通量率降低到任意值来减少铁损。

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2019年第2期

3.2结论

实现更高输出和高效驱动的VMFM，其中心磁极

可以通过致动器旋转。评估电动机特性和控制。在这些特性中，可以任意改变感应电压，并且在满足转矩要求的情况下，可以实现足够低的空载损耗。通过驱动所提出的VMFM通过映射控制确认可以在更宽的范围内控制矢量控制相位角，并且同时执行驱动甚至改变磁场磁通的强度。还证实，通过将电流值、相位角和磁场通量率调节到适当的值，可以在原型电动机中实现更宽的输出范围内的更高效率。

4永磁同步电动机的高效磁通弱化控制策略[4]

4.1

主要目的和主要原理

永磁同步电动机广泛应用于轻型电动汽车中。理想情况下，在永磁同步电机中，气隙磁通密度分布和由永磁材料提供的定子绕组中产生的电压的特征形成正弦波形。在保持逆变器电压的同时，在弱磁通区域中，已经提出了各种控制算法以获得期望的转矩—速度性能。通过相应的最佳直流母线电压以及最大输入电压和额定转矩，机器可以达到极速的速度。超过这个速度，感应的电动势将超过最大施加电压，这反过来使机器的相电流变得不切实际。为了克服这种情况，通过削弱气隙磁通链路，感应电动势必须小于施加的电压。相互气隙磁链是转子和定子磁链的产物。这个所提出的弱磁控制过程类似于通常在单独激励的直流电机中完成的弱磁通技术。

在该提议的工作中，结合了速度控制的PMSM驱动系统，用于建立弱磁通操作。为简单起见，基本扭矩控制的PMSM驱动器被认为可用于所提出的机器的速度调节的速度外部控制回路。在图3中示出所提出的速度受控驱动系统的系统框图。所提出的框图中的虚线部分表示矢量控制器部分。矢量控制有时也称为解耦控制或磁场定向控制。通过在PMSM驱动中建立矢量控制，通过定子激励输入获得磁通和转矩的独立控制。

图3速度控制PMSM驱动器的系统框图[4]

4.2结论与展望

建立了在恒转矩角区域内的速度控制PMSM驱

动器的有效弱通量减弱运转。为了在弱磁期间实现驱动系统的所期望的性能，减小操作扭矩参考以保持气隙功率恒定。在这个所提出的策略中，通过并入信号调节电路和速度控制器输出来维持电磁转矩的大小。在轻型电动汽车中，由于重量更轻、功率密度更高、转矩—速度曲线稳定、效率高、控制电路简单等优点，这种弱磁控制技术是高效和有利的。未来可以对所提出概念进一步扩大研究，可以在实时环境中实现并达到预期目标。

5无刷直流电动机驱动控制策略[5]

5.1

主要目的和主要原理

因为电机扭矩和速度可以快速准确地生成和控制。开发的底盘控制系统需要精确的机械建模。这些机械参数需要与各个子系统/组件同步，以提供车辆稳定性和控制(见图4)。然而，只有当所有车轮和所有三个方向上的轮胎力都能受到精确的控制时，才能实现最佳的驾驶动态。这种控制水平要求车辆配备各种底盘控制系统，这些系统集成并联网在一起。使用电力电子转换器控制无刷直流电动机驱动器，以便向车轮提供所需的控制动作。

图4电动汽车配置[5]

术。在该控制中，RanjanK.Behera受控信号被限制在参考信号周围的使用闭环控制的滞后控制技

所提供的带隙内。示例如果电机速度低于参考速度以下的某个水平。然后开关关闭，如果速度达到低于参考速度以下的某个水平，则开关打开。在较低调制

指数下，三相单独滞后控制之间缺乏协调可能导致高

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开关频率。该控制器的问题在于当带隙窄时，它会产生高且不受控制的开关频率。下置开关保持接通，而上置操作以限制带内的受控变量。电流控制可以为BLDC制。基于适当的开关状态控制电流，驱动提供所期望的电流限制和快速动态转矩控该开关状态被馈送到VSI。增大和减小电流以限制误差带内的电流误

差，使得相电流波形与参考电流相同。滞后控制技术用于控制BLDC电机驱动。该技术可以提供所需的电流限制和快速动态转矩响应。5.2

结论与展望

制定了有效的控制策略，以改善驾驶动态和道路坡度。施加了扭矩平衡电动汽车并在正常和紧急驾驶操纵期间稳定车辆。模拟不同的驾驶循环并呈现实验结果。但是没有在不同条件下分析系统。对不同条件下系统的进一步分析将是未来的工作。

参考

文献

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onIndustrialElectronicsfor编译：陈琪

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