电动车用低速直驱稀土永磁无刷电机系统

刘建林^{1, 2}，冯垚径¹，曾毅³，杨海²

(1. 湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙，410082；

2. 湖南机电职业技术学院，湖南 长沙，410151；

3. 湘潭电机股份有限公司，湖南 湘潭，411101)

摘要：针对电动车用伺服电机及其控制技术研究现状，提出一种低速直驱式稀土永磁无刷电机系统。该系统选用外转子永磁同步电动机(PMSM)，转子磁路采用表面插入式结构。首先，分析外转子PMSM的结构特征，并对电机电磁方案进行研究；设计1台3 kW、6极的车用外转子PMSM，并完成样机制作及测试；其次，研究PMSM的无位置传感器矢量控制，并结合设计的电机参数，利用MATLAB/Simulink软件对伺服系统进行仿真分析。研究结果表明：外转子PMSM具有效率高、转矩密度大、适合低速运行等特点，可直接驱动电动车辆；采用“磁场有限元分析”结合“等效磁路计算”的方法，有利于提高电机设计分析的准确度；对该电机系统实施的无传感器矢量控制策略，取得了较好的效果；利用滑模观测器能够较准确地估算电机转速和跟踪转子位置，并对负载变化引起的扰动具有较强的鲁棒性。

关键词：低速直驱；外转子；稀土永磁无刷电机；矢量控制

中图分类号：TM315         文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)05-1842-07

Motor system of low-speed direct-drive rare-earth permanent magnet brushless for electric vehicles

LIU Jianlin^{1, 2}, FENG Yaojing¹, ZENG Yi³, YANG Hai²

(1. College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China;

2. Hunan Mechanical & Electrical Polytechnic, Changsha 410151, China;

3. Xiangtan Electrical Machine Co. Ltd., Xiangtan 411101, China)

Abstract: Based on the research status of servo motor and its control technology for electric vehicles, a low-speed direct-drive rare-earth permanent magnet brushless motor system was proposed, which used an outer-rotor permanent magnet synchronous motor (PMSM) with a surface plug-in magnetic structure. Firstly, the main structural features were analyzed and electromagnetic design research was carried out. A 3 kW 6-pole prototype was fabricated and tested when the outer-rotor PMSM for electric vehicles was designed. Then, the sensorless vector control of PMSM was studied, and simulation of the servo system was implemented by using MATLAB/Simulink software based on the designed parameters. The results show that the outer-rotor PMSM has the advantages of high efficiency, high torque density and low speed, which makes it suitable for direct driving in electric vehicles. The design method that combines magnetic field finite element analysis with equivalent magnet circuit calculation can improve the accuracy of the motor design and analysis. The sensorless control strategy used for the PMSM was achieved good effects as the sliding mode observer can accurately estimate the motor speed and track the rotor position. The system has good robustness to the disruption caused by load variation.

Key words: low-speed direct-drive; outer rotor; rare-earth permanent magnet brushless motor; vector control

电动车是一种清洁、节能的绿色交通工具，能够做到“零排放”，在行驶过程中无污染、热辐射低、噪声小、不消耗汽油，受到世界各国的关注^[1-11]。电动及其驱动系统是电动车的核心部件之一，主要分为直流电动机、异步电动机和同步电动机3类调速系统^[1-3]。根据车辆行驶特点，选用电机要求具有起动转矩大、调速范围宽、效率高和功率密度大等特点。近年来，稀土永磁无刷电机以其体积小、性能好、可靠性高、输出转矩大等优点，在电动车驱动系统中得到了越来越广泛的应用，也成为电动车电机的发展方向^[3]。按电机安装位置的不同，分为集中式驱动和轮毂式驱动^[2]。集中式驱动中用电动机替代传统的发动机，动力系统还包括机械式操纵换档装置、离合器、变速器、传动轴、机械差速器和车轮。轮毂式驱动则直接将电动机安装在驱动车轮上，因此，更具结构紧凑、传动效率高、响应快，各驱动车轮独立可控、操作性能高等优点。轮毂式驱动又分为减速驱动和直接驱动。与减速驱动相比，直接驱动省去了减速机构，缩小了车轮轴向尺寸，结构更简单紧凑、效率更高，使用寿命长，车辆行驶和操作的平稳性好^[3-7]。但直接驱动对电机的性能要求也更高，如需更大的转矩、更大的过载能力和更宽的调速范围等^[3]。为此，本文作者提出一种永磁同步伺服电机系统，采用外转子永磁同步电机，具有低速、大转矩等优点，符合直驱式轮毂驱动的要求；伺服系统采用矢量控制，具有良好的调速性能^{[4-5, 12]}。

1  外转子PMSM设计

1.1  电机的基本结构特征

外转子永磁同步电动机的主要部分是内定子和外转子。图1所示为电机整体结构的3/4剖面图。

图1  电机整体结构

Fig.1  Structure of motor

内定子由定子铁心、绕组和主轴等部分组成。定子铁心由冲槽的硅钢片迭压而成。定子槽内嵌放绕组，槽数视绕组相数和极对数而定，并综合考虑电磁和工艺要求，选用合适的槽形。本方案中设计的6极电机为36槽均布，选用平底槽结构。永磁同步电机的定子绕组是实现能量转换的主要部件之一，与感应电机的绕组类似。在本方案中，采用的是三相星形联接的单层链式绕组。

电机轴是外转子电机的主要机械支撑部件，要求具有较高的机械强度和刚度，轴还要为电机的引出线提供引出场所。在本方案中，电机轴的设计如图2所示，在轴的一端钻出一定深度的盲孔，靠近定子绕组端部的轴表面开有一径向孔，与盲孔连通，引出线即可由此沿盲孔引出。

图2  电机轴示意图

Fig.2  Diagram of structure of rotor

外转子是电机中产生磁场的部件，在本方案中主要包括转子铁心、永磁体和端盖。

电动车用电动机通常为变频调速运行，无需起动绕组。由于电动机转速较低，对转子机械强度的要求不是很高，可采用制造工艺相对简单的表面式转子磁路结构，在外转子旋转时，离心力施加于永磁体上使其不容易脱离。车用电动机由于其运行工况的特点，与数控机床类精密伺服系统相比，控制精度要求不是特别高，因此，磁阻转矩的不利影响较小，相反，还可充分利用磁阻转矩来提高电动机的“弱磁”扩速能力，以保证较宽的恒功率运行调速范围和良好的动态性能。所以，本例中采用表面插入式转子结构，如图3所示，在电磁性能上表现凸极性。转子齿截面为楔形，可辅助固定永磁体。永磁体选用具有较大矫顽力、较强抗去磁性能和高磁能积的稀土材料，本方案中采用的是具有优异磁性能的烧结钕铁硼材料。

端盖用螺钉固定在定子铁心上，主要对绕组端部起防护作用。端盖与电机轴通过轴承联接，使得整个外转子与轴之间只存在圆周方向的相对运动。

图3  转子结构

Fig.3  Structure of rotor

1.2  外转子PMSM电磁设计与有限元分析

外转子永磁同步力矩伺服电机的设计思路与内转子式电机的设计思路基本相同。

电机的主要尺寸D_i1²L_ef可根据要求的电磁转矩和选定的电磁负荷由下式得出：

             (1)

式中：T_eN为电动机额定转矩(N·m)；B_δ1为气隙磁密基波幅值(T)；A为定子电负荷有效值(A/m)；D_i1为外转子电机定子外径(mm)；L_ef为外转子电机铁心长(mm)。

定子极距τ₁的表达式为

                   (2)

式中：p为极对数。根据同步电机设计经验选取一定的主要尺寸比L_ef /τ₁，则由式(1)和式(2)可得到电动机的主要尺寸。

从式(1)可以看出：D_i1²L_ef在很大程度上取决于气隙磁密基波幅值B_δ1与定子电负荷有效值A，其中电负荷往往根据设计经验来选取，而磁负荷主要由永磁体尺寸和转子磁路结构决定。

转子永磁体尺寸(宽度b_M，厚度h_M和轴向长度L_M)决定了气隙磁密波形，除影响电动机的运行性能外，还影响电动机中永磁体的空载漏磁系数σ₀，从而决定了永磁体的利用率。永磁体的轴向长度L_M通常与铁心长度L_ef相同，即L_M=L_ef。表面式磁路结构的永磁体宽度和厚度的尺寸可由下式确定：

               (3)

式中：μ_r为永磁材料的相对回复磁导率(H/m)；B_r为永磁材料的计算剩磁密度(T)；B_δ为计算气隙磁通密度(或称为最大气隙磁通密度的有效值)(T)；δ_ef为气隙有效长度(mm)；α_p为永磁磁极的极弧系数。

由于预先估计和近似计算的影响，利用上述公式计算的尺寸往往存在较大误差。例如：为简化计算，设计时一般认为计算极弧系数α_i与永磁磁极的极弧系数α_p近似相等。对于表面式转子磁路结构，α_p为永磁体宽度b_M与极距τ₁之比，则有

               (4)

而实际上，计算极弧系数与极弧系数的近似相等仅存在于永磁体宽度为某一特定值时。随着永磁体宽度的变化，计算极弧系数的变化也很大，因此，不能简单地等同于极弧系数来处理。

为解决设计中的这一问题，可采用有限元法对电机磁场进行分析，获取较精准参数，再结合等效磁路计算进行优化。进行有限元分析时，一般采用矢量磁位来表征磁场强度。通常将电机内部磁场分析简化为二维平面场的分析问题，假设电机内磁场沿轴向均匀分布，硅钢片材料各向同性，且磁场仅限于电动机内部。以本文研究的6极表面式转子磁路的外转子永磁电机为例，图4所示为空载情况下定子和转子处于图示的相对位置时电机内的磁力线分布情况。1对极下的空载气隙磁密波形如图5所示，其横坐标x为沿圆周方向上的距离。

从1个极距τ₁内气隙磁密的分布看，将不均匀分布的气隙磁密径向分量等效为均匀分布的矩形波，高度为最大磁通密度B_δ，宽度为计算极弧系数α_i乘以1个极距，即α_iτ₁，则有

           (5)

得到计算极弧系数：

          (6)

图4  磁力线分布

Fig.4  Distribution of magnetic flux lines

图5  空载气隙磁密波形

Fig.5  Waveform of air gap flux density at no load

其中：B_δav为1个极距内气隙磁密径向分量的平均值。显然，式(6)与式(4)有明显区别。在电机设计时可以采用式(4)进行初步估算，而根据式(6)对电机性能进行进一步分析。

2  外转子PMSM样机与测试

以1台额定功率为3 kW、额定转速为400 r/min的6极车用外转子永磁同步电动机为例，设计得到的基本结构和主要预取尺寸如表1所示。

表1  电动机主要结构尺寸

Table 1  Main structural parameters of motor

外转子PMSM样机及试验测试平台如图6所示。经测试，样机性能满足设计指标要求。

图6  样机测试平台

Fig.6  Test platform of prototype

3  PMSM的伺服控制研究

永磁同步调速控制策略很多，其中矢量控制是较典型的可靠易行的方案。矢量控制的基本思想是在三相交流电机上模拟直流电机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将定子电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使2个分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节，实现转矩控制^[12-14]。对于永磁同步伺服电动机，从静止三相ABC坐标系变换到dq坐标系后，电磁转T_em可由下式计算：

          (7)

从式(7)可以看出：对PMSM电磁转矩的控制基本上取决于对交轴电流和直轴电流的控制。PMSM的电流控制策主要有i_d=0控制、恒磁链控制、最大转矩电流比控制、cos φ=1控制等。本文选取最简单的i_d=0磁场定向控制方式。该方式能够有效遏制因电机电枢反应带来的去磁作用，减少了铜耗，且输出力矩与定子电流成正比，易于对电机转矩进行控制。

矢量控制一般通过检测或估计转子位置及幅值来控制定子电流或电压，因此，需要得到准确转子位置和速度信号，目前大多采用传感器来获取。常用的位置传感器有光电编码器、霍尔传感器、磁编码器等，应用技术也比较成熟，但是，位置传感器在电机伺服系统中的存在也带来一系列缺陷：系统成本增加；安装和维护困难；精度受环境影响大，在高温、高湿、振动等恶劣环境下无法工作。鉴于以上原因，无传感器伺服控制开始在很多领域替代传统伺服控制。电动车用PMSM往往运行在比较恶劣的环境下特别是存在较强的振动时，因而适合采用无传感器伺服控制。

本文对外转子PMSM的无传感器伺服控制进行研究。在无传感器伺服控制中，转子位置和转速通过各种不同的估算方法来得到。图7所示为永磁同步无传感器矢量控制系统框图^[13]。

图7  永磁同步无传感器矢量控制系统

Fig.7  Sensorless vector control system of PMSM

速度和磁场的控制在dOq坐标系下完成，转速给定信号与转速观测器估算的转速进行比较，进入速度PI调节器，得到转矩电流i_q给定信号，转矩电流经PI调节器后得到转矩电压。将交直轴电流闭环控制得到的电压给定经坐标变换后经SVPWM生成PWM控制信号，以驱动逆变桥，实现整个PMSM的矢量控制。

采用滑模观测器算法，利用MATLAB /SIMULINK对伺服控制系统进行仿真分析。模型采用设计样机的参数，电机带负载起动，初始转矩给定为2 N·m，转速稳定后，在0.2 s时负载突增为20 N·m。

在给定转速为400 r/min时，通过仿真输出观测器得到的实际转速波形如图8所示。其中：图8(a)所示为运行全过程中的转速波形，图8(b)所示为负载突变时转速波动的波形。

由滑模观测器得到的估算转速波形如图9所示，其中：图9(a)和9(b)所示分别为运行全过程中转速波形和负载突变时转速波动的情况。

从图8和图9可以看出：转速的稳态误差在1 r/min以内；当负载从2 N·m突增至20 N·m时，转速波动范围为7~8 r/min。

由滑模观测器得到的估算转子位置角默认为0~2π，其仿真波形如图10所示。

将图10所示的估算转子位置角换算到0~∞，与仿真输出观测器得到的实际转子角进行比较，如图11所示。由图11可以看出：2条曲线几乎重合，说明滑模观测器能够很好地跟踪转子位置。

图8  观测器得到的实际转速波形

Fig.8  Waveform of actual speed obtained by observer

图9  估算转速波形

Fig.9  Waveform of estimated speed

图10  估算转子角度

Fig.10  Estimated rotor angle

图11  估算转子角度与实际角度偏差

Fig.11  Deviation between estimated and actual rotor angle

由仿真输出观测器得到的输出转矩与定子三相电流波形分别如图12和图13所示。

由图12和图13可以看出：滑模观测器能够较准确地反馈电机转速和转子位置；负载突变后，转速波动较小，系统由加载前的稳态到达加载后新的稳态所需的时间约为0.02 s，响应很快，说明系统对外界扰动具有较强的鲁棒性。

图12  输出转矩

Fig.12  Output torque

图13  定子三相电流

Fig.13  Three-phase stator current

4  结论

(1) 提出了一种外转子结构的电动车用低速直驱式稀土永磁同步电动机。采用表面插入式转子磁路，使其电磁性能表现一定的凸极性，有利于提高电动机的“弱磁”扩速能力，保证较宽的恒功率运行调速范围和良好的动态性能。

(2) 对1台3 kW、额定转速为400 r/min的6极车用外转子PMSM样机进行设计、制作及测试。采用磁场有限元分析并结合等效磁路计算的方法，可降低单纯采用等效磁路法设计带来的误差影响，有利于提高电机设计分析的准确度。

(3) 滑模观测器算法能够较准确地估算电机转速和跟踪转子位置，并对负载变化引起的扰动具有较强的鲁棒性，在矢量控制仿真分析中取得了较好的效果。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2012-09-07；修回日期：2012-12-10

基金项目：湖南省科技计划项目(2012FJ3042)；湖南大学“青年教师成长计划”项目(531107040650)；国际科技合作交流专项(2011DFA62240)

通信作者：刘建林(1978-)，男，湖南湘乡人，副教授，从事电机技术、智能控制研究；电话：0731-84099015；E-mail: tikolin@126.com