电动汽车用分裂绕组永磁同步电机设计( 二 ) _电动汽车

文章插图

图2 150 kW永磁同步电机1/2模型图
表2 电机参数

文章插图

计算得到电机输出峰值状态功率和转矩，如图3所示。图3中，三角标志线为峰值转矩，叉线为峰值功率，可以看出电机性能满足车辆动力需求。

文章插图

图3 电机外特性曲线
进一步计算电机的电流曲线如图4所示。图4中，平滑曲线为定子相电流is曲线，三角线为交轴电流iq曲线，叉线为直轴电流-id曲线。计算电机的效率map如图5所示。

文章插图

图4 电机电流曲线

文章插图

图5 电机效率map
从图4可以看出，电机在低速恒转矩区需要380 A的电流，随着转速升高，进入恒功率区域后电流先降再升，到达10 000 r/min之后，在高速区域电流逐渐超过了恒转矩段电流。这是因为电流可以分解为两部分，提供转矩的交轴电流iq和弱磁电流-id ，在低速区域，电机感应电动势低，需要的弱磁电流较小，电流大部分用来提供转矩输出；中速段后进入恒功率区域，电机所需输出转矩降低而感应电动势未超出额定电压，电流呈现降低趋势；高速段后电机感应电动势超出额定电压，且随着转速升高进一步升高，电机所需输出转矩仍然降低趋势，需要越来越多的电流参与到弱磁分量中，以至于电流超过了低速区电流。
电驱系统的最大伏安容量定义为电机最大工作电压点的电压Us1和电机最大工作电流点的电流Is2的乘积，该Us1和Is2可以不同时出现，最大伏安容量决定着电驱系统的功率密度，也限制着功率元器件的选型。显然，定子电流在高速段超过低速段，这不是电机工作的理想情况，会提高电驱系统的最大伏安容量，降低系统的功率密度；另外，高速时因为电机铁耗越来越高，再加上不断增大的铜耗会导致高速段效率严重下降，从图5的电机效率map可以直观地看出电机高效区域面积很小。
2 分裂绕组设计
2.1 设计原则
为了降低电驱系统的最大伏安容量，同时提高电机高效率区面积，拟将本电机的定子绕组设计为分裂绕组形式，将定子绕组分两部分组成，两部分同槽分布，低速区域两部分串联同时工作，高速时切掉部分绕组来降低电机的感应电动势，分裂绕组电机拓扑结构如图6所示。

文章插图

图6 分裂绕组拓扑结构
定子绕组分为N1和N2两部分，两段之间首尾串联并做中间引出线，三相电机的三个尾端引出线接切换开关K1 ，三个中间引出线接切换开关K2 。低速时K1接通， K2断开，电机工作绕组N=N1+N2；高速时K1断开， K2接通，电机工作绕组N=N1 。当然，图6为特殊的两段式分裂结构，而分裂绕组的分段段数z不仅限于z=2 ，切换开关个数等于分段段数z ，具体分段段数需依照电机的弱磁调速范围而定，并同时考虑经济性和可行性。
分裂绕组内部结构如图7所示，以A相为例，每个六边形为一个绕组元件，普通电机绕组的元件个数为Ns/m ，即槽数除以相数，而分裂绕组的元件个数为z×Ns/m ，本文中电机z=2即可满足弱磁调速需求。图7中绕组A1-X1段每个元件的匝数为N1 ，绕组A2-X2段每个元件的匝数为N2 ，两段绕组的元件同槽分布。