电动汽车高效率开关磁阻电机系统设计

郭晓颖， 苏建中， 马志国， 闫志平， 高 超

(北京中纺锐力机电有限公司，北京 101102)

0 引言

电动汽车排放和环境污染度低，已经成为世界汽车工业的新趋势。电动汽车使用有限能源，其核心部件之一的电机驱动系统应具备高效率特性。

开关磁阻电机系统(Switched Reluctance Motor Drive System，SRD)是一种新型机电一体化调速电机系统，由开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，SRM)和控制器组成。SRM本身具备起动转矩大、起动电流小、恒功率范围宽、不用稀土材料、结构简单、可靠性高等优势，适用于电动汽车领域。但普通工业SRM效率较低，在电动汽车领域应用受到限制。

本文通过对SRM优选材料、优化电磁参数及结构方案，优化功率电路设计控制器，综合应用控制策略和优化控制参数，实现高效率SRM。本SRD额定点效率＞93%、高效区＞50%，可广泛应用于各种电动汽车。

1 SRD

SRD由SRM和控制器组成，如图1所示，是一种新型机电一体化产品。SRM为双凸极结构，根据“磁阻最小原理”运行。SRM结构简单可靠，定子和转子均由硅钢片叠压而成，定子上集中有绕组，转子上没有绕组和永磁体。SRM转子转动惯量小，约为永磁电机的1/2，空载和较轻负载时耗电小;无高速永磁涡轮损耗问题;控制方式灵活且可优化参数多。

图1 SRD结构框图

2 电机设计

由于采用双凸极结构和磁路存在非线性，并且高速采用单脉冲控制策略，SRM的设计难度大，设计方法复杂。影响SRM基本性能的参数主要有转子外径Da、定子外径Ds、铁心长度la、气隙g等。首先根据要求的电机外特性曲线和机械尺寸设计主要参数，再设计极弧、极宽、轭高等参数。

SRM损耗主要包括绕组铜损、铁损、机械损耗和杂散损耗，尽量降低这些损耗，从而提高SRM效率。绕组铜损与绕组电流有效值I和阻值Rp有关。在满足电机轭部最大磁通不饱和情况下增加定子槽深ds，提高槽满率Ks，可增加绕组空间和导线截面积，从而降低Rp和绕组铜损。铁损与硅钢片规格和铁心动态磁场有关。在选用高牌号硅钢片基础上，通过经验分析和有限元分析，调整参数，可降低铁损。机械损耗与轴承及空气摩擦有关，需选用高质量无摩擦轴承。杂散损耗原因复杂，在设计过程按照经验值估计计算。

本系统SRM要求额定功率为PN=30 kW，额定转速为n=3 500 r/min，额定电压U=336 V，额定点最高效率为97%，主要损耗计算如下。

绕组铜损:

式中:q——经验系数。

铁损:

式中:G——经验系数，G=0.18e2K/p;

ρ——硅钢片电导率;

e——硅钢片厚度;

K——补偿系数。

机械损耗:

杂散损耗估计为

总损耗为∑P=(PCu+PFe+Pfw+Pg)=842.9 W，设计此SRM效率:

3 控制器设计

SRM控制器主要包括功率电路、控制电路、驱动电路、控制电源和接口电路。功率电路是直流电源和SRM的接口，控制绕组和电源的快速且低损耗开通和关断，提供储能回馈路径。控制器损耗主要在于功率电路部分损耗，合理设计功率电路是SRM调速系统设计的关键之一。

本系统采用双开关型功率电路，如图2(a)所示，每相包括两个IGBT和两个续流二极管。当一相上两个IGBT打开时，由电源Us向电机绕组供电;当两个IGBT关断时，相电流通过两个续流二极管反压续流，将电机绕组磁场储能迅速回馈到Us，实现快速换相，如图2(b)实线所示。当关闭一相上一个 IGBT，电机绕组电流在另一组IGBT和续流二极管间零压续流，如图2(b)虚线所示。

图2 双开关型功率电路

功率电路开关和续流过程中的损耗主要包括IGBT和续流二极管的损耗。IGBT损耗包括导通损耗和开关损耗。IGBT导通饱和电压UCEsat导致导通损耗;开关损耗包括开通能耗Eon和关断能耗Eoff。续流二极管损耗同样包括导通损耗和开关损耗。续流二极管正向导通电压Uf导致导通损耗;反向恢复能耗Erec导致开关损耗。根据电机系统本身电压、功率要求初步选型功率模块，再深入比较初选模块的损耗、开关性能、封装形式等，选择最优功率模块。本文系统选用新一代功率模块，较早期模块损耗降低20%以上，设计控制器效率达97%以上。

4 控制策略

SRM可控参数主要包括开通角、关断角、主电路电压和相电流上限。SRM主要控制策略包括电流斩波、电压斩波和单脉冲三种。根据转速选择不同控制策略，优化控制参数。

4.1 电流斩波

电流斩波是当转子位置处于电流导通区间时，比较相电流i与电流斩波限值iT，若i＜iT，则IGBT开通，电流上升达斩波限值;若i≥iT，则IGBT关断，电流下降;相电流维持于斩波限值附近波动，如图3所示，上方曲线为控制波形，下方曲线为相电流波形。电流斩波方式直接控制相电流，控制结果精确，转矩平稳，用于低速段运行。

图3 电流斩波时控制和相电流波形

4.2 电压斩波

电压斩波是当转子位置处于电流导通区间时，使IGBT工作于PWM状态。PWM频率固定，通过调制占空比控制相绕组上电压有效值。如图4所示，上方曲线为控制波形，下方曲线为相电流波形。电压斩波时，可通过选择适当PWM频率控制相电流变化率，调节占空比控制相电流幅值，用于中速段运行。

图4 电压斩波方式时控制和相电流波形

4.3 单脉冲

单脉冲通过调整开通角和关断角来控制相电流，是一种有效的控制方式。在转速和母线电压确定时，固定开通角，增加关断角，增加相电流;固定关断角，减小开通角，增加相电流。如图5所示，上方曲线为控制波形，下方曲线为相电流波形。在不同转速时，一般将开通角固定，通过调整关断角找到最优相电流波形，达到最优效率。图6给出不同转速点时最优效率的关断角趋势。单脉冲时，转矩调节范围大，电机效率较高，用于高速运行。

图5 单脉冲方式时控制和电流波形

图6 关断角趋势图

5 试验研究

应用某大功率测控机对该SRD进行测试，该电机系统额定转速为3 500 r/min，最高转速达7 000 r/min，输出最大功率达80 kW，输出最大扭矩达220 N·m。测试每个转速点和转矩点的输出扭矩、输入功率和输出功率，绘制MAP图，如图7所示。可见本SRD最高效率达93.17%，高效区(效率＞80%区域)达72.12%，达到预定高效率目标。

图7 SRM MAP图

6 结语

本文通过优化SRM参数，选用新型IGBT模块设计控制器，综合应用三种控制方式，实现高效率SRD。结合SRM本身起动转矩大、起动电流小、恒功率范围宽、可靠性高、成本低的特点，本SRD非常适用于各种电动汽车。

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