基于电动车载永磁同步电机的温度-性能简易试验平台

郑少鹏 黄景鹏 纪毓敏 蒋翠翠

（1.广东交通职业技术学院 广东省广州市 510600 2.广州必维技术检测有限公司科学城分公司 广东省广州市 510000）

最近几年以来，伴随着电子电力技术、微电子信息技术、全新电机设备操作控制原理与稀土永磁材料的技术演进趋势，永磁同步电机也得到了迅速推广。该电机采用的是一种嵌入式磁阻的径向，以相复励励磁的原理进行分流，具有强大的过载能力，稳定的转动惯量，优秀的启动性能，足以满足许多启动扭矩的要求。所以，目前业内普遍认为永磁同步电机是更为适合新能源汽车的电机类型，同时认为该类型电机技术仍有较大的继续发展空间，现在国内外对于大功率的永磁同步电机的温度测量是越发重视。通过提升相关的技术来使电机的性能与新能源汽车有更好的配合度，从而提高整车性能。

1 永磁同步电机的结构

永磁同步电动机的主要结构包括了固定部件定子、端盖、冷却水道，旋转部件转子、电机轴、前后轴承、以及旋变传感器、温度传感器、低压线束和动力线束等电气组件。

2 永磁同步电机的特点

2.1 技术优势

永磁同步电机的转子结构虽然满足了径向转子结构和切向式转子结构等优点，却也造成了结构和制造工艺的复杂性，制造成本也相应的进行提高。

（1）用永磁体替代绕线式同步电机转子中的励磁绕组结构，这样即可省去了励磁线圈、集电环的功率消耗，通过以电子换相实现无刷运行，这样的组成结构更为简易，且运行更加可靠稳定。

（2）永磁同步电机的实际转速和工作电源频率间始终维持着同步关系，并且工作角度精准可控，从而使控制电源频率就能控制电动机的实际转速。

（3）永磁同步电机具有很强的机械特性，对于因负载的变化而产生的电机转矩扰动具有较强的自身抗扰能力，瞬间最大转矩可以提升至额定转矩的3 倍以上，适合在较大的负载转矩变化范围下运行。

（4）由于永磁同步电机的转子材料是永久磁铁，所以不需要额外的励磁，这使得永磁同步电机能够在很低的转速下维持同步运行的状态，以及能够在较宽的范围内实现调速。

（5）永磁同步电机与交流感应（异步）电动机相比较，不需要额外的励磁电流，因而功率因数高，降低定子电流和定子的铜耗，提高工作效率。

（6）随着高性能永磁材料的技术应用的迭代进步，永磁同步电机的功率密度得到很大的提升，与同等容量的交流感应（异步）电机相比较，在体积上和质量上都有很大程度的降低，使其在许多特殊场合的适应性更强。

（7）结构多样化，应用范围广。永磁同步电机由于转子结构的多元化，产生了特点和性能存在异同的电机类型，从第二产业到第一产业，从民用到国防军事，从生活到航空航天，从简易电动工具设备至高科学技术商品，基本上随处可见。

2.2 技术瓶颈

（1）功率密度：功率的提升有两种方法，一种是通过提高输出扭矩，另一种是通过提高转速。前者主要问题是由于工作电流过载，造成发热量过高，从而给散热造成较大压力；后者是高速时会造成铁磁损耗大，需采用高性能低饱和矽钢片，从而使成本增加；或者采用复杂的转子结构来降低磁损，但又影响功率密度。

（2）材料方面：永磁材料是制约永磁同步电机性能提升的重要原因，目前行业内常用的永磁材料是钕铁硼，其主要存在温度稳定性差、不可逆的热损失和高温下导致磁性能损失严重等缺点，进而影响电机使用性能。

（3）生产工艺：永磁同步电机在生产工艺方面的难题，是大规模配套乘用车的约束条件。由于永磁同步电机生产企业缺乏产业化的基础积累，国内企业生产不良率较高，无法达到乘用车企业的质控要求，特别是伴随纯电动乘用车交易市场竞争规模的扩增，十万级的年生产总量，给永磁同步电机创造了强大的严峻挑战。

3 基于电动车载永磁同步电机的温度-性能简易试验平台的设计原理

3.1 设计意图

电机温度是反映电机运行状态最基本的参数之一。本文选择的研究对象是永磁同步电机，该类电机在工作运行时通常是变频驱动的方式，所以其磁场中的谐波含量较多，更容易出现发热以及形变的现象。

在新能源汽车专业技术转化升级过程中，主流的冷却技术有自然风冷和液冷两种，其中液冷包括水冷和油冷，油冷是一种将电机浸入到油冷室中来降低温度的技术手段。从多个方面对比水冷和油冷的冷却效果，目前油冷是效果最好的一种冷却模式，其缺点则是油会因为产生油膜产生摩擦从而降低电机的效率。

所以，本文研究的基于电动车载永磁同步电机的温度-性能简易试验平台，该平台可以对比不同的冷却介质对电机性能的影响。由于，从实际车辆上进行测验的难度和危险系数相对比较高，同时整车的冷却系统不仅对电机进行冷却、同时还包括PTC、电机控制器和动力电池包的冷却，所以影响温度-性能的因素较为复杂。通过本试验平台可以对电机的进行独立的试验，测试出电机的最佳性能，以及实时监测电机性能受温控系统的影响效果。

3.2 设计方式

本文设计的基于电动车载永磁同步电机的温度-性能简易试验平台是将多个不同的零部件结合，搭建模拟不同的环境条件，控制不同负载工况的永磁同步电机，通过传感器监测电机的工作效率，从而得到温度与电机性能的关系曲线。

设备的选用为当今社会主流应用的类型，其中，试验电机选用精进电机OD220 电机和P2 控制器，应用该电机的纯电动汽车车型有广汽传祺GE3，北汽EU260，奇点汽车is6。

磁粉式制动器：是一类性能良好的自动化控制管理设备元件，是通过机械传动单元和从动单元合并组成。它以磁粉作为工作介质，以激磁电流为控制方式实现控制制动或传递转矩的目的。其输出扭转力矩与激磁电流呈良好的线性相互关系，并具有响应速度快、结构简单等优势，用于本测试实验应用平台的电机负载模拟。

两台泵体电机，其中一台是用于冷却液的冷却液泵，另一台是用于冷却油的油泵，通过不同的冷却类型对比其冷却效果曲线。

整体的平台设计采用软件、硬件相结合，其中软件采用的是Labview，可以应用于硬件在环和操作软件界面的设计，搭载的是Windows 7 系统。

3.3 机械结构

根据电机的结构，其电机壳体与其冷却管道为一体，通过对其冷却管道通入的冷却介质，控制冷却介质的温度，可以快速模拟其不同的工作温度环境。其转子结构为单边轴结构，通过测输出轴端的转速，则可以测得其输出功率的反馈，表1 为试验电机的主要技术参数。

表1：驱动电机主要技术参数

本试验平台整体外部支架采用的是铝型材，采用该材料的主要原因是安装固定方式简单且稳固。由于电机本身的质量比较大，将其放置于实验台的底部；电机的输出轴端与加载装置——磁粉制动器连接在一起，通过控制不同的加载量，模拟的电机不同的负载工况，将其与驱动电机安放于同一水平位置。中间层放置两个储水盆，一个用于装盛加热的冷却介质，模拟出不同的温度工况，此时的电机的温度由其本身的温度传感器测得数据，另一个用于的通入未加热的冷却介质，模拟对电机进行冷却降温，以此对比出不同的温度工况下驱动电机的输出性能，相应的管道为并联连接，不同的储水盆的输入／输出管路都有相应的单向阀体控制冷却介质的流动。上层安装相应的试验控制装置，电机控制器、加载控制器、采集卡、PC 机。

3.4 电动车载驱动系统控制技术实验原理

根据纯电动汽车动力学的结构及其驱动系统的控制原理，结合各项所需元器件设计了永磁同步电机的温度-性能简易试验平台，基于该平台进行了基于单位温度变化的电动车载驱动系统控制技术实验，其原理如图1所示。

图1：基于单位温度变化的电动车载驱动系统控制技术实验原理

其中，动力电池为试验所用的电机电源，能量经过电机控制器将其传送给驱动电机；其中磁粉制动器通过联轴器和扭矩传感器与驱动电机相连，其主要目的是为驱动电机提供不同的负载转矩，用于模拟不同的工况，同时可以测量输出转矩和转速。在实验过程中，控制系统给予一定值作为电机的转速信号，通过CAN 通讯卡发送给驱动电机的控制器，而后电机控制器控制驱动电机按照给定的转速旋转；控制系统根据驱动电机负载转矩的表达式，通过CAN 通讯卡发送给磁粉制动器控制器转矩指令。与此同时，数据采集卡将采集的动力电池电压、电流信号以及扭矩信号传送给给控制系统进行数据处理分析；而电机控制器通过CAN 通信卡，将实验过程中电机转速信号传送给控制系统进行数据处理分析，控制系统根据预测的关系，将其转化为电机转速数据并保存下来，为后续的实验进行比对。

数据采集系统与PC 上位机通讯模块程序如图2所示，通过NDAM-9000 通讯模块和NDAM-3402 采集模块进行数据集中处理传输，其主要功能是接收数据数据采集系统采集到的动力电池电压和电流、电机扭矩和温度信号。

图2：数据采集卡与工控机通讯模块程序

实验结果数据记录与保存模块程序如图3所示，其主要作用是将实验过程中驱动电机负载转矩、转速数据保存为Excel 文件并保存至指定文件夹。该系统主要由上位机作为记录工具，通过安装在各个零部件上的数据采集器，进行数据采集，应用逻辑电路分析记录数值，并保存数值。

图3：数据记录与保存模块程序

4 基于电动车载永磁同步电机的温度-性能简易试验平台的使用

本节主要根据电动车载永磁同步电机的温度-性能简易实验平台的控制技术原理以及实验平台的组成结构，下面介绍其实验过程步骤：

由于实验电机可控制其设计电压转变，同时为使实验数据更接近真实车辆的运行过程，因此电源采用从纯电动车辆上的动力电池直接取其直流电作为电机控制器的直流输入端。由于纯电动汽车的直流电受相应车里的主机控制模块的管理与控制，所以应从车辆的高压配电装置进行取电，并且同时要起动车辆，当车辆处于正常起动状态，同时要设置好安全保险丝和安全开关，穿戴好防护装置，其主要目的是为了保护自身的人身安全，特别是要注意高压的用电安全。

打开动力电池供电开关、实验平台控制系统开关电源、磁粉制动器及控制器电源，而后打开实验台架的PC 上位机，并在PC 上位机桌面建立实验数据保存文件夹，方便实验数据的整理与归档；进入软件设置界面，将“试验项目”子菜单中的驱动电机工作模式选为“正转电动”；下一步进行设置驱动电机最高转速“输入转速1”和设置最大输入转矩--“最大输入转矩1”；其中设置的加载电机最高转速“输入转速1”设置为3500r/min，最大输入转矩--“最大输入转矩1”设置为250Nm；最后设置加热储水盆的预热温度，以及电机的加速曲线。

起动试验平台开始实验，先让驱动电机按照预定的加速曲线运行一段时间，然后再通入预加热好的冷却介质，从而监控温度的变化对电机的转速和功率的影响；然后当温度达到设定值时，关闭预加热冷却介质的通入，然后通入未加热的冷却介质，观察电机是否的运行状态是否会回到原与设定的曲线，通过数据生成对比曲线，得出电机的温度对永磁同步电机性能影响。