楊德良，王心堅(jiān)

(1.同濟(jì)大學(xué)，上海 201804；2.上海燃料電池汽車動力系統(tǒng)有限公司，上海 201804)

基于Halbach陣列可控磁通電機(jī)的安全控制研究

楊德良1,2，王心堅(jiān)1

(1.同濟(jì)大學(xué)，上海 201804；2.上海燃料電池汽車動力系統(tǒng)有限公司，上海 201804)

摘 要：針對新能源汽車的控制安全問題，研究了基于Halbach陣列可控磁通電機(jī)，采用三相對稱短路法的安全控制策略。研究表明，三相對稱短路對于基于Halbach陣列可控磁通電機(jī)，在中高速段直軸退磁電流符合電機(jī)磁通調(diào)節(jié)需求，具有有效的退磁作用，使得驅(qū)動電機(jī)由驅(qū)動狀態(tài)向安全狀態(tài)轉(zhuǎn)變，獲得較好的制動轉(zhuǎn)矩抑制作用，并有效降低高速段反電動勢，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的安全控制。

關(guān)鍵詞：可控磁通；永磁同步電動機(jī)；三相對稱短路；電安全；轉(zhuǎn)矩安全

0 引 言

近年來，汽車工業(yè)特別是新能源汽車發(fā)展迅速，而以永磁同步電動機(jī)(以下簡稱PMSM)控制為核心的電驅(qū)動系統(tǒng),已部分或完全取代發(fā)動機(jī)移植到汽車中，決定汽車的動力性和操穩(wěn)性[1-3]。PMSM具有較好的轉(zhuǎn)矩特性、高效率、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，其機(jī)械特性更接近汽車的動力需求，省略復(fù)雜的換擋機(jī)構(gòu)，以電機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍配以簡單的變速機(jī)構(gòu)來覆蓋車輛行駛轉(zhuǎn)速需求，是目前車用電機(jī)的主流[4-5]。

同時(shí)，新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)的電安全性和轉(zhuǎn)矩安全問題成為新能源汽車安全性的一個主要問題[6-7]。在實(shí)際車輛運(yùn)行工況中，駐車制動、起步、加速、爬坡、高速巡航等，需要車輛具有充足動力性的同時(shí)也具有良好的安全性，驅(qū)動電機(jī)或處于驅(qū)動狀態(tài)，或處于安全狀態(tài)，并伴隨著相應(yīng)磁場調(diào)節(jié)操作。新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)有很多潛在故障發(fā)生，比如碰撞安全事故、動力電池、燃料電池電堆、電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)等動力總成系統(tǒng)嚴(yán)重故障。在車輛系統(tǒng)失效或電機(jī)不工作等情況下，一方面，驅(qū)動側(cè)的高壓系統(tǒng)的過電壓，危及逆變器功率器件的安全，存在電安全隱患；另一方面，三相對稱短路或非對稱短路故障發(fā)生時(shí)，可能導(dǎo)致永磁體不可逆退磁，短路過程瞬間電機(jī)本身產(chǎn)生較大的制動轉(zhuǎn)矩，對車輛操穩(wěn)性影響較大，從而存在轉(zhuǎn)矩安全問題。

基于傳統(tǒng)PMSM的短路分析，國內(nèi)外很多學(xué)者做了專題研究。威斯康星-麥迪遜大學(xué)Brian A.Welchko，Gilsu Choi等[8-9]對IPMSM三相對稱和單相非對稱短路故障條件下的短路特性進(jìn)行了研究，并指出由單開關(guān)和線間短路故障引起的不對稱性顯著提高了退磁風(fēng)險(xiǎn)。意大利Nicola Bianchi等[10]在電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)的容錯IPMSM電機(jī)的設(shè)計(jì)中，在三相對稱短路穩(wěn)態(tài)分析的基礎(chǔ)上，給出了故障電機(jī)穩(wěn)態(tài)直軸短路電流和產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，研究了最大制動轉(zhuǎn)矩和電機(jī)參數(shù)之間的關(guān)系。國內(nèi)方面，一汽車的暴杰等[11]在PMSM三相短路穩(wěn)態(tài)分析的基礎(chǔ)上，給出了在電動汽車上應(yīng)用需求分析的案例。

本文基于PMSM三相對稱短路特性分析，通過對Halbach陣列車用可控磁通電機(jī)空載磁場和充退磁分析，并對試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行三相對稱短路安全控制試驗(yàn)和分析，給出了基于三相對稱短路法的可控磁通電機(jī)的安全控制策略。

1 PMSM三相對稱短路特性

在d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型磁鏈方程和電壓方程:

(1)

進(jìn)入短路前一時(shí)刻的交直軸電流(Id0，Iq0)為初始條件，三相對稱短路時(shí)，滿足約束條件：

(2)

1.1 PMSM三相對稱短路動態(tài)特性

1.1.1 PMSM三相對稱短路動態(tài)特性

聯(lián)立式(2)微分方程組，可得二階微分方程:

(3)

當(dāng)永磁電機(jī)旋轉(zhuǎn)電角速度ω>ωr時(shí)，ωr為瞬態(tài)特征轉(zhuǎn)速值：

(4)

上述二階微分方程具有如下形式的解：

id(t)=e-αt[C1cos(βt)+C2sin(βt)]+C3

(5)

式中：α為衰減因子，即：

(6)

(7)

求解為：

(8)

式中：γ(Id0,Iq0)為三相對稱短路過程中d，q軸電流初始條件(Id0,Iq0)、最終穩(wěn)態(tài)短路電流(Idsc，Iqsc)的矩陣，并與電機(jī)瞬態(tài)轉(zhuǎn)速ω、凸極系數(shù)ξ、電機(jī)電參數(shù)(Rs,Ld,Lq)等有關(guān):

(9)

(10)

(11)

三相對稱短路過程中d軸電流能達(dá)到的最小峰值是導(dǎo)致不可逆退磁的主要因素：

Id,min=Idsc-

(12)

當(dāng)Id0=0,Iq0=IN時(shí):

Id,min=Idsc-

(13)

1.1.2 PMSM三相對稱短路理想動態(tài)特性

在分析三相對稱短路瞬態(tài)過程時(shí)，如果忽略繞線電阻影響，即Rs=0時(shí)，由式(4)～式(7)可知，ωr=0，α=0，β=ω，說明忽略繞線電阻影響時(shí)的短路瞬態(tài)過程，短路特征轉(zhuǎn)速值ωr為零，衰減因子α為零，電流角頻率β與電機(jī)電角速度ω一致的理想短路瞬態(tài)工況。

由式(10)、式(11)可知，此時(shí)：

(14)

式(14)表明理想短路瞬態(tài)工況下最終穩(wěn)態(tài)d軸電流Idsc幅值為系統(tǒng)特征電流，q軸電流Iqsc幅值為0。

則式(8)、式(9)簡化:

(15)

(16)

d軸電流能達(dá)到最小峰值:

(17)

當(dāng)Id0=0,Iq0=IN時(shí)：

(18)

根據(jù)某A0級車用45 kW IPMSM靜態(tài)電參數(shù)，計(jì)算三相對稱短路的d-q軸電流動態(tài)關(guān)系如圖1所示。當(dāng)忽略繞線電阻時(shí)，理想情況下三相對稱短路的d-q軸電流的動態(tài)關(guān)系如圖1中實(shí)線橢圓所示。

圖1 三相對稱短路d-q軸電流動態(tài)特性

1.2 PMSM三相對稱短路穩(wěn)態(tài)特性

由式(10)、式(11)可得穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩方程和穩(wěn)態(tài)短路電流分別如下：

(19)

(20)

基于45 kW 的IPMSM參數(shù)可得出三相對稱短路下穩(wěn)態(tài)短路電流、穩(wěn)態(tài)制動轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 短路電流、制動轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系

由圖2可知，三相對稱短路時(shí)，穩(wěn)態(tài)短路電流隨轉(zhuǎn)速升高單調(diào)增大，很快達(dá)到最大并趨于穩(wěn)定。

式(20)中，當(dāng)ω4遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它量的幅值，取極限可得:

(21)

最大穩(wěn)態(tài)短路電流值恰好與特征電流值相等，在中高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，主要由磁鏈ψf和直軸電感Ld參數(shù)值決定。

制動轉(zhuǎn)矩大小與速度的對數(shù)坐標(biāo)關(guān)系如圖2所示，在某一速度點(diǎn)達(dá)到最大制動轉(zhuǎn)矩值，穩(wěn)態(tài)短路轉(zhuǎn)矩絕對值大小隨轉(zhuǎn)速ω上升不斷減小并趨于零。根據(jù)Nicola Bianchi等[10]研究的最大制動轉(zhuǎn)矩和電機(jī)參數(shù)之間的關(guān)系，最大轉(zhuǎn)矩輸出發(fā)生的轉(zhuǎn)速點(diǎn)ωpk：

(22)

三相對稱短路的穩(wěn)態(tài)制動轉(zhuǎn)矩最大：

(23)

式中：χ為凸極系數(shù)ξ相關(guān)的常數(shù)因子，f(ξ)是凸極系數(shù)ξ的函數(shù)：

(24)

(25)

ξ越大，相應(yīng)的f(ξ)也越大，由式(23)可知，三相對稱短路最大制動轉(zhuǎn)矩Tem也越大；最大制動轉(zhuǎn)矩發(fā)生的轉(zhuǎn)速點(diǎn)ωpk由定子相電阻Rs,交軸電感Lq決定；Tem大小由電機(jī)磁極對數(shù)p，磁鏈ψf和交軸電感Lq決定。

2 Halbach陣列可控磁通電機(jī)及磁場分析

2.1 Halbach陣列車用可控磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)

Halbach永磁陣列的概念最早由美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的Klaus Halbach教授提出[12]，本文研究電機(jī)模型采用6極36槽、Y型連接雙層疊繞組的Halbach陣列可控磁通PMSM。如圖3所示，三段式類Halbach陣列形式，鋁鎳鈷永磁體處于直軸位置，有利于采用直軸電流Id對其磁通狀態(tài)進(jìn)行控制，同時(shí)在采用Id=0控制的驅(qū)動狀態(tài)時(shí)，交軸電流Iq對鋁鎳鈷永磁體影響較小，保證電機(jī)磁場在非磁通調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)候的穩(wěn)定性。該電機(jī)模型充分利用了隔磁結(jié)構(gòu)的特性，減小電機(jī)狀態(tài)改變磁通控制所需的控制電流。

圖3 6極36槽Halbach陣列可控磁通PMSM

電機(jī)模型技術(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 6極36槽可控磁通PMSM技術(shù)參數(shù)

2.2 Halbach陣列可控磁通電機(jī)空載磁場

空載時(shí)，電機(jī)驅(qū)動狀態(tài)下，鋁鎳鈷正向充磁，為助磁狀態(tài)，其充磁方向沿徑向方向向外；電機(jī)安全狀態(tài)下，鋁鎳鈷反向充磁，為退磁狀態(tài)，充磁方向沿徑向方向向內(nèi)。

Halbach陣列可控磁通電機(jī)空載磁力線分布如圖4所示。鋁鎳鈷助磁狀態(tài)下，由圖4(a)可以看出，由于釹鐵硼上部的隔磁結(jié)構(gòu)的存在，正向充磁的鋁鎳鈷起到將對角充磁的釹鐵硼產(chǎn)生的磁通導(dǎo)向定子側(cè)作用，增強(qiáng)永磁主磁通，鋁鎳鈷永磁體在同方向被強(qiáng)磁化后，電機(jī)永磁主磁通最強(qiáng)且穩(wěn)定性良好，車輛具有較好的動力性能；鋁鎳鈷退磁狀態(tài)下，由圖4(b)可以看出，由于釹鐵硼上部的隔磁結(jié)構(gòu)的存在，反向充磁的鋁鎳鈷永磁體將釹鐵硼永磁體磁通在轉(zhuǎn)子內(nèi)部短路，起到將永磁主磁通減弱的作用，鋁鎳鈷永磁體反方向被強(qiáng)磁化后，電機(jī)永磁主磁通最弱，保證車輛系統(tǒng)的安全性能。

(a) 助磁狀態(tài)

(b) 退磁狀態(tài)

2.3 Halbach陣列可控磁通電機(jī)充退磁場

采用Id電流對磁通控制過程的電機(jī)磁力線分布如圖5所示。在電機(jī)驅(qū)動狀態(tài)，采用半載負(fù)向d軸電流(6.5 A/mm2，-175 A)去磁，如圖5(a)所示。在釹鐵硼磁通的作用下，鋁鎳鈷基本已經(jīng)反向充磁。在移除Id電流后，鋁鎳鈷保持反向充磁的磁通狀態(tài)，電機(jī)由驅(qū)動狀態(tài)改變?yōu)榘踩珷顟B(tài)；在電機(jī)安全狀態(tài)，使用滿載正向d軸電流(13 A/mm2，350 A)充磁，如圖5(b)所示。鋁鎳鈷永磁體的大部分面積已經(jīng)改變?yōu)橹艩顟B(tài)。由于兩種隔磁結(jié)構(gòu)引起的變磁路特性，能夠使?jié)M載的磁通電流將退磁狀態(tài)的鋁鎳鈷的磁通完全改變到助磁狀態(tài)，在移除磁通控制電流，鋁鎳鈷保持助磁狀態(tài)，電機(jī)改變到驅(qū)動狀態(tài)。

(a) 半載去磁

(b) 滿載充磁

在傳統(tǒng)PMSM驅(qū)動系統(tǒng)中，三相對稱短路過程中，將產(chǎn)生較大的制動扭矩和短路電流，短路電流瞬態(tài)值表現(xiàn)為較大的直軸退磁電流Id,min，可能致使電驅(qū)動系統(tǒng)不可逆失效。在可控磁通電機(jī)安全控制中，三相對稱短路過程中Id,min是產(chǎn)生鋁鎳鈷永磁反向充磁(即退磁)的主要因素，具有動態(tài)退磁作用，促使電機(jī)由驅(qū)動狀態(tài)轉(zhuǎn)為安全狀態(tài)。因此，在車輛發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)可有效利用可控磁通電機(jī)的三相對稱短路作為安全工作模式，降低行車安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 Halbach陣列可控磁通電機(jī)控制安全特性試驗(yàn)

在可控磁通電機(jī)安全控制試驗(yàn)中，根據(jù)式(13)的表述，在電機(jī)處于初始驅(qū)動狀態(tài)(Id0=0,Iq0=IN)下，可設(shè)定不同的q軸初始狀態(tài)電流IN，在不同的轉(zhuǎn)速下，分析電機(jī)由驅(qū)動狀態(tài)轉(zhuǎn)為安全狀態(tài)的影響因素，考察可控磁通電機(jī)三相對稱短路動態(tài)退磁特性，穩(wěn)態(tài)制動轉(zhuǎn)矩特性，穩(wěn)態(tài)短路電流特性等變化規(guī)律。采用三相對稱短路法的控制安全特性試驗(yàn)中，轉(zhuǎn)換瞬態(tài)過程如圖6所示，電機(jī)三相短路后，Id,Iq進(jìn)入了衰減振蕩過程，直軸電流出現(xiàn)最小值Id,min而后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)Idsc，穩(wěn)態(tài)交軸電流Iqsc接近0。

圖6 三相對稱短路法試驗(yàn)Id,Iq轉(zhuǎn)換瞬態(tài)過程

3.1 可控磁通電機(jī)三相對稱短路動態(tài)退磁特性分析

三相對稱短路過程中，最大d軸短路電流Id試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示。在轉(zhuǎn)速3 000 r/min以下，d軸短路電流隨轉(zhuǎn)速升高單調(diào)增大，受初始電流IN影響較小，轉(zhuǎn)速3 000 r/min以上，幅值增加趨勢放緩，d軸最大峰值短路電流在120～150 A。

圖7 可控磁通電機(jī)最大d軸電流-轉(zhuǎn)速曲線

試驗(yàn)測得的三相對稱短路后的反電動勢隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，如圖8所示。

圖8 可控磁通電機(jī)短路反電動勢-轉(zhuǎn)速曲線

基于三相對稱短路的可控磁通電機(jī)安全控制具有有效的退磁作用，驅(qū)動電機(jī)由驅(qū)動狀態(tài)向安全狀態(tài)轉(zhuǎn)變，有效降低中高速段反電動勢，有利于電安全和轉(zhuǎn)矩安全的實(shí)現(xiàn)。

3.2 可控磁通電機(jī)安全狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)短路特性分析

3.2.1 可控磁通電機(jī)三相對稱短路穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩特性

可控磁通電機(jī)三相對稱短路的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩的試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 可控磁通電機(jī)穩(wěn)態(tài)制動轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線

與傳統(tǒng)PMSM類似，穩(wěn)態(tài)制動轉(zhuǎn)矩在低速區(qū)存在最大制動轉(zhuǎn)矩極值點(diǎn)，隨轉(zhuǎn)速上升而衰減并最終趨于零，最大穩(wěn)態(tài)制動扭矩出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速1 500～2 000 r/min，幅值較低，為13～15 N·m。

由式(22)～式(25)可知，對于極對數(shù)固定的試驗(yàn)樣機(jī)來說，最大制動轉(zhuǎn)矩Tem大小，主要受永磁磁鏈ψf影響，ψf越小，Tem就越小。

3.2.2 可控磁通電機(jī)三相對稱短路穩(wěn)態(tài)電流特性

圖10 可控磁通電機(jī)穩(wěn)態(tài)短路電流-轉(zhuǎn)速曲線

4 結(jié) 語

本文主要針對新能源汽車的電安全問題及轉(zhuǎn)矩安全問題，以可控磁通PMSM為核心的電驅(qū)動系統(tǒng)，基于三相對稱短路的瞬態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性的理論分析，通過安全控制試驗(yàn)，對可控磁通電機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)的三相對稱短路動態(tài)退磁特性、穩(wěn)態(tài)制動轉(zhuǎn)矩特性、穩(wěn)態(tài)短路電流特性等進(jìn)行分析，給出基于三相對稱短路法的可控磁通電機(jī)退磁狀態(tài)的控制安全策略。

對可控磁通電機(jī)三相對稱短路動態(tài)退磁特性進(jìn)行了試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。在中高速段，具有有效的退磁作用，驅(qū)動電機(jī)由驅(qū)動狀態(tài)向安全狀態(tài)轉(zhuǎn)變，從而獲得較好的制動轉(zhuǎn)矩抑制作用，并有效降低高速段反電動勢。

對可控磁通電機(jī)三相對稱短路穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)態(tài)短路電流特性進(jìn)行了試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩的試驗(yàn)結(jié)果顯示，可控磁通電機(jī)的最大穩(wěn)態(tài)制動轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速 500～2 000 r/min，幅值為13～15 N·m，處于較低的水平；穩(wěn)態(tài)短路電流隨轉(zhuǎn)速升高單調(diào)增大，最大短路電流在30～50 A，處于較低的水平。

研究結(jié)果表明，基于Halbach陣列可控磁通電機(jī)，采用三相對稱短路法的安全控制方式，在中高速段具有有效的退磁作用，驅(qū)動電機(jī)由驅(qū)動狀態(tài)向安全狀態(tài)轉(zhuǎn)變，以較低的最大短路電流，獲得較好的制動轉(zhuǎn)矩抑制作用，并有效降低高速段反電動勢，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的安全控制。

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ResearchonSafetyControlBasedonHalbachArrayControllable-FluxMotor

YANGDe-liang1,2,WANGXin-jian1

(1.Tongji University,Shanghai 201804,China;2.Shanghai FCV Powertrain System Co., Ltd.,Shanghai 201804,China)

Abstract:As to the control safety problem of new energy vehicles, a safety control strategy based on Halbach array structure controllable-flux motor and three-phase symmetrical short-circuit method was analyzed. The research showed that for the controllable-flux motor based on Halbach array, the three-phase symmetrical short circuit method could be used in the middle and high speed range. The demagnetization current in the direct axis conformed to the requirement of flux adjustment. With effective demagnetization, the driving motor was changed from a driving state to a safe state to obtain a better braking torque restraining effect. The back-EMF of the high speed section was effectively reduced and safe control of the motor was realized.

Key words：controllable-flux; permanent magnet synchronous motor (PMSM); three-phase symmetrical short circuit; electrical safety; torque safety

中圖分類號：TM351

A

1004-7018(2018)05-0001-05

2017-12-25

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(973計(jì)劃)(2011CB711205)

作者簡介：楊德良(1976—)，男，碩士，電機(jī)控制工程師，主要從事新能源汽車電機(jī)驅(qū)動及控制的研究工作。