驅動電機電磁性能分析

為了保證計算的準確性，需要對驅動電機的電磁性能進行分析和檢查。本文采用有限元方法對驅動電機在空載、轉矩過載、高速弱磁和短路退磁情況下進行了分析和計算。永磁電機中磁鋼與開槽電樞鐵芯的相互作用導致氣隙磁導率的變化，不可避免地產生齒槽轉矩，從而產生轉矩波動、噪聲和振動，進而影響整個系統的控制精度。提出了許多削弱齒槽轉矩的方法，如斜槽、斜極、優化槽開度、優化極弧和磁鋼形狀等。其中滑槽法不僅驅動技術成熟、生產工藝簡單、效果好，而且反電動勢波形極其正弦。圖1顯示了斜槽前后驅動電機齒槽轉矩的比較。恒載荷下溜槽前的齒槽轉矩占總電磁轉矩的2%，但溜槽后齒槽轉矩基本減弱。在1500轉/分鐘時，驅動電機反電動勢的計算結果如圖2所示。由于斜槽使反電動勢更加正弦化，其諧波含量大大降低。

圖1:驅動電機齒槽轉矩圖

圖2:反電動勢的計算值

高扭矩過載倍數可以使電動汽車獲得更好的爬坡能力和加速性能。但高轉矩過載時，容易使電機鐵芯飽和，使峰值電流輸入時無法輸出峰值轉矩。由于電機空載反電動勢與轉速成正比，轉速越高反電動勢越大，所以無弱磁電流時電機端電壓越大。但在DC母線電壓不變的情況下，控制器的輸出電壓有一個上限，這意味著高速輸出需要通過增加D軸電流來削弱主磁場，使得氣隙的合成反電動勢基本保持不變。

磁鋼的不可逆退磁會削弱萬能電機的性能，包括額定電壓和額定功率，從而影響其正常使用。如果電機仍然按照額定工況或過載工況的設計要求工作，退磁電樞磁勢和溫升會使磁鋼退磁更加嚴重，加速這種惡性循環。因此，在設計電機時，有必要檢查最大退磁工作點。永磁電機短路時，電樞反應產生的磁勢幾乎是純退磁的直軸磁勢。所以在磁鋼退磁分析中要考慮這種情況。從磁鋼表面的磁密分布可以看出，磁鋼在兩種情況下都有不同程度的退磁，其中磁鋼在不對稱三相短路時退磁面積最大，但磁鋼的最大退磁面積小于0.2%。

整個驅動電機測試系統主要包括DC電源、驅動電機、無刷控制器、冷卻水系統、扭矩傳感器、功率分析儀和示波器。其中，DC電源的主要功能是將電網中的三相交流電整流成DC輸入，驅動電機控制器供測試系統使用。在電機測試中，兩臺驅動電機用于測試拖拉機。在測試中，一個電動機充當電動機，另一個電動機充當發電機。驅動電機的冷卻水由冷卻水箱供應，由外部水泵泵入驅動電機進行冷卻，最后流入冷卻水箱進行循環。控制器通過強制空氣冷卻來冷卻。