新能源汽车电机：设计与弱磁控制的突破

1971年，德国学者Blaschke提出了对交流电机进行矢量控制的思想，它的出现对交流电机控制技术的研究具有划时代的意义，使得交流电机的控制与直流电机一样简单。矢量控制的基本思想是在磁场定向坐标下，将电流矢量分解为产生磁通的励磁电流分量i_d和产生转矩的转矩电流分量i_q，它们相互垂直，彼此独立，对i_d和i_q的控制，就是对定子电流空间矢量和相位的控制^[5，6]。

由式（2-7）dq坐标系下电压方程，可建立内置式永磁同步电机有限元模型，其电流矢量控制向量图如图3-1所示。

图3-1 内置式永磁同步电机的电流矢量控制向量图

图3-1中，γ是电流控制角，i_s是三相合成电流。由图3-1可得到电机矢量控制的d轴和q轴电流与定子电流矢量关系为

式中 i_d，i_q——d轴和q轴控制电流；

γ——电流控制角。

在有限元分析中，激励源为三相定子电流，因此要将在dq坐标系下的i_d和i_q变换到三相静止坐标系下的ABC三相电流i_A、i_B和i_C、其表达式为

式中 θ——转子位置角；

I_s——电流有效值。

建立内置式永磁同步电机二维瞬态场有限元模型的步骤如下：

1）结合AutoCAD在Maxwell 2D设计界面中，绘制二维电机模型，然后对模型进行分组和重命名，如将定子绕组分别划分为A相、B相和C相绕组这三组，这样便于后面的材料和激励源设置，提高工作效率。

2）选择求解器类型，根据需要选择瞬态求解器。(www.xing528.com)

3）对几何模型的各部分进行材料设置，特别是对每个永磁体还要建立各自的面坐标系，该坐标系为永磁体磁化方向的基准方向。

4）对绘制好的几何模型进行边界条件和激励源的设定，其中定义绕组激励源时采用的是电流源激励。

5）设定边界条件（band）、转子的速度和初始位置角θ₀，如图3-2所示。

6）对几何模型进行自适应网格剖分，设置好求解时间和步长，进行有限元计算。

7）计算完成后，进行后处理，得到需要的仿真结果。

8）要求电机初始角要为零度，即零时刻d轴和A相轴线重合，因此要对转子的初始位置进行确定，即设定初始位置角θ₀。

图3-2 初始位置角设定示意图

在有限元分析软件中，转子位置角θ计算式为

θ=6pnt-（90°-δ） （3-3）

式中 δ——电流控制角；

p——电机的极对数；

n——转速；

t——时间。