张前等：车载超高速永磁无刷电机驱动器 ·1571· 对体积不作特殊限制，因而导致电感器的体积非常庞 107(H·m),4为相对磁导率，A为磁环有效截面积， 大.对于车载驱动器的特殊使用环境，在电感设计时 为有效磁路长度.由式(6)可知，在相同的磁环尺寸、 需要尽可能地减小其体积，而减小体积带来的问题就 材料及工作电流下，“值越小，产生的最大磁感应强度 是工作中最大磁感应强度的增加.因此在减小电感体 越小，但是μ值减小会引起绕线圈数的增加，过小的μ 积时必须保证最大的磁感应强度小于饱和磁感应强 值会造成绕线空间的不足，因此，应该在电感制作工艺 度.综合考虑饱和磁感应强度、磁芯损耗、成本等因 允许的情况下选择相对磁导率较小的磁环（同种材料 素，选择铁硅铝作为电感的磁芯材料. 制成的磁环，其相对磁导率的变化是通过改变加工工 为了尽可能减小电感的体积且保证工作时磁芯材 艺实现的) 料中的磁感应强度不超出正常工作区间，需要保证工 经过优化设计后，Buck变换器输出电压和电流波 作中最大磁感应强度小于相应材料的饱和磁感应强 形如图14，其中母线电压为Buck变换器输出的电压， 度.由文献[21]可知， 母线电流为Buck变换器输出的电流，相电流为电机单 相电流.通过Bu©k电流调压后，输出到电机的电压和 = Is√loul (6) A 电流中均不含斩波引起的高频波动，因此可以极大程 式中，I为工作时峰值电流，L为电感值，4。为4T× 度的减小电机内的涡流损耗. Main:125 k 5m3 母线电压(20) 一母线电流(50A行 Y 柑电流50A) Zooml:11.5 k 4601us 图14Buk变换器输出特性分析（图中数据为每格对应的数值） Fig.14 Export analysis of the Buck converter (The data in the figure present the corresponding value for each cell) 方波驱动通过使用Buk变换器，极大地减小了电以看出，一个换相周期内，电流变化比较平滑，只在换 机内部的电流谐波，但是Buck变换器不可避免地会引 相时会有换相引起的电流变化.脉冲宽度调制驱动电 起额外的损耗，其中滤波用的功率电感是Bu©k变换器 流波形如图15(b),从其上半窗口可以看出，在采样区 损耗的重要组成部分，本节通过对电感的优化设计，使 间内，各个周期的电流幅值波动较大，最大时可达90A 得该Bu©k变换器可以以较小的体积，较低的损耗实现 以上，远高于方波驱动时的50A:从其下半窗口可以看 所期望的滤波效果 出，在换相周期内电流存在由斩波引起的剧烈电流波 3实验及仿真分析 动.图15中2ms和200s分别为图中每格对应的 数值. 3.1波形分析 对于方波驱动，电流谐波主要是由换相引起的，而 为了展示该驱动器的控制效果并进一步验证该驱 对于脉冲宽度调制驱动，还存在斩波引起的谐波.图 动方案对于减小定转子涡流损耗的作用，本文将方波 16为两种驱动方式80000r·mim时电流波形频谱分 驱动与脉冲宽度调制驱动进行对比.方波驱动中Buk 析得到的谐波成分的对比，从图中可以看出，脉冲宽度 变换器以及脉冲宽度调制驱动的斩波频率均设为16 调制驱动的基频大于方波驱动，这与图15中脉冲宽度 kHz. 调制驱动的电流幅值大于方波驱动的电流幅值相吻 方波驱动器80000rmin电流波形如图15(a), 合.两种驱动方式均存在较明显的高次谐波，各次谐 从其上半窗口可以看出，在采样区间内，各个周期的电 波的大小略有差异，并无明显的规律可循.但是如果 流幅值相对比较稳定，为50A左右：从其下半窗口可 将噪声进行对比可以发现，由于斩波的影响，脉冲宽度张 前等: 车载超高速永磁无刷电机驱动器 对体积不作特殊限制,因而导致电感器的体积非常庞 大. 对于车载驱动器的特殊使用环境,在电感设计时 需要尽可能地减小其体积,而减小体积带来的问题就 是工作中最大磁感应强度的增加. 因此在减小电感体 积时必须保证最大的磁感应强度小于饱和磁感应强 度. 综合考虑饱和磁感应强度、磁芯损耗、成本等因 素,选择铁硅铝作为电感的磁芯材料. 为了尽可能减小电感的体积且保证工作时磁芯材 料中的磁感应强度不超出正常工作区间,需要保证工 作中最大磁感应强度小于相应材料的饱和磁感应强 度. 由文献[21]可知, Bmax = Imax 滋0滋L lA 郾 (6) 式中,Imax为工作时峰值电流,L 为电感值,滋0 为 4仔 伊 10 - 7 (H·m - 1 ),滋 为相对磁导率,A 为磁环有效截面积, l 为有效磁路长度. 由式(6)可知,在相同的磁环尺寸、 材料及工作电流下,滋 值越小,产生的最大磁感应强度 越小,但是 滋 值减小会引起绕线圈数的增加,过小的 滋 值会造成绕线空间的不足,因此,应该在电感制作工艺 允许的情况下选择相对磁导率较小的磁环(同种材料 制成的磁环,其相对磁导率的变化是通过改变加工工 艺实现的). 经过优化设计后,Buck 变换器输出电压和电流波 形如图 14,其中母线电压为 Buck 变换器输出的电压, 母线电流为 Buck 变换器输出的电流,相电流为电机单 相电流. 通过 Buck 电流调压后,输出到电机的电压和 电流中均不含斩波引起的高频波动,因此可以极大程 度的减小电机内的涡流损耗. 图 14 Buck 变换器输出特性分析(图中数据为每格对应的数值) Fig. 14 Export analysis of the Buck converter (The data in the figure present the corresponding value for each cell) 方波驱动通过使用 Buck 变换器,极大地减小了电 机内部的电流谐波,但是 Buck 变换器不可避免地会引 起额外的损耗,其中滤波用的功率电感是 Buck 变换器 损耗的重要组成部分,本节通过对电感的优化设计,使 得该 Buck 变换器可以以较小的体积,较低的损耗实现 所期望的滤波效果. 3 实验及仿真分析 3郾 1 波形分析 为了展示该驱动器的控制效果并进一步验证该驱 动方案对于减小定转子涡流损耗的作用,本文将方波 驱动与脉冲宽度调制驱动进行对比. 方波驱动中 Buck 变换器以及脉冲宽度调制驱动的斩波频率均设为 16 kHz. 方波驱动器 80000 r·min - 1电流波形如图 15( a), 从其上半窗口可以看出,在采样区间内,各个周期的电 流幅值相对比较稳定,为 50 A 左右;从其下半窗口可 以看出,一个换相周期内,电流变化比较平滑,只在换 相时会有换相引起的电流变化. 脉冲宽度调制驱动电 流波形如图 15(b),从其上半窗口可以看出,在采样区 间内,各个周期的电流幅值波动较大,最大时可达 90 A 以上,远高于方波驱动时的 50 A;从其下半窗口可以看 出,在换相周期内电流存在由斩波引起的剧烈电流波 动. 图 15 中 2 ms 和 200 滋s 分别为图中每格对应的 数值. 对于方波驱动,电流谐波主要是由换相引起的,而 对于脉冲宽度调制驱动,还存在斩波引起的谐波. 图 16 为两种驱动方式 80000 r·min - 1 时电流波形频谱分 析得到的谐波成分的对比,从图中可以看出,脉冲宽度 调制驱动的基频大于方波驱动,这与图 15 中脉冲宽度 调制驱动的电流幅值大于方波驱动的电流幅值相吻 合. 两种驱动方式均存在较明显的高次谐波,各次谐 波的大小略有差异,并无明显的规律可循. 但是如果 将噪声进行对比可以发现,由于斩波的影响,脉冲宽度 ·1571·