2024年4月16日发(作者：)

时　碱　

基号永磁同步电机驱动的电动　

车辆反ｊｆｊ包保护贯潘　探　

杜卫彬　胡廷辉　

（金龙联合汽车工业（苏州）有限公司）　

摘要：介绍了永磁同步电机特点、非受控再生制动状态及危害，阐述了永磁同步电机反拖保护方案，并对方案中不足提出了　

改进意见。　

关键词：永磁同步电机车辆故障反拖保护　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ａｎｔｉ　ｄｒａｇ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ　ｄｒｉｖｅ　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ，ｔｈｅ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｎｏｎ　

ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ　ｂｒａｋｉｎｇ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｈａｒｍ，ｅｘｐｏｕｎｄｓ　ｔｈｅ　ａｎｔｉ　ｄｒａｇ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　

ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ，ａｎｄ　ｐｕｔｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｓｏｍｅ　ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｃｈｅｍｅ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ，ｖｅｈｉｃｌｅ　ｔｒｏｕｂｌｅ，ａｎｔｉ　ｄｒａｇ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　

０引言　

动状态与反拖保护进行了阐述。　

永磁同步电机具有能量转化效率高、体积小、重　

１永磁同步电机特点　

量轻、噪音低等优点，并具有电动汽车驱动的最优综　

合指标，此类型电机在国内外的电动汽车上得到了广　

永磁体安装的灵活性使永磁同步电机结构具有　

泛的应用。就永磁同步电机而言，尚有许多问题值得　

多样性的特点。永磁同步电机常用的几种磁路结构及　

探讨，包括反电动势大小对永磁同步电机以致整个动　其特点见表１　。由于永磁同步电机不需要转子磁场　

力传动系统的运行性能的影响，不同应用场合下反电　励磁，是由转子上的永久磁体提供转子磁场，因而转　

动势带来的问题和相应解决措施等。　

子磁场不会随着外部所接三相电流的变化而变化。从　

一

般情况下，永磁同步电机高速转动时不允许　

表１中的结构图可以看出，当电机不供电仍然转动　

断开其高低压供电，否则将导致控制器失控，电机产　时，在转子上的永久磁铁仍然会产生转子旋转磁场，　

生的反电动势高压作用在控制器上，此时控制器功　这个磁场在定子三相绕组中的感应电动势称为反电　

率转换器件存在过压损坏的风险［１Ｊ。配备永磁同步电　动势。反电动势不仅与转子磁场的大小有关，而且与　

机的电动汽车在出现故障后，若用拖车拖动，永磁同　

电机转速成正比，反电动势由式（１）计算。　

步电机处于反拖状态，处置不当将导致电机控制器　

（１）　

损坏，继而增加整车安全隐患。目前介绍永磁同步电　

式中　为反电动势，　为极对数，　为机械角速　

机反拖保护的文献较少，仅有北京交通大学对轨道　

度，　为电机转子磁链。由式（１）可知，转子磁链与永　

列车滑行工况下的保护机制进行了研究，因而有必　

磁同步电机反电动势直接相关；永磁同步电机与异步　

要对该问题进行深入的探究。本文从永磁同步电机　

牵引电机最大的区别在于永磁同步电机由永磁体励　

的特点人手，分别就永磁同步电机的非受控再生制　磁，无法关断，因此永磁同步牵引系统与异步牵引系　

《客车技术》ＫＥＣＨＥＪＩＳＨＵ　２０１７．５．　固　

设计．计算．研究　

统的力‘案波汁区刖主嘤体现任水磁…步电机反电动　

磁性能以及故障保护策略的　参数，其合理选择也　

势选择　时短路电流足衡　永磁Ｍ步牵引系统剥　

是系统发汁的　要＿１　作之一　

表１永磁同步电机常用几种磁路的结构及特点　

文阳　弋　ｆｊＪ　住向式　Ｖ　ＪＩ　ｊ　多　【ｌ彤　

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持　・　、　：　简ｔ丫『、溺磁系数　特　一　　、：转轴无　采ｌＲ　磁措施．极弧系数　ｊ　制．转ｒ　特　　－：ｊ　彳丁较人的凸｝歧半．能扶　更岛的转｛＝｛ｔ情Ｉ延车１１较宽　

小由ｊ　交ｈ轴Ｉ乜感接近，　Ｉｌｆ　ｌｌ做强度较高．发　水臌体后转了１　变形　、形　的　』ｌ『Ｊ池Ⅲ，Ｉ　Ｊ以提　，　多ｎ　水融伴锲放。　ＩＪ．从　ｒ以　

磁ｍ转　分｛Ｉ：＝近似　．　站构比　通ｉ　向　＿】Ｊ提供更人的水磁体发　。　Ｉ＇ｕ　Ｊ，从Ｉｎ】　￡小ｌ　ｌｆ　１ｆ　！，　６　ＩＵｆＪｌｆ门Ｊ　Ｊ牛密瞍ｆｆ１ｊ　Ｌ　ｉ构秆Ｈ制造　

高速上耋ｆ　ｆ¨水磁休的安　－，ｆ【－』减小ｆｎ机的怵　，提ｒ　ｉ乜机的功率惭瞍　】　岂均较　，制造　小也比较舟．　

装Ｉ　艺　求较ｆ　

２永磁同步电机非受控再生制动状态及危害　

性曲线运ｉ　，这种现象称为　受控再生制动　、　非受　

控　生制动发生时，若再／　－ＰＩｉ＂动能量不能被储能元件　ＩＪ

永磁¨步电机主Ｉ乜路结构如图１所爪，二相全桥　

完全吸收，则会，ｊｆ起直流侧电　上升，导致过电压，存　

逆变器订人功率晶体篱（ＧＴＲ）、功率场效应晶体管　

在ＩＧＢＴ被烧毁的风险。　

（ＭＯＳＦＥｒｒ）、绝缘栅双撇Ｉ　体管（ＩＧＢＴ）等器件，图叶１　

Ｑ厂Ｑ　分刖表示６组开火器件，每绀均山一个ＩＧＢＴ　

３永磁同步电机反拖保护方案及特点　

和一个续流．－极管组成＿１Ｉ。　

３。１反拖保护方案　

口前对水磁　步电机的反拖保护一　有以下　

４种解决力‘案，具体力　案如下　

ａ．电机处ｆ反拖状态时，应时刻检测ｆ乜机的转　

速，根据转速汁算反电动势的大小，当反【乜动势值大　

于商流侧坶线电压值时，施ＪＪｆ１“轴去磁电流，使电机　

端电压小ｒ　流侧母线电　，直至某一转速下反电　

动势的幅　小于等于商流侧『：Ｊ＝线电压为止　当电机转　

图１永磁Ｉ司步电机主电路结构　

速所对应的眨电动势大于逆变器直流侧ｔ！Ｘ　Ｊ－　时，需要　

对果『｛｛异步电机作为牵引电机的Ｉ乜动车而言，当　

施加去磁｝ｔＡ流，此时会产，　受控冉生制动，ｎ制动　

车辆处ｊ：滑行工况时，将主电路｜ｆＩ逆变器的触发脉冲　

电流与转　的大小随转速的减小而减小．腹拖时弱磁　

关断，｝乜机不会发生再，卜制动。对于永磁同步电机而　控制原理盘ｌ　１２所示　除此之外，电机的ｌＩ１ｌ极率也会　

言，当高速反拖运行时，若逆变器元件的触发脉冲关　对冉生制动产牛电流与转　产乍影响，但址这利Ｉ＿１Ｆ｝受　

断，永磁州步电机侧仍然会感应出电动势，也就是反　

控的再生；ｔｉ１动足不利的，ｆ大¨　有必要从控制角度来减　

电动势，　日．反电动谤有可能大于逆变器直流侧电　小或避免这种情况的发生　．此种力　案在电机反拖时有　

压，此时逆变器的续流■檄管起整流作用，Ｉ大ｊ而电机　

电流存在，会产牛额外的１Ｕ机损牦，降低Ｉ乜机效率，当　

会产生制动转矩，将机械能转换为电能，流向直流侧　、　整车出现故障　能正常供电或电机控制器｝【Ｊ现故障　

但这种制动转矩不完令Ｉ叮控，无法按照车辆的制动特　时不能起刮仃效的保护作川　　．

２０１　７．５．ＫＥＯＨＥＪＩＳＨＵ《客车技术》　

时、博、融　

高压器件，具体方案如下。　

永磁同步电机的输出轴侧与电磁离合器的主动　

盘连接，传动系统与离合器的从动盘连接，改进后永　

磁同步电机正常运行时连接如图４所示，虚线框内即　

电磁离合器，结构为常闭式。保证车辆在正常运行时　

电磁离合器的开关处于断开状态，并节省能源。　

ｂ．断路开关设置。在永磁同步电机和控制器之间　

设置断路开关，电路图如图３所示。这样在反拖时不　

图４改进后永磁同步电机正常运行时连接　

仅可将永磁同步牵引电机与控制器有效地断开，避免　

高反电动势带来的不利影响，还可以起到防止故障进　

一

当车辆处于故障状态需要拖走处理时，远程开关　

切断电磁离合器，断开电机与车辆之间的连接，当电　

机被拖动运行时，可避免永磁同步电机由于整挚魄性　

而产生的高压反电动势，有效地保护了电机控制器，　

保证行车安全。　

为了减少对电磁离合器的损伤，避免产生其他伤　

害，本装置务必在永磁同步电机完全停止转动后启　

步扩大的作用。也可以利用永磁同步牵引电机的励　

磁不可切断的特点实现系统安全备用制动功能，图３　

中的ＲＢＳ即为安全备用制动电阻［２１。但此种方案增大　

了电机传动系统的体积，并增加成本。　

动。为此，本文设计了一个互锁装置，只有整车的电源　

重启后，并经过一定的时间延迟才能实现开关切断，　

图５为改进后永磁同步电机反拖运行时连接图。　

图３设置断路开关　

ｃ．

拖车拖动时拆下电机三相线，由人工断开电机　

图５改进后永磁同步电机反拖运行时的连接　

与控制器之间的电路连接，从结构上彻底切断物理连　

接。但此种方案的可操作性不强，在高压电的操作方　

面存在安全风险。　

４结论　

ａ．结合永磁同步电机的特性，分析了车辆处于被　

拖状态下电机处于非受控再生发电工况。若此时的制　

动能量不能被完全回馈，将引起直流侧电压上升和过　

电压，导致电机控制系统存在安全隐患。　

ｂ．对现有的４种解决方案进行分析，提出了各自　

ｄ．控制拖车车速。拖车时使电机转速不超过其额　

定转速值，由此产生的反电动势在安全范围内，否则　

会造成控制器损坏。　

３．２反拖保护方案改进　

永磁同步电机反拖时的保护问题在国内尚未有　

相关专利与文献，本文提出一种集成电磁离合器（常　

闭）的解决方案，即在电机和传动装置之间增加一个　

电磁离合器。当车辆出现故障并处于拖车状态时，通　

过简单的控制可使电磁离合器断开电机与车辆之间　

的连接，避免产生反电动势，有效保护电机控制器及　

应用场合和特点，在此基础上提出一种基于电磁离合　

器的安全保护装置，即在电机和传动装置之间增加一　

个电磁离合器，当车辆出现故障并处于反拖状态时，通　

过简单的控制电磁离合器切断电机与车辆之间的连　

接，有效地保证了反拖时的行车安全。　（上转５页）　

《客车技术》ＫＥＣＨＥＪＩＳＨＵ　２０１７．５．　固　

多材料的使川、囚离强钢、锅合金、镁合金、复　

合材料等汽乍轻　ｉ化材料特性不同，川途不同，存在　

定　叟的替代，　４　能完全替代。高强钢碰撞性能较　

．

『＿ＪｆＪ　ｌ：　成熟，成本优势明显，但减重效果／ｆ　如其　

他材料；　搜｛７；合金，｛　产　艺比较成熟，但承载　、力　

、　性能　锏州｝比ｆＪｊ彳　；镁的崭发低、质节轻，但　

造价ｆ岛，　卜命瑚！ＵＪｌｆ￣碳排放量较高；　料制品质量　

、

ＪＪｌＩ　Ｉ　Ｉ￣ｋｔｉＬ．良　，　…收处理过程中存在环境污染　

题，　制ｒＪ　使川１范…．冈此，汽车轻量化新材料的　

选川　孑虑　个＝度、性能、成夺、环保等多种凶素，多材　

料址汽１　材料使ＪＩＪＩｌ＇ｊ，　ｌ本战略　存汽车轻量化的大趋　

贽卜，推动多种汽．１　轻ｈ　化新材料发腱势在必行　

ｈ．』Ｊｌ　ｌＩ－卜游多方合作，推动技术创新。支持上　

游材料　、ｆＩ，　卜游汽　生产商研发合作，推广ＥＶＩ　

中Ｉｌ』　，　川　代　息技术，卜寓完善汽车材料产品设　

汁、仿ｒ　模拟等技术，提供良好的材料产品解决方案，　

为卜游汽　ｔ　商　断提供新材料和个性化服务。鼓　

呦材料介、Ｊ　根　汽乍』一商实际需求优化材料结构和　

ｌ　选择，ｑ．－ｊ　：轻城化、通』玎化、模块化、环保化的汽　

１　邴什，培养集研发、没汁、制造、服务等为一体的　

人，　材料供　商　推动汽乍　产制造商　材料企、　的　

多　作，建●　共　研发模式，汽车厂商成及时反馈　

１　场　求，参　ｊ新材料及新产　的丌发推广，形成新　

材料研发联合体　

姒化Ｊ　研Ｊｌ『ｊ介作，提高自主创新能力　加大　

琏础研究投入，鼓劝Ｉ岛饺、科研院所等开展轻量化材　

料　础和ｌ核心技术攻关，并ＪＪｕ强Ｌ孑企业的研发合作，　

突破・批新技术ｌｆ１ｌ产、　化关键技术，力ｌ１快科研成果的　

产、ｌＩ，转化　支持个、　引进同外先进技术，并进行消化　

ｌ１殷收ｆｌｆ利川１，ＪＪＩＩ灶『人Ｊ部研发，推动企业成为应用技术　

的研发　体，…时鼓励　业与高校、科研机构等共建　

吐点　验窜、ｌ　技术研究ｔ　等，强化外部研发，提　

如创新活动效率ＪＪＩ１　政策支持，通过新材料、技改专　

项等资金支持汽乍轻　ｉｌＩｔ．化新材料的研发，鼓励金融机　

构ＪＪｌ１人埘汽１　轻啦化新材料项Ｈ的信贷支持力度，营　

造仃利于汽乍轻　化材料创新发展的氛围。　

ｄ．ｊＪＩ１人心肘１　场歼拓，实现规模化生产　把握汽　

１　轻　化人趋势，干！｛极研发新产品，找准产品定位，优　

化产　结构，刺激Ｉｆ　场需求，抢占更多市场份额，带动　

综述　

汽车轻量化材料的技术进步和ｉ规惯化　产，实现规馍　

经济，促使成小卜降．进一步扩大『Ｈ场需求　通过技术　

创新控制材料的成小，　材料的　收利』１］，提高材　

料利用率，充藩材料研发——原材料生ｊ　：——零部件　

制造——整个集成　ＪｌＪ——【　Ｉ收　利川的令，。：业链，　

推动汽车轻　ｌ！化材料的绿色发腱，拓宽下游应ｊ｝｛市　

场。鼓励材料　、ＩＪ　现彳ｒ研发，ｈ　汽乍轻垃化材料的　

同时，延伸　、Ｉ　链，　会服务，提高后期维护服务　

能力，推动轻艟化材料的　、Ｊ　化发腱　

４结论　

汽车轻ｆＩＩ化技术　｝址轻ｂ＇－，ｆＥ材料　刚技术，是　

口前我圈汽１　轻　化Ｉ：　的火键，提丌传统汽下的碰　

撞安个性不１Ｊ燃油经济　¨：我　ＩＪｋ‘减排工作有着　

十分重要ａｇ：Ｇ义、　颅汁术米　｝ｉ内，新能源汽乍的年　

身和零部件将人　使川锚　、镁合仑、碳纤维、加强　

的热　性和热　材料、『　’　度钠等新材料，　带来　

人规模的材料ｆ　场　

收惴ｆｌｉｆ』Ｊ：２０１７－０９～０４　

（下接８页）　

参考文献　

【１】崔玲．永磁同步牵引电机高速惰行时反电动势问题的研究　

ｆＤ　Ｅ京交通大学硕士沦文，２０１２．　

【２】冯江华．轨道交通永磁同步牵引系统研究【ＪＪ．机车电传动，　

２０１０，５：１５—２１．　

【３】近藤稔．永磁同步电动机在铁道机车动车上的应用．变流技　

术与电力牵引ＩＪ１，２００３，１：ｌ一５．　

『４】柯以诺冰磁同步电机传动系统在电动车辆上的应用．大功　

率变流技术ｆＪ１，２００９，５：３１—３７．　

［５】陈振强．电动汽车永磁同步电机没计与分析　Ｊ．西南交通大　

学硕：ｔ论文，２０１３．　

ｆ６１沈启平．车用高功率密度永磁同步电机的研究【Ｄ】．沈阳工业　

大学博士论文，２０１２．　

【７】刘子建．四象限级联型多电平高压大功率逆变器控制系统　

研究【Ｄ】．中南大学博士论文，２０１２．　

【８］Ｔ．Ｋｌｏｃｋｏｗ，等．永久磁铁励磁的牵引电动机ＩＪＪＩ变流技术与　

电力牵引，２ｏｏ３，５：３７—４４．　

收稿日期：２０１７—０６—１６　

２０１７．５．ＫＥＣＨＥＪＩＳＨＵ《客车技术》团