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1、永磁同步电机原理及运用,赛盈公司 王庆,介绍,各种电机的介绍及对比永磁同步电机的原理永磁同步电机的运用及方案,各种电机的介绍及对比,目前在用或开发的电动车用电动机主要有直流电动机(DCM)、感应电动机(IM)、永磁电动机(PM)、开关磁阻电动机(SRM)四类。下面分别对几种电气驱动系统进行简要分析和说明,其总体比较见表1。直流电动机驱动系统 在电动汽车领域最早使用的就是直流电动机。直流电动机结构简单,易于控制,具有良好的电磁转矩控制特性,但是由于采用机械换向结构,维护困难,并产生火花,容易对无线电产生干扰,这对高度智能化的未来电动汽车是致命的弱点。另外,直流电动机驱动系统体积大、制造成本高、速
2、度范围有限、能量密度较低,这些都限制和妨碍了直流电动机在电动汽车中的进一步应用。,各种电机的介绍及对比,感应电动机驱动系统 感应电动机现在普遍采用变频驱动方式,常见的变频控制技术有三种:V/F控制、转差频率控制、矢量控制。20世纪90年代以前主要以脉冲宽度调制(PWM)方式实现V/F控制和转差频率控制,但这两种控制技术因转速控制范围小、转矩特性不理想,而对于需频繁起动、加减速的电动汽车不太适用。近几年,电动汽车感应电动机主要采用矢量控制技术。,各种电机的介绍及对比,开关磁阻电动机驱动系统 以开关磁阻电动机(SRM)为代表的磁阻电动机是一种很有发展前途的电动机驱动系统。SRM是一种没有任何形式的
3、转子导体和永久磁体的无刷电动机,它的定子磁极和转子磁极都是凸的。SRM具有转子结构简单可靠、在较宽转速和转矩范围内高效运行、响应速度快等优点。但SRM在振动、噪声、转矩脉动、控制方式等方面还有许多问题需要解决,目前应用还受到限制。,各种电机的介绍及对比,永磁电动机驱动系统 永磁电动机既具有交流电动机的无电刷结构、运行可靠等优点,又具有直流电动机的调速性能好的优点,且无需励磁绕组,可以做到体积小、控制效率高,是当前电动车用电动机研发与应用的热点。永磁电动机驱动系统可以分为无刷直流电动机(BLD2CM)系统和永磁同步电动机(PMSM)系统。无刷直流电动机(BLDCM)系统具有转矩大、功率密度高、位
4、置检测和控制方法简单的优点,但是由于换相电流很难达到理想状态,因此会造成转矩脉动、振动噪声等问题。对于车速要求不太高的电动汽车驱动领域,BLDCM系统具有一定的优势,得到了广泛的重视和普遍应用。永磁同步电动机(PMSM)系统具有高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性以及低噪声的特点,通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能,提高电动机的调速范围,因此在电动车驱动方面具有较高的应用价值,已经受到国内外电动汽车界的高度重视,并在日本得到了普遍的应用,是一种比较理想的电动汽车驱动系统。,各种电机的介绍及对比,永磁电动机驱动系统 永磁电动机既具有交流电动机的无电刷结构、运行可靠等优点,又具有直流
5、电动机的调速性能好的优点,且无需励磁绕组,可以做到体积小、控制效率高,是当前电动车用电动机研发与应用的热点。永磁电动机驱动系统可以分为无刷直流电动机(BLD2CM)系统和永磁同步电动机(PMSM)系统。无刷直流电动机(BLDCM)系统具有转矩大、功率密度高、位置检测和控制方法简单的优点,但是由于换相电流很难达到理想状态,因此会造成转矩脉动、振动噪声等问题。对于车速要求不太高的电动汽车驱动领域,BLDCM系统具有一定的优势,得到了广泛的重视和普遍应用。永磁同步电动机(PMSM)系统具有高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性以及低噪声的特点,通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能,提高电动
6、机的调速范围,因此在电动车驱动方面具有较高的应用价值,已经受到国内外电动汽车界的高度重视,并在日本得到了普遍的应用,是一种比较理想的电动汽车驱动系统。,各种电机的介绍及对比,永磁同步电机的运用,日本电动车用永磁同步电机状况 日本1965年就开始研制电动车,于1967 年成立了日本电动车协会。由于永磁同步电机的性能优良,所以一经问世就受到日本汽车公司的青睐。1996年,丰田汽车公司的电动车RAV4就采用了东京电机公司的插入式永磁同步电机作为驱动电机,其下属的日本富士电子研究所研制的永磁同步电机可以达到最大功率50 kW,最高转速1 300 r/min。1998年1月,尼桑公司研发的新一代电动小客
7、车在美国加利福尼亚州投入使用。驱动电机采用了钕铁硼材料,电机体积很小。表2为该电动车驱动电机的技术指标。,永磁同步电机的运用,欧洲电动车用永磁同步电机状况 在法国VEDEL IC电动车计划中,PSA电动车动力传动系统生产商Moteurs Leroy-Somer在1997年改进了驱动电机。选择的新型驱动电机即为3相永磁同步电机。电机的性能指标如表3所示：,永磁同步电机的热点及趋势,作为车辆电驱动系统的中心环节,驱动电机的 总体性能是设计研制技术的关键之一。根据车辆运行的特殊环境以及电驱动车辆自身的特点,对驱动电机的技术要求主要是:(1)体积小、重量轻;有较高的功率和转矩密度;(2)要求在宽速域范
8、围内,电动机和驱动控制器都有较高的效率;(3)有良好的控制性能以及过载能力,以提高车辆的起动和加速性能。：,永磁同步电机的优点,提高电机转矩特性(1)提高输出转矩 日本电机工程研究实验室与其它公司合作推出采用双层永磁体的内置式永磁同步电机,提高了电机的交轴电导,使电机转矩增加10%,最大效率区增10%,最大峰值效率可达97%以上,主要运行区域效率可大于93%。(2)降低转矩脉动 在抑制转矩脉动方面,通常通过对电机结构进行优化设计来实现。例如:采用不均匀气隙,在转子上分布圆形孔洞,优化定子齿形,优化磁极形状等等。图2为一种新型永磁体形状设计。磁桥宽度保持不变,随着角度变小,转矩脉动和齿槽转矩减小
9、。,永磁同步电机的优点,提高电机转矩特性(1)提高输出转矩 材料利用率提高12 同等耗材用量，扭矩提高1012(2)降低转矩脉动 主要反应在启动无振动、无嘈音两方面,永磁同步电机的优点,提高弱磁扩速能力 弱磁控制：可以实现永磁同步电动机在低速时能输出恒定转矩,高速时能输出恒定功率,有较宽的调速范围。弱磁控制的目的：同一台电机在改变控制方式时实现不同的运行速度特征，例如现在的380r和450r的电机我们就可以统一成一种电机；同样的电机可以实现更宽的调速范围，解决速度和扭矩不能同时提升的矛盾。,永磁同步电机的原理,永磁同步电机其本身是一个自控式同步电机，它有定子和转子组成，有的带位置传感器，有的应
10、用场合因安装的不便利及成本上的要求无法安装位置传感器。有的定子是线圈，转子是永磁体，有的转子是线圈，定子是永磁体。但无论哪种方式，电机本身是不能够自己执行旋转控制的，它必须依赖电子换相装置，这也是为什么这种电机需要变频控制的原因。也可以这样说，该种电机系统有电动机，逆变器组成（有的还带位置传感器）。下图给出了一个基本系统原理结构图。,永磁同步电机的原理,永磁同步电动机的基本组成 电机本体同感应电机和直流电机相似，永磁同步电动机也是由转子及定子两大部件所构成，三相交流绕组在定子上；永磁体在转子上。定子 定子通常也称作电枢，它由定子三相绕组、定子铁芯、机座和端盖等零部件所构成。定子铁芯是由冲压后的
11、硅钢片紧密叠装而成。转子转子有两种型式的结构，依据定转子之间的气隙分布有隐极式和凸极式之分。凸极式可看出转子有明显的凸出磁极，且气隙不均匀分布。隐极式转子成圆柱形，均匀分布气隙。对这两种转子需要采用不同的驱动方式。,永磁同步电机的结构示意图,永磁同步电机的运行原理,为方便理解我们先从BLDC电机120度直流方波控制来讲解电机的基本工作原理，而180度控制原理则是在120度方波控制的基础上加入正弦变化控制。换言之，针对电机最优的控制，要看电机的反电动势是方波还是正弦波。方波或梯形波的按直流控制，正弦波的按正弦变化控制。无刷直流（BLDC）电机的基本旋转需依靠转子位置传感器检测的位置信息，然后经过
12、电子换相电路来驱动控制同电枢绕组相连接的各个功率开关器件的关断或导通，从而起到控制绕组的通电状态，并在定子上产生一个连续的旋转磁场，以拖动转子跟着旋转。随着转子的不断旋转，传感器信号被不断的反馈给芯片，主芯片据此来改变电枢绕组的通电状态，使得在每磁极下的绕组中的电流方向相同。因此可以产生恒定转矩，并使BLDC电机连续旋转运行起来。,永磁同步电机的运行原理,所谓的120度变频控制，其实是采取两两导通方式的控制策略。所谓两两导通方式指每一时刻仅有两个功率管导通，每1/6周期，开关管换相一次，而每次换相也即PWM调制一个功率管。，按此调制通断即可产生连续的旋转电枢磁势，从而使电机运转。注意这里对12
13、0度变频来讲，每一步的PWM的占空比是固定不变的，从而产生直流方波。这种控制方式的特点，简单方便，容易掌握。而180度变频则不仅每1/6周期的PWM占空比不同，而且每一个PWM脉冲的占空比都在调整中，并在每个电周期内使电压按照正弦规律变化，对矢量变频来讲使能电流或磁通按照正弦规律周期变化控制。,驱动波形示意图,永磁同步电机的运行原理,电枢反应空载时，同步电机气隙中仅有转子磁势存在。而带负载后，除转子磁势之外，还有定子三相电流产生的电枢磁动势。电枢磁动势的存在，会使气隙中磁场的位置和大小发生畸变，这种电枢磁势影响主磁极磁场的现象我们称之为电枢反应。电枢反应除了能使气隙磁场产生畸变之外，还会关系到
14、机电能量转换，还有增磁或去磁作用，这对电机的运行性能会产生很大的影响。该反应的性质取决于，主磁场与电枢磁势在空间上的相对位置，分析表明该位置与负载电流Ia和激磁电动势E0之间的相位差有关，下面将根据它们之间的相位关系分别进行分析。同相位时的电枢反应与矢量相加后为气隙合成磁动势，另外，习惯上用d（直轴）来表示转子磁极轴线，用q（交轴）来表示N，S极之间的中线。这样因为交轴磁势的存在，会使合成磁势轴线的位置发生位移，并且幅值也发生一定的变化。,永磁同步电机的运行原理,显然从图中可看出电枢磁势的方向与气隙磁势的方向相反，电枢反应是去磁效果的。,图3.6=90时的电枢反应,永磁同步电机的运行原理,永磁同步电机的运行原理,永磁同步电机的运行原理,永磁同步电机的数学模型,关于三相永磁同步电机的基本方程、等效电路、及分析可参考文献和文献。三相电压的基本方程如下,永磁同步电机的数学模型,永磁同步电机的数学模型,永磁同步电机的数学模型,永磁同步电机的数学模型,永磁同步电机的数学模型,永磁同步电机的数学模型,永磁同步电机的数学模型,永磁同步电机的外部特征,永磁同步电机的外部特征,永磁同步电机的外部特征,谢谢大家！再见！,
