把握永磁同步电机的工作原理

1、混合动力选择永磁同步电机的依据，对电机的要求，工作原理：电动汽车电机驱动系统除具有一般电气传动的共性外，还应知足电动汽车特定用途的要求。电动汽车是一种露天运行、结构紧凑、具有车载能源的行走机械，工况复杂。既要能高速奔驰，又要能频繁启动、制动、上下坡、快速超车、紧急刹车;既要能适应雪天、雨天、盛夏、严冬、雪后撒盐等恶劣天气条件，又要能经受道路的颠簸震动，还要保证司乘人员的舒适与平安。电动汽车的核心，是要用电气传动系统取代机械推动系统，用电池代替汽油作为车载能源，在零排放或少排放的前提下，知足燃油汽车各项性能、价钱指标的要求。因此，所设计的电机驱动系统应该知足以下几点要求：基速以下大转矩以适应快速

2、启动、加速、负荷爬坡、频繁起停等要求，基速以上小转矩、恒功率、宽范围以适应最高车速和超车等要求。整个转矩/转速运行范围内的效率最优化，以谋求电池一次充电后的续航里程尽可能长。电机及电控装置结构牢固、体积小、重量轻、振动。操纵性能符合司机驾驶适应，运行平稳，乘坐舒适,电气系统失效保障方法完善。单位功率的系统设备价钱尽可能的低。电动汽车驱动电机典型的输出特性要紧包括两个工作区:基速以下的恒转矩工作区，该区间要紧保证电动汽车的载重能力。基速以上的恒功率工作区，该区间保证电动汽车有充沛的加速空间。依照以上电动汽车用电机的特性需求，将分析目前主流电机（直流电机、异步电机、感应电机、永磁同步电机和开关磁阻

3、电机）的各类性能及其它们的驱动特性，从而选择适合于电动汽车用电机，并选择其操纵策略。选用小型轻量的高效电机，对目前电池容量较小，持续行驶里程较短的电动汽车现状显得尤其重要。目前在电动汽车中，要紧的电机有直流电机、感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机。直流电机调速方便，改变输入电压或电流就能够够对其转矩实现独立的操纵，进行滑腻的调速，具有良好的动态特性和调速特性，并且有本钱低、技术成熟等优势。可是，直流电机的绝对效率比较低，体积与质量较大，而且由于存在电刷与机械换向器，不仅限制了电机的过载能力与速度的进一步提高，而且长期运行时，碳刷和换向器的保护量大。另外，由于损耗存在于转子上，使得散热困难，温

4、升增高，限制了电机转矩重量比的进一步提高。由于直流电机存在上述缺点，因此在现代电动汽车中应用愈来愈少。开关磁阻电机是由磁阻电机和开关电路操纵器组成的机电一体化新型调速电机。开关磁阻电机工作时，依次使定子线圈中的电流导通或截至，电流转变形成的磁场吸引转子的凸出磁极从而产生转矩。开关磁阻电机结构简单，转子上没有绕组、磁钢或滑环，适合高速运行。但开关磁阻电机在电动汽车中没有取得普遍应用的要紧缘故在于力矩波动及电机噪音过大。目前应用开关磁阻电机的驱动系统仍然很少，这种电动汽车有霍顿汽车公司的ECOmmodorc。感应电机用于电动汽车主若是由于它具有结构简单，靠得住性高，免于维修等优势，另外矢量操纵的应

5、用又使之具有了类似于直流电机的优良特性。故较多应用于电动汽车当中。用于电动汽车当中。例如尼桑公司的“FEV”电动汽车,美国通用汽车公司的“IMPACT”电动汽车等，均采纳感应电机作为驱动电机。可是感应电机的效率比永磁电机和开关磁阻电机低，专门是在低速运行时，效率更低。同时，感应电机的参数转变对其操纵成效具有较大阻碍，因此，必需对感应电机的参数进行辨识，从而使电机具有良好的运行性能。永磁电机是一种高性能的电机，体积小，重量轻，结构简单，效率高，操纵灵活，而且功率/体积比高，功率因数高，所需的逆变器容量小，是电动汽车首选电机。例如本田公司的“EVPLUS”轿车和闻名的丰田Prius混联式混合动力电

6、动汽车采纳了额定功率为33kW的PMSM,日本Nissan公司生产的AltraEV利用了额定功率为62kW的PMSM,Honda公司的混合动力电动汽车Insight采纳了额定功率为10kW的PMSM等等。可是由于永磁同步电机转子为永磁体，无法调剂，必需通过加定子直轴去磁电流分量来减弱磁场，这会增大定子的电流，增加电机的铜耗。同时，永磁电机的磁钢价钱较高，磁性能受温度振动等因素的阻碍，过载能力受到限制。永磁同步电机与一般电励磁同步电机有很多相似的地方。它们的区别的地方是励磁方式不同，前者采纳高性能永磁材料提供转子励磁磁场，永磁体相当于具有恒定电流的自流励磁线圈，而后者那么采纳转子励磁绕组励磁，励

7、磁电流既能够是自流电流，也能够是交流电流。随着技术的进展，利用电力电子器件如SCR,GTR,IGBT和IPM等操纵的永磁同步电机驱动系统愈来愈受到人们的青睐，不仅在低压中小功率驱动系统，而且在高压大功率驱动方面，电力电子器件为永磁同步电机操纵提供了坚实的硬件条件。三相永磁同步电机(PermanentMagnetSynchronousMotor,PMSM)是从绕线式转子同步电机进展而来的。它用强抗退磁的永磁转子代替了绕线式转子，从而淘汰了易出故障的绕线式转子同步电机的电刷，克服了交流同步伺服电动机的致命弱点，同时兼有体积小、重量轻、惯性低、效率高、转子无发烧问题等特点。因此它一显现，便在高性能系

8、统中取得了普遍的应用。表1-1是对各要紧驱动电机及其驱动系统的性能比较。从表1-1中能够看出，永磁电机在功率密度、效率等性能方面均优于异步电机，尔后随着新型永磁材料的开发，永磁材料本钱有望降低，永磁电机的价钱会有所下降，从而能有比异步电机更高的性价比。整体来看，永磁同步电机的特点适合电动汽车对驱动系统的要求：体积小，重量轻，转动惯量小，功率密度高(可达1k用7/kg)；适合电动汽车空间有限的特点。效率高，功率因数高。基速以下运行不需要励磁电流,可提高功率因数，减小定子电流，使定子铜耗下降；转子不需要励磁电流，没有转子铜耗。各类电机性能:直流电机(DM)异步电机(IM)永磁同步电机(PMSM)开

9、关磁阻电机(SRM)优点控制简单，只用电压控制，不需检测磁极位置，小容量系统造价低结构简单，造价低,可高速运行，调速范围大，转动惯量小，维护简单，技术成熟体积小，重量轻，功率密度大，低速输出转矩大，效率高，维护简单结构简单、牢固，效率高，起动转矩大，价格低，免维护缺点结构复杂，不适合高速、大转矩运行，效率低，环境适应性差，维护难，容量增大造价大幅增加制造困难控制复杂，容量小时效率低，制动困难高速运行较IM复杂，需检测转子磁极位置，永磁体有退磁问题，造价较高噪音大，输出转矩脉动大(3)转矩惯量比大，过载能力强，尤其低转速时输出转矩大，适合汽车的起动加速。综合比较几种交流调速系统，永磁同步电机依托

10、其优势近期仍是电动汽车驱动系统中的主流电机。从目前的实践来看，关于永磁电机，采纳矢量操纵、对定子电流两分量实行解耦，基速以下id=O技术能够使转矩与iq成正比，可取得快速响应和精准操纵的高性能驱动系统。从混合动力电动汽车用永磁同步电机的性能要求看，希望电磁转矩大，脉动小，考虑到制造工艺问题，要求结构简单、牢固，电机容量小的，一样采纳集中整距绕组，反之，那么采纳散布整距绕组。因此，系统采纳转子结构、气隙磁场即相感应电势为正弦波、绕组电流为正弦波，散布整距绕组的三相永磁同步电机，使电机的中、高、低速度时的性能均比较好。永磁电机的进展概况在电力电子器件发生革命性冲破之前，在变速驱动领域，传统的有刷直

11、流电机因其优良的调速性能，在过去相当长的时刻内一直占据主腹地位。但由于机械式电刷与换向器的存在，使该电机的靠得住性大为降低，需要常常保护，应用受到极大限制，最近几年来被慢慢取代。交流感应电动机结构简单靠得住，大体不需保护，但该电机的速度可控性较差，效率和功率因数也较低。20世纪80年代，随着永磁材料专门是具有高磁能积、高矫顽力、低廉价钱的钛铁硼(NdFeB)永磁材料的进展，价钱低廉、体积小、性能高的永磁电机被研制成功。随着永磁材料的更新换代，国内外对各类新型结构永磁励磁式电机的研究愈来愈多，在很多场合永磁电机已经取代了传统直流电机和感应电机。同时，由于我国是稀土大国，研究和推行新型稀土永磁电机

12、具有更重要的理论意义和有效价值。由于其本身的优良特性，永磁同步电机在伺服系统中取得了普遍的应用，同时其操纵策略也被普遍研究。永磁同步电机结构(转子永磁)同步电机的转子转速n与供电电源频率f之间具有固定不变的同步关系，即只要供电电源的频率不变，同步电机的转速n视为常值不随负载的改变而变换。永磁同步电机的结构和一般的同步电机一样有三相绕组和铁心组成，只是用永磁体取代一般同步电机的励磁绕组，省去了励磁线圈、滑环和电刷，转子磁场形状呈抛物线状，气隙磁通呈正弦波散布。永磁同步电机是以永磁体来代替直流激磁作为恒定励磁的种电机。其剖面图如下图，它由定子、转子两大部件组成。三相永磁同步电机的定子指在电机运行时

13、固定不动的部份，要紧由硅钢冲片、三相Y型连接的对称同散布在槽中的绕组、固定铁芯的机壳及端盖等部份组成。这同传统同步电机定子结构大体相同。若是在三相空间对称的定子绕组中通入三相时刻上也对称的正弦电流，在三相永磁同步电机的气隙中就会产生一个在空间旋转的圆形磁场，旋转磁场的同步转速n°=60f/P,其中，f为定子电流频率，P为电动机极对数。（1）永磁同步电机的转子是指电机运行时的旋转部份，通常由转子铁心、永磁体磁钢和转子转轴组成。目前，永磁同步电机经常使用的永磁材料是钦铁硼合金（NdFeB）和铁钻合金（SmCo）o从永磁体安装方式上分，转子分为凸装式（表面贴装式）、嵌入式（插入式）和内埋式

14、（内嵌式）三种。所谓凸装式是指将永磁磁钢直接粘贴在转子铁芯表面的结构形式;嵌入式与凸装式类似，区别在于永磁磁钢是嵌入转子外表面的，那么定子铁芯到永磁体表面的距离和到转子铁芯的距离相等;而内埋式是将永磁磁钢埋装在转子铁芯内部的结构形式。由于永磁材料的相对磁导率P超级接近1,因此，凸装式转子电机的绕组电感（自感和互感）能够以为是常值（即便在定子铁芯饱和的情形下，电感的转变也超级小），如此的电机不具有凸极效应;而具有嵌入式和内埋式结构的电机，其绕组电感转变明显，电机具有明显的凸极效应。关于永磁同步电机，其定子绕组电流为正弦波，为了使电机具有恒力矩输出，电机应具有正弦波反电势，以维持Tem恒定。通过合

15、理的设计，凸装式、嵌入式和内埋式转子都可使电机实现正弦波反电势。因此，永磁同步电机可采纳三种结构形式的任何一种具有内埋式转子结构的电机，电机的磁路气隙比较小，比具有凸装式和嵌入式转子结构的电机更适于弱磁操纵。另外，通过调整内埋式转子的设计参数，能够充分利用其凸极性（即利用电机的磁阻转矩），来改良电机的输出和调速特性。凸装式和嵌入式结构能够使电机的电机常数做得比较大，如此能够减小转子的转动惯量，从而减少电机的机械时刻常数，提高电机的响应性能。其是当永磁同步电机通入由三相逆变器经脉宽调制的三相交通电源卮，电机的定子绕组会产生一个空间旋转磁场，它与转子永磁磁钢所产生的磁场彼此作用，产生与定子绕组旋转

16、磁场方向一致的旋转转矩。当电磁转矩克服了转子本身的惯量和由永磁同步电机转子中永磁体磁钢的存在所产生的阻尼转矩时，电机就开始运动起来，而且不断加速直至定子旋转磁场带动转子永磁体磁钢一路同步运行。转子永磁型长期以来，国内外学者研究较多的永磁电机多数采纳转子永磁型，这是因为传统的交流同步电机都将成立气隙主磁场的励磁绕组安装在转子极上。而在转子永磁型电机中，利用永磁材料代替励磁绕组，减小了铜耗，电动机体积和重量大为减小，结构简单，保护方便，运行靠得住，在功率密度、转矩惯性和效率方面都超过了传统的直流电机和异步电机，是高效节能电机的一个重要进展方向，近几十年来受到普遍重视。但这种电机由于将永磁体放置在转

17、子上，为克服高速运转时的离心力，需要对转子采取专门的辅助方法，如安装由不锈钢或非金属纤维材料制成的固定装置等，致使其结构较复杂，制造本钱提高。同时永磁体位于转子，冷却条件差，散热困难，而温升可能会最终致使永磁铁发生不可逆退磁、限制电机出力、减小功率密度等，制约了电机性能的进一步提高。如图目前国内外要紧研究的四种转子永磁型的电机结构。可见，四种电机的定子相同，绕组可以采用集中绕组或分布绕组。一般来说，集中绕组要紧用于无刷直流电机（BrushlessDCmotor,本文简称BLDC电机，其每相绕组产生的反电动势为梯形波，操纵电流为方波），而分布绕组要紧用F无刷交流电机（BrushlessACmot

18、or,本文简称BLAC电机，国内一样称之为永磁同步电机，每相绕组反电动势和操纵电流都为正弦波形)。其中，图(a)称为表面贴装式(Surface-Mounted),顾名思义永磁体固定在圆柱型的转子表面。由于永磁体材料和空气的相对导磁率近似相等于1,这种电机无凸极效应，即交轴电感(Lq)和直轴电感(£d)相等，绕组电感(自感和互感)能够以为是常值(即便在定子铁芯饱和的情形下，电感的转变也超级小)，如此的电机不具有凸极效应，从转矩出力的角度来讲，缺少了由于交直轴电感不等而产生的磁阻转矩分量。图(b)所示的电机与表面贴装式结构相似，只是转子做成了凸极结构，而将永磁体嵌在凹进去的部份，因此称为

19、插入式(Inset)。该电机由于LXLq,其转矩分量比表面式结构多了一项磁阻转矩，而且较大的直轴电感有助于该电机采纳弱磁操纵。图(c)和(d)的两种电机从本质上来讲属于同一种电机，统称为内嵌式(Interior),即将永磁体嵌入在转子铁心内部，都具有聚磁效应，气隙磁场密度能够设计得较大。二者唯一的不同确实是永磁体的排放位置，致使前者永磁体产生的磁通为径向，称之为径向内嵌式(RadialInterior)而后者产生的永磁磁通为切向(或说周向，CircumferentialInterior),故称之为切向内嵌式。其它形形色色的转子永磁型电机拓扑结构都是在这四种大体结构上改良而来的。针对这四种电机国

20、内外显现了大量的的研究文献，其设计程序、研究方式、操纵策略等相对都已经较为成熟。(c)(d)四种典型的转子永磁型电机(a)表面贴装式(b)插入式(c)径向嵌式(d)切向内嵌式永磁同步电机尽管转子结构不同专门大，可是利用了永磁材料，还有如下的大：(1)永磁同步电机具有电磁转矩波动小、转速平稳、动态响应速度快、过载能力强等特点。当负载转矩发生转变时，仅需要适本地改变电机的功率角度，转速还维持在原先的同步转速不变，转动部份的转动惯量可不能阻碍电机转矩的快速响应。永磁同步电机超级适合在负载转矩转变较大的上况下运行，因为其刹时最大转矩能够达到额定转矩的三信以上。(2)永磁同步电机具有高功率因数和高效率。

21、与异步电机相较,不需要无功励磁电流，因此能够取得比异步电机高很多的功率因数，进而取得相对更小的定子电流和定子铜耗，且在稳态运行时没有转子铜耗，如此就降低了总的损耗，从而能够减小风扇的容量或去掉风扇，与同规格的异步电机相较效率提高了28个百分点O(3)永磁同步电机的体积小、重量轻。随着高性能永磁材料的不断应用，永磁同步电机的功率密度取得了专门大的提高，体积和重量与同容量的异步电机相较都有专门大的减少，使得它能够在很多特殊场合应用。(4)永磁同步电机的靠得住性高。与电励磁同步电机和自流电机相较，没有电刷，结构简单，系统的靠得住性自然提高了。(5)永磁电机的结构多样化，应用范围普遍。由于其转子结构的

22、多样化，产生了特点和性能各异的许多品种。在上业、农业、民用、国防、日常生活等场合都有应用，能够说永磁同步电机无处不在。定子永磁型针对前面提到的转子永磁型电机的缺点，很自然地就会联想到定子永磁型的结构。其实早在上世纪50年代，美国者Rauch和Johnson就开始研究永磁体置于定子的新型永磁电机，所示的确实是最先显现的定子永磁型电机结构示用意，其提出时是作为永磁式发电机运行的。工作原理是当转子极在图中所示的ABCD四个不同位置与定子齿对齐时，在A位置和C位置磁路是完全相同的，现在永磁体发出的磁通都会从左至右地进入上下两个绕组中。而当转子移动到B或D时，为永磁磁通提供了不同的途径，进入绕组中的磁通

23、方向变成从右至左。如此，固定在定子辗部的电枢绕组中匝链的磁通不管是极性仍是数量都会随着转子位置而改变，依照法拉第定律，就会在绕组开路两头感应出交变的反电动势，能够直接输出。若是再与外部的整流装置相连，还能够将交变甩压整流为直流甩压输出。但由于那时的永磁体材料性能较差，磁能积很低，致使知足必然输出电压需求的电机本体需要设计得专门大，不能知足实际应用的需要，因此初期并未引发足够的重视。但是，该电机却为后来出现的其它定子永磁型电机奠定了理论基础。图1-2最早显现的定子永磁型电机CAIEE,1955年)随着以被铁硼(NdFeB)为代表的新型稀土永磁材料的出现和功率电子学、运算机、控制理论的进展，从上世

24、纪90年代开始陆续显现了三种新型结构的定子永磁型无刷电机及其驱动系统，别离为：1. 1992年由美国学者T.A.Lip。教授提出的双凸极永磁电机(Doubly-SalientPermanentMagnetMotor),在本文中简称为DSPM电机，见图1-3。2. 1996年由罗马尼亚学者I.Boldea提出的磁通反向电机(FluxReversalMachine),本文简称FRM电机，见图1-4。3. 1997由法国学者E.Hoang提出的磁通切换型永电机(Flux-SwitchingPermanentMagnetMachine),本文简称FSPM电机，见图l-5o这三种新型永磁无刷电机在结构上

25、有很多一起点，比如定转子铁心都为双凸极结构，皆采纳集中绕组，永磁体都置于定子，转子上既无永磁体又无绕组等。目前的研究功效说明这三种电机都具有高功率密度、高效率等优势。尽管这三种电机因永磁体的安放位置而都属于定子永磁型电机的范围，但工作原理却又有专门大的不同，且优缺点并存。第一看DSPM电机，实际上它是属于“开关磁阻电机+永磁体”的结构，因此从电磁特性和操纵策略来讲，也与开关磁阻电机有很多相似的地方。若是从其每相空载反电动势波形和电流操纵方式划分，又应该属于无刷直流电机。但由于其永磁磁链为单极性且电感在一个转子周期内只转变一次，这些都与传统意义上的转子永磁型无刷直流电机不同，致使在操纵策略上也有

26、其特点，例如在恒转矩区一样采纳固定开通关断角操纵斩波参考电流的方式，称之为电流斩波控制（current-chop-control,简称CCC）而在恒功率区，那么固定参考电流，通过调剂开通关断角来操纵输出转矩,称之为角度位置操纵（angle-position-control,简称APOo到目前为止，关于DSPM电机的研究文献较多，从静态特性分析、工作原理、设计方式、控制策略和实验研究等各方面都有相关报导。另外，在永磁励磁的结构基础之上，针对永磁磁场难以调剂的缺点，又接踵显现了基于DSPM电机的混合励磁双凸极电机（在定子上增加了一套调剂气隙磁场的励磁绕组）和电励磁式双凸极电机（无永磁体，励磁、电枢

27、两套绕组都安装在定子），目前都在研究当中。值得注意的是，以东南大学程明教授为首的课题组针对四相8/6极DSPM电机，提出了能够通过转子斜槽减少永磁磁链、反电动势和电感中的高次谐波分量，使其接近正弦散布，进而分析了该电机从四相变成两相运行的可行性，并有实验结果报导。但还只是局限于采纳与反电动势同相位的电流操纵方式淇等同于矢量操纵中的直轴电流为零，即id工操纵，由此，在本文中进一步深切下去，引发了一个新的思路，即将永磁同步电机的矢量操纵方式完全引进到DSPM电机中，从而通过最大转矩/电流比操纵、恒磁链操纵和满功率因数操纵等方式加倍丰硕多变地操纵该类型电机。关于DSPM电机在转子坐标系的交直轴数学模

28、型和具体矢量操纵方式。图1-3DSPM电机磁通反向电机，简称FRM电机，是将永磁体直接安装在定子齿下面，见图1-4。结构特点是在每一个定子齿与空气接触的表面安装两块磁化方向相反的弧形永磁体（一样采纳铁氧体材料）从而当转子旋转到不同的永磁体下面与定子齿对齐时，依照磁阻最小原理，极性相反的永磁磁通就会穿过定子侧的绕组，从而在电枢绕组中匝链极性和数值都随转子位置而改变的交变永磁磁链，感应出反电动势。因此，该电机的磁链特性为双极性，这与DSPM电机是不同的，而和FSPM电机一致。对照图1-1(a)的表面贴装式永磁电机，可发觉FRM电机相当于把贴在转子表面的永磁体转移到了定子齿表面上。从那个角度说，也能

29、够为FRM电机相当于定子永磁型的表面贴装式电机。但FRM电机在结构上也有明显的缺点，即永磁体的安置无形中增加了气隙的长度，使得电机的尺寸增加，且空载气隙磁密减小，阻碍电机出力。更为严峻的是,磁路分析说明电枢绕组产生的电枢反映磁通会直接穿过永磁体进入转子齿，即电枢磁通和永磁磁通是串联的，存在着永磁体发生不可逆退磁的危险。以上缘故致使了该种电机目前研究得较少。图1-4FRM电机磁通切换永磁电机，即FSPM电机(可用于电动汽车),是第三种定子永磁型电机。L既具有DSPM电机和FRM电机转子结构简单、适合高速运行、冷却方便等优势，同时又拥有转子永磁型电机空载磁链为双极性的优势。2,具有内嵌式永磁电机聚

30、磁效应的特点，使得气隙磁场可以设计得很大（可达2.5T）,致其在定子外径一样的条件下，转矩和功率都能够高于其它两种定子永磁型电，功率密度大，适合于严格限制电机尺寸同时又需要较高出力的场合，例如航空、航天、航海和电动汽车等领域。3 .电枢反应磁场和永磁磁场从磁路上说是并联的，具有很强的抗退磁能力。4 .绕组具有互补型特点，可以减少或抵消永磁磁链和反电动势波形中的高次谐波分量，在采用定子集中绕组和转子直槽的条件下就能够够取得较高的正弦度。图1-5FSPM电机永磁电机分类由以上分析可知，依照绕组中匝链的永磁磁链极性，可将DSPM电机称为单极性永磁电机，而将FRM电机、FSPM电机和所有转子永磁型甩机都称之为双极性也机。另一方面，依据永磁外，由每相电枢绕组反电动势波形和电流操纵方式，又能将永磁甩机分为无刷直流电机（方波电流）和无刷交流电机（永磁同步电机，正弦波电流）。综合上述，可将现有径向磁场的永磁电机按图1-6分类。体的安装位:，又可分为定子永磁型和转子永磁型电机。另DSPM&胤贴装式DSFM&阳骷曩式DSPMSPMFRM抽入大播入式FRM分右微组的FSPM内嵌式内城式集中绕姒的Kf/K磁