電機(jī)培訓(xùn)資料ppt課件

1、永磁同步電機(jī)原理及運(yùn)用永磁同步電機(jī)原理及運(yùn)用 賽盈公司 王慶 引見引見各種電機(jī)的介紹及對比永磁同步電機(jī)的原理永磁同步電機(jī)的運(yùn)用及方案各種電機(jī)的介紹及對比各種電機(jī)的介紹及對比 目前在用或開發(fā)的電動車用電動機(jī)主要有直流電動機(jī)(DCM) 、感應(yīng)電動機(jī)( IM) 、永磁電動機(jī)( PM) 、開關(guān)磁阻電動機(jī)( SRM)四類。下面分別對幾種電氣驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行簡要分析和說明 , 其總體比較見表1。 直流電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 在電動汽車領(lǐng)域最早使用的就是直流電動機(jī)。直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單, 易于控制, 具有良好的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性, 但是由于采用機(jī)械換向結(jié)構(gòu), 維護(hù)困難, 并產(chǎn)生火花, 容易對無線電產(chǎn)生干擾, 這對高度智能化

2、的未來電動汽車是致命的弱點(diǎn)。另外,直流電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)體積大、制造成本高、速度范圍有限、能量密度較低, 這些都限制和妨礙了直流電動機(jī)在電動汽車中的進(jìn)一步應(yīng)用。各種電機(jī)的介紹及對比各種電機(jī)的介紹及對比 感應(yīng)電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 感應(yīng)電動機(jī)現(xiàn)在普遍采用變頻驅(qū)動方式, 常見的變頻控制技術(shù)有三種: V /F控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制。20世紀(jì)90年代以前主要以脈沖寬度調(diào)制( PWM)方式實(shí)現(xiàn)V/F控制和轉(zhuǎn)差頻率控制, 但這兩種控制技術(shù)因轉(zhuǎn)速控制范圍小、轉(zhuǎn)矩特性不理想,而對于需頻繁起動、加減速的電動汽車不太適用。近幾年, 電動汽車感應(yīng)電動機(jī)主要采用矢量控制技術(shù)。各種電機(jī)的介紹及對比各種電機(jī)的介紹及對比 開關(guān)磁

3、阻電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 以開關(guān)磁阻電動機(jī)( SRM)為代表的磁阻電動機(jī)是一種很有發(fā)展前途的電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。SRM是一種沒有任何形式的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體和永久磁體的無刷電動機(jī), 它的定子磁極和轉(zhuǎn)子磁極都是凸的。SRM具有轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單可靠、在較寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運(yùn)行、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。但SRM在振動、噪聲、轉(zhuǎn)矩脈動、控制方式等方面還有許多問題需要解決,目前應(yīng)用還受到限制。各種電機(jī)的介紹及對比各種電機(jī)的介紹及對比 永磁電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 永磁電動機(jī)既具有交流電動機(jī)的無電刷結(jié)構(gòu)、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn), 又具有直流電動機(jī)的調(diào)速性能好的優(yōu)點(diǎn), 且無需勵磁繞組, 可以做到體積小、控制效率高, 是當(dāng)前電動車用電動機(jī)研發(fā)與應(yīng)用的熱點(diǎn)

4、。 永磁電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)可以分為無刷直流電動機(jī)(BLD2CM)系統(tǒng)和永磁同步電動機(jī)(PMSM)系統(tǒng)。無刷直流電動機(jī)(BLDCM)系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)矩大、功率密度高、位置檢測和控制方法簡單的優(yōu)點(diǎn), 但是由于換相電流很難達(dá)到理想狀態(tài), 因此會造成轉(zhuǎn)矩脈動、振動噪聲等問題。對于車速要求不太高的電動汽車驅(qū)動領(lǐng)域,BLDCM系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢, 得到了廣泛的重視和普遍應(yīng)用。 永磁同步電動機(jī)( PMSM)系統(tǒng)具有高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性以及低噪聲的特點(diǎn), 通過合理設(shè)計(jì)永磁磁路結(jié)構(gòu)能獲得較高的弱磁性能, 提高電動機(jī)的調(diào)速范圍, 因此在電動車驅(qū)動方面具有較高的應(yīng)用價值, 已經(jīng)受到國內(nèi)外電動汽車界的高度重

5、視, 并在日本得到了普遍的應(yīng)用 , 是一種比較理想的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)。各種電機(jī)的介紹及對比各種電機(jī)的介紹及對比 永磁電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 永磁電動機(jī)既具有交流電動機(jī)的無電刷結(jié)構(gòu)、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn), 又具有直流電動機(jī)的調(diào)速性能好的優(yōu)點(diǎn), 且無需勵磁繞組, 可以做到體積小、控制效率高, 是當(dāng)前電動車用電動機(jī)研發(fā)與應(yīng)用的熱點(diǎn)。 永磁電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)可以分為無刷直流電動機(jī)(BLD2CM)系統(tǒng)和永磁同步電動機(jī)(PMSM)系統(tǒng)。無刷直流電動機(jī)(BLDCM)系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)矩大、功率密度高、位置檢測和控制方法簡單的優(yōu)點(diǎn), 但是由于換相電流很難達(dá)到理想狀態(tài), 因此會造成轉(zhuǎn)矩脈動、振動噪聲等問題。對于車速要求不太高的電動汽車驅(qū)

6、動領(lǐng)域,BLDCM系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢, 得到了廣泛的重視和普遍應(yīng)用。 永磁同步電動機(jī)( PMSM)系統(tǒng)具有高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性以及低噪聲的特點(diǎn), 通過合理設(shè)計(jì)永磁磁路結(jié)構(gòu)能獲得較高的弱磁性能, 提高電動機(jī)的調(diào)速范圍, 因此在電動車驅(qū)動方面具有較高的應(yīng)用價值, 已經(jīng)受到國內(nèi)外電動汽車界的高度重視, 并在日本得到了普遍的應(yīng)用 , 是一種比較理想的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)。各種電機(jī)的介紹及對比各種電機(jī)的介紹及對比 永磁同步電機(jī)的運(yùn)用永磁同步電機(jī)的運(yùn)用 日本電動車用永磁同步電機(jī)狀況 日本1965年就開始研制電動車, 于1967 年成立了日本電動車協(xié)會。由于永磁同步電機(jī)的性能優(yōu)良, 所以一經(jīng)

7、問世就受到日本汽車公司的青睞。2019年, 豐田汽車公司的電動車RAV4就采用了東京電機(jī)公司的插入式永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī),其下屬的日本富士電子研究所研制的永磁同步電機(jī)可以達(dá)到最大功率50 kW, 最高轉(zhuǎn)速1 300 r/min。2019年1月, 尼桑公司研發(fā)的新一代電動小客車在美國加利福尼亞州投入使用。驅(qū)動電機(jī)采用了釹鐵硼材料, 電機(jī)體積很小。表2為該電動車驅(qū)動電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)。永磁同步電機(jī)的運(yùn)用永磁同步電機(jī)的運(yùn)用 歐洲電動車用永磁同步電機(jī)狀況 在法國VEDEL IC電動車計(jì)劃中, PSA電動車動力傳動系統(tǒng)生產(chǎn)商Moteurs Leroy - Somer在2019年改進(jìn)了驅(qū)動電機(jī)。選擇的新型

8、驅(qū)動電機(jī)即為3相永磁同步電機(jī)。電機(jī)的性能指標(biāo)如表3所示：永磁同步電機(jī)的熱點(diǎn)及趨勢永磁同步電機(jī)的熱點(diǎn)及趨勢 作為車輛電驅(qū)動系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié), 驅(qū)動電機(jī)的 總體性能是設(shè)計(jì)研制技術(shù)的關(guān)鍵之一 。根據(jù)車輛運(yùn)行的特殊環(huán)境以及電驅(qū)動車輛自身的特點(diǎn), 對驅(qū)動電機(jī)的技術(shù)要求主要是: (1) 體積小、重量輕; 有較高的功率和轉(zhuǎn)矩密度; (2)要求在寬速域范圍內(nèi), 電動機(jī)和驅(qū)動控制器都有較高的效率; (3)有良好的控制性能以及過載能力, 以提高車輛的起動和加速性能。：永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性 (1)提高輸出轉(zhuǎn)矩 日本電機(jī)工程研究實(shí)驗(yàn)室與其它公司合作推出采用雙層永磁體的內(nèi)置式永磁同步電機(jī)

9、, 提高了電機(jī)的交軸電導(dǎo), 使電機(jī)轉(zhuǎn)矩增加10%, 最大效率區(qū)增10% , 最大峰值效率可達(dá)97%以上, 主要運(yùn)行區(qū)域效率可大于93%。 (2)降低轉(zhuǎn)矩脈動 在抑制轉(zhuǎn)矩脈動方面, 通常通過對電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。例如: 采用不均勻氣隙, 在轉(zhuǎn)子上分布圓形孔洞, 優(yōu)化定子齒形, 優(yōu)化磁極形狀等等。圖2為一種新型永磁體形狀設(shè)計(jì)。磁橋?qū)挾缺３植蛔? 隨著角度變小, 轉(zhuǎn)矩脈動和齒槽轉(zhuǎn)矩減小。永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性 (1)提高輸出轉(zhuǎn)矩 材料利用率提高12 同等耗材用量，扭矩提高1012 (2)降低轉(zhuǎn)矩脈動 主要反應(yīng)在啟動無振動、無嘈音兩方面永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)永磁同步

10、電機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 提高弱磁擴(kuò)速能力 弱磁控制：可以實(shí)現(xiàn)永磁同步電動機(jī)在低速時能輸出恒定轉(zhuǎn)矩, 高速時能輸出恒定功率, 有較寬的調(diào)速范圍。 弱磁控制的目的： 同一臺電機(jī)在改變控制方式時實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)行速度特征，例如現(xiàn)在的380r和450r的電機(jī)我們就可以統(tǒng)一成一種電機(jī)； 同樣的電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)更寬的調(diào)速范圍，解決速度和扭矩不能同時提升的矛盾。 永磁同步電機(jī)的原理永磁同步電機(jī)的原理 永磁同步電機(jī)其本身是一個自控式同步電機(jī)，它有定子和轉(zhuǎn)子組成，有的帶位置傳感器，有的應(yīng)用場合因安裝的不便利及成本上的要求無法安裝位置傳感器。有的定子是線圈，轉(zhuǎn)子是永磁體，有的轉(zhuǎn)子是線圈，定子是永磁體。但無論哪種方式，電機(jī)本身是不能夠

11、自己執(zhí)行旋轉(zhuǎn)控制的，它必須依賴電子換相裝置，這也是為什么這種電機(jī)需要變頻控制的原因。也可以這樣說，該種電機(jī)系統(tǒng)有電動機(jī)，逆變器組成有的還帶位置傳感器）。下圖給出了一個基本系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖。永磁同步電機(jī)的原理永磁同步電機(jī)的原理 永磁同步電動機(jī)的基本組成 電機(jī)本體同感應(yīng)電機(jī)和直流電機(jī)相似，永磁同步電動機(jī)也是由轉(zhuǎn)子及定子兩大部件所構(gòu)成，三相交流繞組在定子上；永磁體在轉(zhuǎn)子上。定子 定子通常也稱作電樞，它由定子三相繞組、定子鐵芯、機(jī)座和端蓋等零部件所構(gòu)成。定子鐵芯是由沖壓后的硅鋼片緊密疊裝而成。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子有兩種型式的結(jié)構(gòu)，依據(jù)定轉(zhuǎn)子之間的氣隙分布有隱極式和凸極式之分。凸極式可看出轉(zhuǎn)子有明顯的凸出磁極，且氣隙

12、不均勻分布。隱極式轉(zhuǎn)子成圓柱形，均勻分布?xì)庀?。對這兩種轉(zhuǎn)子需要采用不同的驅(qū)動方式。永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理 為方便理解我們先從為方便理解我們先從BLDCBLDC電機(jī)電機(jī)120120度直流方波控制來講解電機(jī)的基本工作原理，而度直流方波控制來講解電機(jī)的基本工作原理，而180180度控制原度控制原理則是在理則是在120120度方波控制的基礎(chǔ)上加入正弦變化控制。換言之，針對電機(jī)最優(yōu)的控制，要看電機(jī)的反度方波控制的基礎(chǔ)上加入正弦變化控制。換言之，針對電機(jī)最優(yōu)的控制，要看電機(jī)的反電動勢是方波還是正弦波。方波或梯形波的按直流控制，正弦波的按

13、正弦變化控制。電動勢是方波還是正弦波。方波或梯形波的按直流控制，正弦波的按正弦變化控制。 無刷直流無刷直流BLDCBLDC電機(jī)的基本旋轉(zhuǎn)需依靠轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的位置信息，然后經(jīng)過電子換相電電機(jī)的基本旋轉(zhuǎn)需依靠轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的位置信息，然后經(jīng)過電子換相電路來驅(qū)動控制同電樞繞組相連接的各個功率開關(guān)器件的關(guān)斷或?qū)ǎ瑥亩鸬娇刂评@組的通電狀態(tài)，路來驅(qū)動控制同電樞繞組相連接的各個功率開關(guān)器件的關(guān)斷或?qū)ǎ瑥亩鸬娇刂评@組的通電狀態(tài)，并在定子上產(chǎn)生一個連續(xù)的旋轉(zhuǎn)磁場，以拖動轉(zhuǎn)子跟著旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的不斷旋轉(zhuǎn)，傳感器信號被不并在定子上產(chǎn)生一個連續(xù)的旋轉(zhuǎn)磁場，以拖動轉(zhuǎn)子跟著旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的不斷旋轉(zhuǎn)，傳感

14、器信號被不斷的反饋給芯片，主芯片據(jù)此來改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在每磁極下的繞組中的電流方向相同。斷的反饋給芯片，主芯片據(jù)此來改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在每磁極下的繞組中的電流方向相同。因此可以產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，并使因此可以產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，并使BLDCBLDC電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)行起來。電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)行起來。永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理 所謂的所謂的120120度變頻控制，其實(shí)是采取兩兩導(dǎo)通方式的控制策略。所謂兩兩導(dǎo)通方式指每一時刻僅度變頻控制，其實(shí)是采取兩兩導(dǎo)通方式的控制策略。所謂兩兩導(dǎo)通方式指每一時刻僅有兩個功率管導(dǎo)通，每有兩個功率管導(dǎo)通，每1/61/6周期，開關(guān)管換相一次，而每次

15、換相也即周期，開關(guān)管換相一次，而每次換相也即PWMPWM調(diào)制一個功率管。，按此調(diào)制調(diào)制一個功率管。，按此調(diào)制通斷即可產(chǎn)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn)電樞磁勢，從而使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。注意這里對通斷即可產(chǎn)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn)電樞磁勢，從而使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。注意這里對120120度變頻來講，每一步的度變頻來講，每一步的PWMPWM的占的占空比是固定不變的，從而產(chǎn)生直流方波。這種控制方式的特點(diǎn)，簡單方便，容易掌握。而空比是固定不變的，從而產(chǎn)生直流方波。這種控制方式的特點(diǎn)，簡單方便，容易掌握。而180180度變頻度變頻則不僅每則不僅每1/61/6周期的周期的PWMPWM占空比不同，而且每一個占空比不同，而且每一個PWMPWM脈沖的占空比都在

16、調(diào)整中，并在每個電周期內(nèi)使脈沖的占空比都在調(diào)整中，并在每個電周期內(nèi)使電壓按照正弦規(guī)律變化，對矢量變頻來講使能電流或磁通按照正弦規(guī)律周期變化控制。電壓按照正弦規(guī)律變化，對矢量變頻來講使能電流或磁通按照正弦規(guī)律周期變化控制。驅(qū)動波形示意圖驅(qū)動波形示意圖永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理 電樞反應(yīng)空載時，同步電機(jī)氣隙中僅有轉(zhuǎn)子磁勢存在。而帶負(fù)載后，除轉(zhuǎn)子磁勢之外，還有定電樞反應(yīng)空載時，同步電機(jī)氣隙中僅有轉(zhuǎn)子磁勢存在。而帶負(fù)載后，除轉(zhuǎn)子磁勢之外，還有定子三相電流產(chǎn)生的電樞磁動勢。電樞磁動勢的存在，會使氣隙中磁場的位置和大小發(fā)生畸變，這種電子三相電流產(chǎn)生的電樞磁動勢。電樞磁動勢的存在，會使氣隙

17、中磁場的位置和大小發(fā)生畸變，這種電樞磁勢影響主磁極磁場的現(xiàn)象我們稱之為電樞反應(yīng)。樞磁勢影響主磁極磁場的現(xiàn)象我們稱之為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)除了能使氣隙磁場產(chǎn)生畸變之外，還會關(guān)系到機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，還有增磁或去磁電樞反應(yīng)除了能使氣隙磁場產(chǎn)生畸變之外，還會關(guān)系到機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，還有增磁或去磁作用，這對電機(jī)的運(yùn)行性能會產(chǎn)生很大的影響。該反應(yīng)的性質(zhì)取決于，主磁場與電樞磁勢在空間上的作用，這對電機(jī)的運(yùn)行性能會產(chǎn)生很大的影響。該反應(yīng)的性質(zhì)取決于，主磁場與電樞磁勢在空間上的相對位置，分析表明該位置與負(fù)載電流相對位置，分析表明該位置與負(fù)載電流IaIa和激磁電動勢和激磁電動勢E0E0之間的相位差之間的相位差有關(guān)，下面將根

18、據(jù)它們之間的相位關(guān)系分別進(jìn)行分析。有關(guān)，下面將根據(jù)它們之間的相位關(guān)系分別進(jìn)行分析。 同相位時的電樞反應(yīng)同相位時的電樞反應(yīng)與矢量相加后為氣隙合成磁動勢，另外，習(xí)慣上用與矢量相加后為氣隙合成磁動勢，另外，習(xí)慣上用d d直軸來表示轉(zhuǎn)子磁極軸線，用直軸來表示轉(zhuǎn)子磁極軸線，用q q交軸來表示交軸來表示N N，S S極之間的中線。這樣因?yàn)榻惠S磁勢的存在，會使合成磁勢軸線的位置發(fā)生位移，極之間的中線。這樣因?yàn)榻惠S磁勢的存在，會使合成磁勢軸線的位置發(fā)生位移，并且幅值也發(fā)生一定的變化。并且幅值也發(fā)生一定的變化。永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理 顯然從圖中可看出電樞磁勢的方向與氣顯然從圖中可看出電樞磁勢的方向與氣隙磁勢的方向相反，電樞反應(yīng)是去磁效果的。隙磁勢的方向相反，電樞反應(yīng)是去磁效果的。圖圖3.6 =903.6 =90時的電樞反應(yīng)時的電樞反應(yīng)永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型關(guān)于三相永磁同步電機(jī)的基本方程、等效電路、及分析可關(guān)于三相永磁