永磁同步電機以及直流無刷電機的電磁設計-課件

1永磁同步電機以及直流無刷電機的電磁設計1永磁同步電機以及直流無刷電機的電磁設計12二、永磁電機的磁路結構形式簡介一、永磁電機主要設計參數(shù)之間的關系式四、電磁設計與控制的緊密結合主要內(nèi)容三、永磁同步電機與直流無刷電機的區(qū)別2二、永磁電機的磁路結構形式簡介一、永磁電機主要設計參數(shù)之間23一、永磁電機主要設計參數(shù)之間的關系式其中為電樞直徑；為等效鐵心長度；為電機的額定點轉速；為電機的計算功率；為電機計算極弧系數(shù)；為電機氣隙磁場的波形系數(shù)；為電機的繞組系數(shù)；為電機的線負荷；為電機的氣隙磁密最大值；（2）相同的電磁負荷，相同轉速，電機體積越大可實現(xiàn)的功率也越大；（3）相同的電磁負荷下，出相同功率，轉速越高則電機的體積越小；（4）一定功率和轉速下，電磁負荷決定電機的主要尺寸；（1）電機的主要尺寸由其計算功率和轉速n之比決定；反映電機的電負荷反映電機的磁負荷3一、永磁電機主要設計參數(shù)之間的關系式其中為電樞直徑；為等效34極弧系數(shù)的概念解釋磁鋼表貼式轉子磁鋼內(nèi)嵌式轉子4極弧系數(shù)的概念解釋磁鋼表貼式轉子磁鋼內(nèi)嵌式轉子45電機主要尺寸比電機主要尺寸比定義如下：為電機的極距；在選定電機的電磁負荷后，可基本確定電機的

。

λ的大小與電機運行性能、經(jīng)濟性、工藝性等均有密切關系，或有一定影響。一、尺寸比越大，電機越細長；端部短，因而端部用銅相應減少；經(jīng)濟性二、體積未變，鐵重基本不變，同一磁密下基本鐵耗也不變，再考慮電流密度一定時，端部用銅相對減少，總體損耗下降，效率提高；電磁性能三、電機細長，則相對的鐵心與機座之間的接觸面積增大，對散熱有利。(對用氣體作為冷卻介質(zhì)時，風路加長，冷卻條件變差）；熱性能四、電機細長，線圈數(shù)目常較粗短的電機為少，因而使線圈制造工時和絕緣材料消耗減少；但機座加工費時，下線難度較大，下線工時增多；此外，沖片數(shù)目增大，沖片沖剪和鐵心疊壓費時，沖模磨損加劇；工藝性來分析一下，在電機體積未變的情況下，主要尺寸比較大的影響：5電機主要尺寸比電機主要尺寸比定義如下：為電機的極距；5外轉子輪轂電機6二、永磁電機的磁路結構形式簡介就目前公司所生產(chǎn)的電機來說，可分為大致兩種：

一、內(nèi)轉子結構；二、外轉子結構；三、混合磁路結構（天津電機）；徑向磁場結構；軸向磁場結構（盤式電機）；ISG電機（內(nèi)轉子）軸向磁場的混合勵磁電機磁鋼表貼式（SPM）磁鋼內(nèi)嵌式（IPM一字形）外轉子輪轂電機6二、永磁電機的磁路結構形式簡介就目前公司所生67內(nèi)轉子電機的多種磁路結構形式切向式IPM混合式IPM徑向式IPMToyota-Prius的分段斜極轉子結構連續(xù)斜極轉子結構多層徑向式IPM結構Honda-Accord的IPM轉子結構7內(nèi)轉子電機的多種磁路結構形式切向式IPM混合式IPM徑向式78電機的交直(DQ)軸磁路徑向式IPM切向式IPM8電機的交直(DQ)軸磁路徑向式IPM切向式IPM89自行車電機三、永磁同步電機與直流無刷電機的區(qū)別工業(yè)電機汽車電機9自行車電機三、永磁同步電機與直流無刷電機的區(qū)別工業(yè)電機汽車910一、傳感器的不同：

直流無刷電機(BLDC)：位置傳感器，如霍爾等；

永磁同步電機(PMSM)：速度和位置傳感器，如旋轉變壓器、光電編碼器等；三、三相電流波形不同：

BLDC：近似方波或梯形波（理想狀態(tài)）；

PMSM：正弦波（理想狀態(tài)）；二、反電勢波形不同：

BLDC：近似梯形波（理想狀態(tài)）；

PMSM：正弦波（理想狀態(tài)）；四、控制系統(tǒng)的區(qū)別：

BLDC：通常包括位置控制器、速度控制器和電流（轉矩）控制器；PMSM：不同控制策略的會有不同的控制系統(tǒng)；五、設計的原理與方法上的區(qū)別：

BLDC：盡量拓寬反電勢波形的寬度（使之近似為梯行波）；PMSM：使反電勢接近與正弦波；

體現(xiàn)在設計上主要是定子繞組、轉子結構（如極弧系數(shù)）上的區(qū)別。10一、傳感器的不同：三、三相電流波形不同：二、反電勢波1011四、電磁設計與控制策略的緊密結合不同的控制策略，可能導致不同的電磁設計結果；而同一種電磁設計，采取不同的控制策略，則會有不同的效果。因此，對應不同的設計指標，電磁設計必須和控制策略匹配，才能總體上產(chǎn)生一個最佳的效果。矢量控制方法一、Id=0控制二、最大轉矩/電流控制三、弱磁控制四、最大輸出功率控制永磁電機的dq軸旋轉坐標系11四、電磁設計與控制策略的緊密結合不同的控制策略，11124.1Id=0控制（磁場定向控制）控制是矢量控制中的一個特殊的控制方法，從電動機端口看，相當于一臺他勵直流電動機，定子電流中只有交軸分量，且定子磁動勢空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交，即β

=90°，電機轉矩中只有永磁轉矩分量。例如：工縫機電機、以及所有表貼式永磁同步電機。磁場定向控制時的相量圖為什么表貼式永磁電機都適合用這種控制方式？表貼式永磁電機的交直軸電感相等，不可能有磁阻轉矩存在。適用于恒速運行，以及調(diào)速范圍要求不高的場合。124.1Id=0控制（磁場定向控制）12134.2最大轉矩/電流控制SPM電機的定子電流矢量軌跡表貼式永磁電機：Ld=Lq可推出結論：Id=0最大轉矩/電流控制也稱單位電流輸出最大轉矩的控制，是凸極式永磁同步電動機用的較多的一種電流控制策略。對于隱極式永磁同步電機（大多數(shù)表貼式永磁電機）來說，最大轉矩/電流控制就是id＝0控制。電流矢量應滿足的兩條件SPM電機134.2最大轉矩/電流控制SPM電機的定子電流矢量軌跡表13144.2最大轉矩/電流控制IPM電機的定子電流矢量軌跡最大轉矩/電流控制也稱單位電流輸出最大轉矩的控制，是凸極式永磁同步電動機用的較多的一種電流控制策略。對于隱極式永磁同步電機（大多數(shù)表貼式永磁電機）來說，最大轉矩/電流控制就是id＝0控制。電流矢量應滿足的兩條件其中ρ為電機的凸極率，ρ=Lq/LdIPM電機144.2最大轉矩/電流控制IPM電機的定子電流矢量軌跡14154.3弱磁控制弱磁控制的思想來自于他勵直流電動機的調(diào)磁控制（通過降低他勵直流電動機的勵磁電流大小，可拓寬其轉速范圍）。

而對于永磁同步電機來說，勵磁磁場是永磁體產(chǎn)生，無法進行調(diào)節(jié)，只有通過調(diào)節(jié)定子電流，即增加定子直軸去磁電流分量來維持高速運行時電壓的平衡，達到弱磁擴速的目的。不難發(fā)現(xiàn)，在同一電流極限圓上的A點和C點，轉矩也一致，但轉速卻是C點更高。還有，如果按照最大轉矩/電流控制，在轉速為ω時只能做到Tem2大小的功率（B點），但是通過做弱磁控制，增大電機的直軸去磁電流，削弱了永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場，可以增大電機的輸入電流使轉矩提高到Tem1(C點)達到了弱磁擴速的目的。非弱磁控制非弱磁控制154.3弱磁控制弱磁控制的思想來自于他勵直流電動1516謝謝大家！16謝謝大家！1617永磁同步電機以及直流無刷電機的電磁設計1永磁同步電機以及直流無刷電機的電磁設計1718二、永磁電機的磁路結構形式簡介一、永磁電機主要設計參數(shù)之間的關系式四、電磁設計與控制的緊密結合主要內(nèi)容三、永磁同步電機與直流無刷電機的區(qū)別2二、永磁電機的磁路結構形式簡介一、永磁電機主要設計參數(shù)之間1819一、永磁電機主要設計參數(shù)之間的關系式其中為電樞直徑；為等效鐵心長度；為電機的額定點轉速；為電機的計算功率；為電機計算極弧系數(shù)；為電機氣隙磁場的波形系數(shù)；為電機的繞組系數(shù)；為電機的線負荷；為電機的氣隙磁密最大值；（2）相同的電磁負荷，相同轉速，電機體積越大可實現(xiàn)的功率也越大；（3）相同的電磁負荷下，出相同功率，轉速越高則電機的體積越??；（4）一定功率和轉速下，電磁負荷決定電機的主要尺寸；（1）電機的主要尺寸由其計算功率和轉速n之比決定；反映電機的電負荷反映電機的磁負荷3一、永磁電機主要設計參數(shù)之間的關系式其中為電樞直徑；為等效1920極弧系數(shù)的概念解釋磁鋼表貼式轉子磁鋼內(nèi)嵌式轉子4極弧系數(shù)的概念解釋磁鋼表貼式轉子磁鋼內(nèi)嵌式轉子2021電機主要尺寸比電機主要尺寸比定義如下：為電機的極距；在選定電機的電磁負荷后，可基本確定電機的

。

λ的大小與電機運行性能、經(jīng)濟性、工藝性等均有密切關系，或有一定影響。一、尺寸比越大，電機越細長；端部短，因而端部用銅相應減少；經(jīng)濟性二、體積未變，鐵重基本不變，同一磁密下基本鐵耗也不變，再考慮電流密度一定時，端部用銅相對減少，總體損耗下降，效率提高；電磁性能三、電機細長，則相對的鐵心與機座之間的接觸面積增大，對散熱有利。(對用氣體作為冷卻介質(zhì)時，風路加長，冷卻條件變差）；熱性能四、電機細長，線圈數(shù)目常較粗短的電機為少，因而使線圈制造工時和絕緣材料消耗減少；但機座加工費時，下線難度較大，下線工時增多；此外，沖片數(shù)目增大，沖片沖剪和鐵心疊壓費時，沖模磨損加??；工藝性來分析一下，在電機體積未變的情況下，主要尺寸比較大的影響：5電機主要尺寸比電機主要尺寸比定義如下：為電機的極距；21外轉子輪轂電機22二、永磁電機的磁路結構形式簡介就目前公司所生產(chǎn)的電機來說，可分為大致兩種：

一、內(nèi)轉子結構；二、外轉子結構；三、混合磁路結構（天津電機）；徑向磁場結構；軸向磁場結構（盤式電機）；ISG電機（內(nèi)轉子）軸向磁場的混合勵磁電機磁鋼表貼式（SPM）磁鋼內(nèi)嵌式（IPM一字形）外轉子輪轂電機6二、永磁電機的磁路結構形式簡介就目前公司所生2223內(nèi)轉子電機的多種磁路結構形式切向式IPM混合式IPM徑向式IPMToyota-Prius的分段斜極轉子結構連續(xù)斜極轉子結構多層徑向式IPM結構Honda-Accord的IPM轉子結構7內(nèi)轉子電機的多種磁路結構形式切向式IPM混合式IPM徑向式2324電機的交直(DQ)軸磁路徑向式IPM切向式IPM8電機的交直(DQ)軸磁路徑向式IPM切向式IPM2425自行車電機三、永磁同步電機與直流無刷電機的區(qū)別工業(yè)電機汽車電機9自行車電機三、永磁同步電機與直流無刷電機的區(qū)別工業(yè)電機汽車2526一、傳感器的不同：

直流無刷電機(BLDC)：位置傳感器，如霍爾等；

永磁同步電機(PMSM)：速度和位置傳感器，如旋轉變壓器、光電編碼器等；三、三相電流波形不同：

BLDC：近似方波或梯形波（理想狀態(tài)）；

PMSM：正弦波（理想狀態(tài)）；二、反電勢波形不同：

BLDC：近似梯形波（理想狀態(tài)）；

PMSM：正弦波（理想狀態(tài)）；四、控制系統(tǒng)的區(qū)別：

BLDC：通常包括位置控制器、速度控制器和電流（轉矩）控制器；PMSM：不同控制策略的會有不同的控制系統(tǒng)；五、設計的原理與方法上的區(qū)別：

BLDC：盡量拓寬反電勢波形的寬度（使之近似為梯行波）；PMSM：使反電勢接近與正弦波；

體現(xiàn)在設計上主要是定子繞組、轉子結構（如極弧系數(shù)）上的區(qū)別。10一、傳感器的不同：三、三相電流波形不同：二、反電勢波2627四、電磁設計與控制策略的緊密結合不同的控制策略，可能導致不同的電磁設計結果；而同一種電磁設計，采取不同的控制策略，則會有不同的效果。因此，對應不同的設計指標，電磁設計必須和控制策略匹配，才能總體上產(chǎn)生一個最佳的效果。矢量控制方法一、Id=0控制二、最大轉矩/電流控制三、弱磁控制四、最大輸出功率控制永磁電機的dq軸旋轉坐標系11四、電磁設計與控制策略的緊密結合不同的控制策略，27284.1Id=0控制（磁場定向控制）控制是矢量控制中的一個特殊的控制方法，從電動機端口看，相當于一臺他勵直流電動機，定子電流中只有交軸分量，且定子磁動勢空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交，即β

=90°，電機轉矩中只有永磁轉矩分量。例如：工縫機電機、以及所有表貼式永磁同步電機。磁場定向控制時的相量圖為什么表貼式永磁電機都適合用這種控制方式？表貼式永磁電機的交直軸電感相等，不可能有磁阻轉矩存在。適用于恒速運行，以及調(diào)速范圍要求不高的場合。124.1Id=0控制（磁場定向控制）28294.2最大轉矩/電流控制SPM電機的定子電流矢量軌跡表貼式永磁電機：Ld=Lq可推出結論：Id=0最大轉矩/電流控制也稱單位電流輸出最大轉矩的控制，是凸極式永磁同步電動機用的較多的一種電流控制策略。對于隱極式永磁同步電機（大多數(shù)表貼式永磁電機）來說，最大轉矩/電流控制就是id＝0控制。電流矢量應滿足的兩條件SPM電機134.2最大轉矩/電流控制SP