《新能源汽車驅動電機及控制技術》課件-2.驅動電機

2023新能源汽車驅動電機及控制技術THEME修德勵志

強能善技01INTRODUCTION電機及控制系統(tǒng)02INTRODUCTION驅動電機04INTRODUCTION能量傳遞與冷卻系統(tǒng)03INTRODUCTION電機控制器目錄CONTENTSAtmosphericminimalistppttemplateAtmosphericminimalistppttemplateAtmosphericminimalistppttemplateAtmosphericminimalistppttemplateAtmosphericminimalistppttemplateAtmosphericminimalistppttemplate

驅動電機02PART達成目標知識目標技能目標思政目標（1）了解驅動電機的分類與特點。（2）熟悉驅動電機的技術參數(shù)與性能要求。（3）掌握永磁同步電機的結構與工作原理。（4）掌握三相異步電機的結構與工作原理。（1）會對永磁同步電機進行性能檢測、故障診斷。（2）會對三相異步電機進行故障診斷、拆裝。（1）弘揚科學嚴謹、精益求精、追求卓越的工匠精神。（2）養(yǎng)成好學上進、開拓創(chuàng)新的工作作風，具備良好的人文素養(yǎng)和職業(yè)道德。（3）增強規(guī)范操作、安全操作的意識。相關知識任務2.1驅動電機認知任務2.2永磁同步電機檢修任務2.3三相異步電機檢修任務引入——打破固論，新能源SUV征服沙漠傳統(tǒng)SUV每年秋季的沙漠都不寂寞，越野愛好者們會來到這里一展身手。在沙漠越野的賽道上，當傳統(tǒng)SUV還在糾結如何取舍適時四驅和全時四驅時，曾經(jīng)只能在各大城市道路上活躍的新能源SUV已經(jīng)憑借雙電機全時四驅技術成為新的沙漠英雄，如比亞迪唐DM和宋ProDM。新能源SUV以唐DM為例，該車有前、后兩臺驅動電機。在純電動驅動模式下，前驅動電機驅動前輪、后驅動電機驅動后輪。因此，唐DM不需要傳動軸和機械式變速器也可以按照設定值進行極限輸出。在沙漠越野中，應用了雙電機全時四驅技術的唐DM不僅具有強大的越野能力，還能在瞬間爆發(fā)出強大扭矩，可以輕松面對沙漠中的各種困難。思考：驅動電機有哪些特點，在性能方面有哪些要求？相關知識2.1.1驅動電機的分類驅動電機驅動電機是將動力電池提供的電能轉化為機械能來驅動車輛行駛的機構。此外，驅動電機還具有發(fā)電機的功能，即把車輛滑行和制動時的機械能轉化為電能，并將其存儲于動力電池中。相關知識2.1.1驅動電機的分類根據(jù)不同的分類標準按運轉速度劃分按轉速能否調(diào)節(jié)劃分按結構和工作原理劃分低速電機中速電機恒速電機調(diào)速電機直流電機交流電機高速電機相關知識2.1.1驅動電機的分類轉速通常為3000～6000r/min。低速電機的缺點是尺寸大、控制器尺寸較大、內(nèi)部損耗大等，優(yōu)點是其變速器的速比較小，結構簡單。低速電機因轉動慣量較大、反應較慢，而不太適用于新能源汽車。低速電機01轉速通常為6000～10000r/min，其各種參數(shù)介于低速電機和高速電機之間。中速電機02轉速通常為10000r/min以上。高速電機的缺點是變速器的速比較大，通常需要采用行星齒輪傳動機構，優(yōu)點是功率密度高、傳動效率高、噪音小、動態(tài)響應快、控制器尺寸較小、內(nèi)部損耗小等。高速電機的應用受電磁材料的性能、轉軸的承載能力等限制。高速電機031．按運轉速度劃分相關知識2.1.1驅動電機的分類（1）速比：在汽車傳動系統(tǒng)中，變速器的輸入軸轉速與輸出軸轉速的比值。（2）功率密度：輸出功率與導電、導磁材料體積或質(zhì)量的比值。（3）傳動效率：輸出功率與輸入功率的比值。相關知識2.1.1驅動電機的分類2．按轉速能否調(diào)節(jié)劃分恒速電機是指轉速與電源頻率成恒定比例的電機。只要電源頻率一定，恒速電機的轉速就是一定的。調(diào)速電機是指通過改變磁極對數(shù)、電壓、電流、頻率等來改變轉速，以提高汽車性能的電機。按調(diào)速方式的不同，調(diào)速電機可分為電磁調(diào)速電機、直流調(diào)速電機、脈沖寬度調(diào)制變頻調(diào)速電機和開關磁阻調(diào)速電機（簡稱開關磁阻電機）；按能否連續(xù)調(diào)節(jié)速度，調(diào)速電機可分為有級調(diào)速電機和無級調(diào)速電機。在特定電源頻率下轉速能否調(diào)節(jié)1）恒速電機2）調(diào)速電機相關知識2.1.1驅動電機的分類3．按結構和工作原理劃分直流電機是出現(xiàn)最早的電機，具有調(diào)速性能好、啟動容易、能夠載重啟動等優(yōu)點，但在價格、維護成本等方面不如交流電機。交流電機結構簡單、制造方便、可靠性好，且具備高轉速、高電壓、大電流、大容量等特點。相關知識2.1.2驅動電機的特點及應用在新能源汽車發(fā)展的早期，大部分車輛都采用直流電機。由于直流電機有著復雜的機械結構，如包含電刷和機械換向器，因此其瞬時過載能力和轉速受到限制。在長時間工作的情況下，直流電機的機械結構會產(chǎn)生損耗，維護成本較高。此外，直流電機運轉時電刷冒出的火花，不僅造成轉子發(fā)熱、能量浪費、散熱難度增加等，還會造成高頻電磁干擾，影響整車性能。目前，新能源汽車已經(jīng)基本不再使用直流電機。1）直流電機相關知識2.1.2驅動電機的特點及應用三相異步電機運行可靠，且相對永磁同步電機具有價格優(yōu)勢。與同功率的直流電機相比，三相異步電機的效率更高，質(zhì)量減少了二分之一左右。如果采用矢量控制，三相異步電機可以獲得與直流電機相媲美的可控性和更寬的調(diào)速范圍。三相異步電機的不足之處體現(xiàn)在以下幾方面：①能耗高，轉子發(fā)熱快，需要為高速工況設置額外的冷卻系統(tǒng)；②功率密度低，不利于提高車輛的最大行駛里程；③控制系統(tǒng)很復雜，技術要求較高。2）三相異步電機相關知識2.1.2驅動電機的特點及應用永磁同步電機具有體積小、質(zhì)量輕、可靠性高、運行安全可靠、能量利用率較高等優(yōu)點。相較于直流電機，永磁同步電機不需要安裝電刷和機械換向器，工作時不會產(chǎn)生火花；相較于三相異步電機，永磁同步電機的控制系統(tǒng)更簡單、調(diào)速精度更高、響應速度更快。永磁同步電機具有較高的功率密度，其工作效率最高可達97%，能夠為車輛提供較大的動力，廣泛用在新能源汽車上。永磁同步電機轉子中的永磁材料在高溫、振動或過流的條件下，會發(fā)生磁性衰退的現(xiàn)象，永磁同步電機容易損壞，且永磁材料價格較高，因此永磁同步電機的生產(chǎn)、維護成本較高。3）永磁同步電機相關知識2.1.2驅動電機的特點及應用開關磁阻電機具有價格低、電路簡單可靠、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點，但振動、噪聲大，控制系統(tǒng)復雜，且對直流電源會產(chǎn)生很大的脈沖電流，多用于大型客車中。以三相開關磁阻電機為例介紹其運行原理（見左圖），定子鐵芯和轉子鐵芯由硅鋼片疊壓而成，二者的齒槽構成雙凸極結構，定子具有三對線圈組成的繞組，轉子沒有繞組，定子繞組通電后，產(chǎn)生旋轉磁場，而根據(jù)磁阻最小原理，轉子會受到旋轉磁場的作用而發(fā)生轉動。4）開關磁阻電機相關知識2.1.2驅動電機的特點及應用常用驅動電機的性能對比：相關知識2.1.2驅動電機的特點及應用（1）磁阻最小原理：磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合。（2）磁阻：一段磁路的磁位差和磁通量的比值。相關知識2.1.2驅動電機的特點及應用輪轂電機技術新能源汽車驅動電機歷經(jīng)了三代技術革新：第一代是中央電機集中驅動技術；第二代是輪邊電機技術；第三代是輪轂電機（見下圖）技術。與前兩代技術相比，輪轂電機技術能有效解決新能源汽車在成本、能耗等方面存在的難以突破瓶頸的問題。相關知識2.1.2驅動電機的特點及應用優(yōu)點難點1）傳動效率高2）節(jié)省空間3）易控制4）成本低5）易實現(xiàn)模塊化（1）操控性能變差，如加速響應慢，顛簸路況下懸架的響應慢等。（2）容量較小，不能滿足整車制動性能的要求，影響車輛的最大行駛里程。（3）工作環(huán)境差，設計輪轂電機時要充分考慮防水、防塵、防振等問題。冷卻和散熱問題輪轂電機技術相關知識2.1.3驅動電機的技術參數(shù)（1）電樞是驅動電機中裝有導線的部件。直流電機中電樞為轉子，交流電機中電樞為定子。例如，永磁同步電機的定子鐵芯也稱為電樞鐵芯，其定子繞組也稱為電樞繞組。（2）為了方便驅動電機的使用和檢修，通常將記錄了技術參數(shù)的銘牌固定在驅動電機外殼上。相關知識2.1.3驅動電機的技術參數(shù)（1）額定電壓：在額定工況下，輸入定子繞組的線電壓值。額定工況是指驅動電機可長時間穩(wěn)定工作的狀態(tài)。（2）額定電流：在額定電壓下，通過定子繞組的線電流值。（3）額定功率：在額定工況下，驅動電機轉軸上輸出的機械功率。（4）額定轉速：驅動電機在額定功率下的最低轉速。（5）峰值功率：在規(guī)定的持續(xù)時間內(nèi)，允許驅動電機輸出的最大功率。（6）最高工作轉速：在額定電壓下，驅動電機帶負載運行所能達到的最高轉速。（7）最高轉速：在無負載條件下，允許驅動電機的最高轉速。驅動電機主要的技術參數(shù)包括以下幾個：相關知識2.1.3驅動電機的技術參數(shù)（8）額定轉矩：驅動電機在額定功率和額定轉速下的輸出轉矩。（9）峰值轉矩：在規(guī)定的持續(xù)時間內(nèi)，允許驅動電機輸出的最大轉矩。（10）堵轉轉矩：轉子在所有角位堵住時所產(chǎn)生的轉矩最小測得值。（11）機械效率：在額定工況下，驅動電機轉軸輸出的機械功率與電源輸入定子繞組的電功率之比。（12）電機及控制系統(tǒng)整體效率：驅動電機轉軸輸出的機械功率與電機控制器輸入的電功率之比。（13）最大溫升：驅動電機在運行時與環(huán)境之間允許存在的最大溫差。（14）額定頻率：在額定工況下，驅動電機中電樞繞組的電流頻率。驅動電機主要的技術參數(shù)包括以下幾個：相關知識2.1.3驅動電機的技術參數(shù)（1）額定電壓：在額定工況下，輸入定子繞組的線電壓值。額定工況是指驅動電機可長時間穩(wěn)定工作的狀態(tài)。（2）額定電流：在額定電壓下，通過定子繞組的線電流值。（3）額定功率：在額定工況下，驅動電機轉軸上輸出的機械功率。（4）額定轉速：驅動電機在額定功率下的最低轉速。（5）峰值功率：在規(guī)定的持續(xù)時間內(nèi)，允許驅動電機輸出的最大功率。

短時間內(nèi)能達到的最大功率，通常僅能維持30秒左右的時間。（6）最高工作轉速：在額定電壓下，驅動電機帶負載運行所能達到的最高轉速。（7）最高轉速：在無負載條件下，允許驅動電機的最高轉速。（8）額定轉矩：驅動電機在額定功率和額定轉速下的輸出轉矩。相關知識2.1.3驅動電機的技術參數(shù)（9）峰值轉矩：在規(guī)定的持續(xù)時間內(nèi)，允許驅動電機輸出的最大轉矩。（10）堵轉轉矩：轉子在所有角位堵住時所產(chǎn)生的轉矩最小測得值。

堵轉轉矩即是在電機在滿壓(額定電壓，如額定電壓380v)下啟動時，當在轉軸上加至其一轉矩時，電機就起動不起來了，這個就是堵轉轉矩。（11）機械效率：在額定工況下，驅動電機轉軸輸出的機械功率與電源輸入定子繞組的電功率之比。（12）電機及控制系統(tǒng)整體效率：驅動電機轉軸輸出的機械功率與電機控制器輸入的電功率之比。（13）最大溫升：驅動電機在運行時與環(huán)境之間允許存在的最大溫差。（14）額定頻率：在額定工況下，驅動電機中電樞繞組的電流頻率。相關知識2.1.4驅動電機的性能要求驅動電機的性能需要滿足以下幾點要求:（1）電壓高。采用高電壓的驅動電機尺寸較小，逆變器的成本較低，能量轉換效率較高等。（2）轉速高。在電機轉矩一定的情況下，提高轉速可以提高電機功率；同樣，在電機功率一定的情況下，提高轉速可以提高電機轉矩。轉速高的驅動電機具有體積小、質(zhì)量輕等特點，有利于降低整備質(zhì)量。

整備質(zhì)量包括動力電池、冷卻液、玻璃洗滌液、潤滑油、隨車工具和備用車輪、車載充電器、手提式充電器等的質(zhì)量，但是不包括乘員或裝載質(zhì)量。

續(xù)航能力是新能源汽車行業(yè)關注的焦點，整備質(zhì)量對續(xù)航能力有顯著影響，減小整備質(zhì)量可以大大提高汽車的續(xù)航能力。但是，整備質(zhì)量大的車輛穩(wěn)定性好，特別是在急轉彎和急剎車的時候，優(yōu)勢很明顯，因此車輛的整備質(zhì)量也并非越小越好。相關知識2.1.4驅動電機的性能要求（3）轉矩密度、功率密度大，體積小、質(zhì)量輕。驅動電機的轉矩密度、功率密度越大，其在新能源汽車中占用的空間就越小。此外，電機外殼、各種控制裝置、冷卻系統(tǒng)等應盡可能選用輕質(zhì)材料，如采用鋁合金的電機外殼，以降低電機總成的質(zhì)量。（4）啟動轉矩大，調(diào)速范圍寬，可滿足車輛啟動、加速、行駛、減速、制動等所需的功率與轉矩。此外，驅動電機應具有自動調(diào)速功能，以減輕駕駛人的操作強度，提高車輛加速過程中乘坐的舒適性。（5）需要有較好的承受過載的能力，以滿足車輛快速加速與最大爬坡度的要求。（6）具有高可控性、高穩(wěn)態(tài)精度、良好的動態(tài)性能，必要時可實現(xiàn)多部驅動電機協(xié)調(diào)運行。（7）機械效率高、損耗少。相關知識2.1.4驅動電機的性能要求（8）可兼做發(fā)電機使用，具有制動能量回收功能，以延長車輛的續(xù)駛里程。（9）必須裝備高壓保護裝置。（10）能夠在惡劣條件下可靠工作，即具有耐潮、適應極端溫度的能力，且工作時噪聲小。（11）散熱性好，能確保車輛行駛過程中各零部件的正常功能，以及乘員的人身安全。（1）轉矩密度：轉矩與導電（或導磁）材料體積的比值。（2）動態(tài)性能：驅動電機在負載突變時表現(xiàn)出的特性，如速降、恢復時間、超調(diào)量等。（3）穩(wěn)態(tài)性能：驅動電機在負載穩(wěn)定時表現(xiàn)出的特性，如轉速、電流等是否穩(wěn)定。相關知識2.2.1永磁同步電機概述1．永磁同步電機的結構

永磁同步電機（permanentmagnetsynchronousmotor，PMSM）具有高效、高控制精度、高轉矩密度、良好的轉矩平穩(wěn)性及低振動噪聲的特點，通過合理設計永磁磁路結構能獲得較高的弱磁性能，在電動汽車驅動方面具有很高的應用價值，受到國內(nèi)外電動汽車界的高度重視，是最具競爭力的電動汽車驅動電機系統(tǒng)之一。相關知識2.2.1永磁同步電機概述永磁同步電動機的優(yōu)點：1）用永磁體取代繞線式同步電動機轉子中的勵磁繞組，從而省去了勵磁線圈、集電環(huán)和電刷，以電子換相實現(xiàn)無刷運行，結構簡單、運行可靠。2）永磁同步電動機的轉速與電源頻率間始終保持準確的同步關系，控制電源頻率就能控制電動機的轉速。3）永磁同步電動機具有較硬的機械特性，對于因負載的變化而引起的電動機轉距的擾動具有較強的承受能力，瞬間最大轉矩可以達到額定轉矩的3倍以上，適合在負載轉矩變化較大的工況下運行。4）永磁同步電動機的轉子為永久磁鐵，無需勵磁，因此電動機可以在很低的轉速下保持同步運行，調(diào)速范圍寬。相關知識2.2.1永磁同步電機概述5）永磁同步電動機與異步電動機相比，不需要無功勵磁電流，因而功率因數(shù)高，定子電流和定子銅耗小，效率高。6）體積小質(zhì)量輕。近些年來隨著高性能永磁材料的不斷應用，永磁同步電動機的功率密度得到很大提高，比起同容量的異步電動機來，體積和質(zhì)量都有較大的減少，使其適合應用在許多特殊場合。7）結構多樣化，應用范圍廣。永磁同步電動機的缺點：1）由于永磁同步電動機轉子為永磁體，無法調(diào)節(jié)，必須通過加定子直軸去磁電流分量來削弱磁場，這會增大定子的電流，增加電動機的銅耗。2）永磁同步電動機的磁鋼價格較高。相關知識2.2.1永磁同步電機概述定子轉子位置傳感器溫度傳感器高壓導線散熱風扇（風冷型）機殼機座等永磁同步電機組成1．永磁同步電機的結構2.2.1永磁同步電機概述相關知識1）定子（1）定子鐵芯一般采用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成。若要求永磁同步電機具有高效率或高頻率，以減少定子鐵芯的鐵耗，則可以考慮使用0.35mm厚的低損耗冷軋無取向硅鋼片。（2）定子繞組普遍采用分布式短距繞組。定子繞組多按三相四極布置，通電產(chǎn)生四極旋轉磁場。對于定子繞組極對數(shù)較多的永磁同步電機，普遍采用分數(shù)槽繞組。需要進一步改善電動勢波形時，可以考慮采用正弦繞組或其他繞組。（3）固定部件包括機座、鐵芯壓板、繞組支架等。相關知識2.2.1永磁同步電機概述（1）鐵耗：驅動電機運行時，因定子鐵芯或端部鐵件發(fā)熱而產(chǎn)生的損耗。（2）極對數(shù)：磁極的對數(shù)。相關知識2.2.1永磁同步電機概述（2）切斷高壓電源：當車輛處于停止狀態(tài)，高壓互鎖識別到危險且情況嚴重時，除了進行故障警告外，還需要將危險信息傳給控制器，控制器將高壓電源切斷，從而有效防止危險事故的發(fā)生。2）轉子轉子主要由永磁體、轉子鐵芯和轉軸等組成。永磁體通常采用鐵氧化永磁材料或釹鐵硼永磁材料；轉子鐵芯可根據(jù)磁極結構的不同，選用實心鋼，或由鋼板、硅鋼片沖制后疊壓而成。轉子可分為表面式轉子和內(nèi)埋式轉子兩種。相關知識2.2.1永磁同步電機概述（1）表面式轉子是指永磁體通常呈瓦片形，并位于轉子鐵芯的外表面上，提供磁通的方向為徑向的轉子。①

凸裝式轉子：結構簡單、制造成本較低、轉動慣量小，廣泛應用于矩形波永磁同步電機和恒功率運行調(diào)速范圍不寬的正弦波永磁同步電機中。②嵌入式轉子：可利用轉子磁路不對稱性所產(chǎn)生的磁阻轉矩，來提高永磁同步電機的功率密度。嵌入式轉子的動態(tài)性能較凸裝式轉子有所改善，制造工藝也較簡單，常用于具有調(diào)速功能的永磁同步電機，但漏磁系數(shù)和制造成本都比凸裝式轉子大。圖2-11表面式轉子相關知識2.2.1永磁同步電機概述(2)內(nèi)埋式轉子是指永磁體位于內(nèi)部的轉子。內(nèi)埋式轉子的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能都較好，廣泛應用于要求有異步啟動能力或較好動態(tài)性能的永磁同步電機中。內(nèi)埋式轉子也存在轉子磁路不對稱所產(chǎn)生的磁阻轉矩，有助于提高永磁同步電機的過載能力和功率密度。內(nèi)埋式轉子可分為徑向式轉子、切向式轉子、U型混合式轉子和V型徑向式轉子四種。相關知識2.2.1永磁同步電機概述①徑向式轉子：永磁體直接面向氣隙，漏磁系數(shù)較小，材料利用率高，結構簡單。②切向式轉子：具有聚磁結構，電磁負荷較大，符合永磁同步電機微型化的發(fā)展要求，但是漏磁系數(shù)較大，須采取相應的隔磁措施，結構復雜。④V型徑向式轉子：在U型混合式轉子的基礎上發(fā)展出的，進一步減少了永磁材料的用量。③U型混合式轉子：在徑向布置和切向布置的永磁體的尺寸、相互位置合理的情況下，漏磁系數(shù)可大大減小，即在額定功率和轉子尺寸相同的情況下，減少了永磁材料的用量。漏磁：磁源通過特定磁路泄露在空氣中的磁場能量。相關知識2.2.1永磁同步電機概述轉子永磁體位置檢測器轉子位置傳感器

與普通電機相比，水磁同步電機還必須裝有轉子永磁體位置檢測器，用來檢測磁極位置，并以此對電樞電流進行控制，達到對永磁同步電機驅動控制的目的。按照永磁體在轉子上位置的不同，永磁同步電機的轉子結構可分為表面式和內(nèi)置式兩種。相關知識2.2.1永磁同步電機概述（2）切斷高壓電源：當車輛處于停止狀態(tài)，高壓互鎖識別到危險且情況嚴重時，除了進行故障警告外，還需要將危險信息傳給控制器，控制器將高壓電源切斷，從而有效防止危險事故的發(fā)生。3）位置傳感器（1）旋轉變壓器：由定子和轉子組成。定子繞組接受勵磁電壓，而轉子繞組通過電磁耦合得到感應電壓。電機控制器可通過旋轉變壓器檢測電機轉子的轉速和磁極位置，從而對電機定子繞組中的電流進行控制，達到驅動和控制電機的目的。（2）光電編碼器：一種通過光電信號將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。根據(jù)刻度方法及信號輸出形式的不同，光電編碼器可分為增量式、盡對式和混合式三種。（3）霍爾傳感器：一種基于霍爾效應的磁傳感器?？捎糜跈z測磁場及其變化，且其不與被測電路發(fā)生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合于測試大電流電路。相關知識2.2.1永磁同步電機概述（2）切斷高壓電源：當車輛處于停止狀態(tài)，高壓互鎖識別到危險且情況嚴重時，除了進行故障警告外，還需要將危險信息傳給控制器，控制器將高壓電源切斷，從而有效防止危險事故的發(fā)生。4）溫度傳感器為避免因溫度過高而造成組件損壞，永磁同步電機需要配置溫度傳感器來監(jiān)控定子繞組的溫度。使用較廣泛的溫度傳感器為負溫度系數(shù)（negativetemperaturecoefficient，簡稱NTC）傳感器。2.2.1永磁同步電機概述相關知識2．永磁同步電機的工作原理1）運行原理

電機是指依據(jù)電磁感應原理實現(xiàn)電能的生產(chǎn)、傳輸和使用的能量轉換機械。電和磁是不可分割的，它們始終交織在一起，簡單地說，就是電生磁、磁生電。

在電機系統(tǒng)中，電機的輸出動作主要是靠控制單元給定命令執(zhí)行，即控制器輸出命令?？刂破髦饕菍⑤斎氲闹绷麟娔孀兂呻妷骸㈩l率可調(diào)的三相交流電，供給配套的三相交流永磁同步電機使用。2.2.1永磁同步電機概述相關知識2．永磁同步電機的工作原理1）運行原理永磁同步電機的定子繞組因接入三相對稱交流電而產(chǎn)生旋轉磁場。根據(jù)磁極異性相吸、同性相斥的原理，不論轉子與定子的磁極起始時的相對位置如何，由于磁場力作用，轉子都會和定子磁極同步旋轉。在轉子和定子的共同作用下，轉軸產(chǎn)生轉矩。2.2.1永磁同步電機概述相關知識2．永磁同步電機的工作原理永磁同步電機的工作原理

永磁同步電機的工作原理如圖所示，圖中n為電機轉速，n0為同步轉速，T為轉矩，θ為功率角。電機的轉子是一個永磁體，N、S極沿圓周方向交替排列。定子可以看成一個以速度n0旋轉的磁場。電機運行時，定子存在旋轉磁動勢，轉子像磁針在旋轉磁場中旋轉一樣，隨著定子的旋轉磁場同步旋轉。

永磁同步電機轉速可表示為n=n0=（60fs）/pn式中，fs為電源頻率；pn為電機極對數(shù)。永磁同步電機的定子是三相對稱繞組，三相正弦波電壓在定子三相繞組中產(chǎn)生對稱三相正弦波電流，并在氣隙中產(chǎn)生旋轉磁場。旋轉磁極與已充磁的磁極作用，帶動轉子與旋轉磁場同步旋轉并力圖使定子、轉子磁場軸線對齊。當外加負載轉矩以后，轉子磁場軸線將落后定子磁場軸線一個功率角，負載越大，功率角也越大，直到一個極限角度，電機停止。由此可見，永磁同步電機在運行中，轉速必須與頻率嚴格成比例旋轉，否則會失步停轉。因此，它的轉速與旋轉磁場同步，其靜態(tài)誤差為零。在負載擾動下，只是功率角變化，而不引起轉速變化，它的響應時間是實時的。2.2.1永磁同步電機概述相關知識2．永磁同步電機的工作原理相關知識2.2.1永磁同步電機概述2．永磁同步電機的工作原理2）控制策略為了使永磁同步電機具有更快的響應速度、更高的轉速調(diào)節(jié)精度及更寬的調(diào)速范圍，人們提出了多種適用于永磁同步電機的控制策略，如恒壓頻比開環(huán)控制、矢量控制、直接轉矩控制等。（1）恒壓頻比開環(huán)控制。恒壓頻比開環(huán)控制的控制變量為永磁同步電機的相關參數(shù)，即電壓和頻率。先將特定電壓和頻率的信號輸入可實現(xiàn)控制策略的調(diào)制器中，調(diào)制器控制逆變器產(chǎn)生一個合適的正弦交流電，并將正弦交流電施加在定子繞組上，使之在指定的電壓和頻率下運行。2.2.1永磁同步電機概述相關知識

以轉子磁鏈旋轉空間矢量為參考坐標，將定子繞組的電流分解為正交的兩個分量，一個與磁鏈同方向，代表定子繞組電流的勵磁分量，另一個與磁鏈方向正交，代表定子繞組電流的轉矩分量，分別對這兩個分量進行控制，即為矢量控制。矢量控制的永磁同步電機可具有與直流電機一樣良好的動態(tài)性能。驅動電機轉子的轉速即為驅動電機的轉速，而旋轉磁場的轉速與驅動電機的電源頻率一致。永磁同步電機的轉速和電源頻率嚴格同步，即轉子轉速等于旋轉磁場的轉速，沒有轉差功率，轉子的參數(shù)對控制效果的影響小，因此在永磁同步電機上更容易實現(xiàn)矢量控制。（2）矢量控制。2．永磁同步電機的工作原理2）控制策略2.2.1永磁同步電機概述相關知識直接轉矩控制是通過測量永磁同步電機的電壓、電流，來計算永磁同步電機的磁通量和轉矩，再通過控制轉矩來控制轉速的方法。該方法省去了復雜的矢量變換與數(shù)字模型處理，控制手段直接，但是存在轉矩脈動和磁鏈脈動大的問題，會使永磁同步電機運行不穩(wěn)定。（3）直接轉矩控制。2．永磁同步電機的工作原理2）控制策略2.2.1永磁同步電機概述相關知識（1）磁鏈：導電線圈或電流回路所鏈環(huán)的具有磁通量的空間。（2）調(diào)制器：通過數(shù)字信號處理技術，將低頻數(shù)字信號（如音頻、視頻、數(shù)據(jù)等）調(diào)制到高頻數(shù)字信號中，進行信號傳輸?shù)囊环N設備。（3）轉差功率：驅動電機運行時，因轉子繞組發(fā)熱導致的功率損失。轉差功率通常與轉子繞組的電阻值正相關。相關知識2.2.1永磁同步電機概述為了提高永磁同步電機的控制性能和控制精度，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等開始應用于同步電機的控制。采用智能控制方法的永磁同步電機控制系統(tǒng)，在多環(huán)控制結構中，智能控制器處于最外環(huán)，充當速度控制器，而內(nèi)環(huán)電流控制、轉矩控制仍采用PI控制（比例積分控制）、直接轉矩控制這些方法，這主要是因為外環(huán)是決定系統(tǒng)的根本因素，而內(nèi)環(huán)主要的作用是改造對象特性以利于外環(huán)的控制，各種擾動給內(nèi)環(huán)帶來的誤差可以由外環(huán)控制或抑制。（4）智能控制。2．永磁同步電機的工作原理2）控制策略相關知識2.2.1永磁同步電機概述什么是智能控制方法？為了提高永磁同步電機的控制性能和控制精度，人們在矢量控制、直接轉矩控制等的基礎上，建立了模糊控制、神經(jīng)wangluo控制等智能控制方法。智能控制方法的大致思路是建立多環(huán)控制結構，通過矢量控制、直接轉矩控制等進行內(nèi)環(huán)電流控制、轉矩控制，通過智能控制進行外環(huán)速度控制。知識擴展相關知識2.2.2永磁同步電機的檢修1．永磁同步電機的日常檢查1）啟動前的檢查（1）調(diào)試勵磁、脈沖、移相等裝置。（2）檢查定子回路控制開關、操縱裝置及保護系統(tǒng)。（3）用干燥壓縮氣體（風壓為0.196～0.29MPa）清掃永磁同步電機，并檢查各線束絕緣表面是否有破損。（4）檢查冷卻系統(tǒng)，如通水管是否打開、水壓是否正常、冷卻器和管道有無漏水現(xiàn)象等，并檢查定子鐵芯狀況。（5）檢查軸承及其潤滑系統(tǒng)，保證軸承內(nèi)油質(zhì)清潔。（6）清掃和檢查啟動設備，并檢查有無他人正在使用永磁同步電機和附屬設備。（7）測量永磁同步電機和電機控制器的絕緣電阻，并與上一次測試結果對照，電阻值應不低于上次測量值的50%～80%。相關知識2.2.2永磁同步電機的檢修1．永磁同步電機的日常檢查2）運行時的檢查（1）三相電壓不平衡度不應大于5%。（2）檢查軸承的溫度。軸承的溫度與其工作環(huán)境和用途有關，通常要求滾動軸承的溫度不超過95℃，滑動軸承的溫度不超過75℃。（3）用溫度計測量定子繞組與定子鐵芯的溫升。通常要求定子繞組的溫升不超過105K，定子鐵芯的溫升不超過125K。（4）測量環(huán)境溫度。通常要求永磁同步電機運行時的環(huán)境溫度最低為5℃，最高為40℃；長期停用的永磁同步電機應保存在溫度為5～15℃的環(huán)境中。（5）測量空氣相對濕度。規(guī)定空氣相對濕度不應超過75%。相關知識2.2.2永磁同步電機的檢修（1）啟動設備：用于輔助驅動電機啟動的設備，可使驅動電機啟動平穩(wěn)，對高壓電源的沖擊小，還能實現(xiàn)對驅動電機的軟停車、制動、過載和缺相保護等。（2）三相電壓不平衡度：三相電壓負序分量與正序分量的方均根值百分比。如右圖所示為三相電壓零序分量的相量圖，若保持A相矢量不變，B相矢量逆時針旋轉120°，C相矢量順時針旋轉120°，則得到三相電壓正序分量的相量圖，對三個矢量求和，可得到三相電壓正序分量；若保持A相矢量不變，B相矢量順時針旋轉120°，C相矢量逆時針旋轉120°，則得到三相電壓負序分量的相量圖，對三個矢量求和，可得到三相電壓負序分量。對三相電壓負序分量與正序分量分別進行平方求和，求其均值，再開平方，并用兩數(shù)之比的百分比表示，即為三相電壓不平衡度。相關知識2.2.2永磁同步電機的檢修3）停機后的檢查永磁同步電機停機后，應檢查定子繞組及引線的絕緣有無損傷，零部件是否松動，轉子支架和機械零部件是否有開焊或裂縫等現(xiàn)象，固定螺栓是否松動，以及軸承狀態(tài)是否正常等。1．永磁同步電機的日常檢查相關知識2.2.2永磁同步電機的檢修2．永磁同步電機的性能檢測1）負載性測試

目的是確定永磁同步電機的效率、功率因數(shù)、轉速、定子電流等，確保永磁同步電機在超出最大預期工作量的情況下仍能正常運行。

用伺服電機給永磁同步電機加載，從150%額定負載逐步降到25%額定負載，在此范圍內(nèi)至少選取6個測試點（必須包括100%額定負載點），測量其電壓、電流、功率、轉矩和轉速等參數(shù)并進行計算。相關知識2.2.2永磁同步電機的檢修2．永磁同步電機的性能檢測2）T-n曲線測試T-n曲線是描述永磁同步電機的轉矩和轉速之間關系的特性曲線，如圖所示。其測試方法是通過控制永磁同步電機的轉速，從最低轉速零到最高轉速之間選取不同的轉速點，測量各個轉速點的轉矩，再繪制出兩者的關系曲線。相關知識2.2.2永磁同步電機的檢修2．永磁同步電機的性能檢測3）耐久性測試

耐久性是指在規(guī)定的使用和維修條件下，永磁同步電機達到某種技術指標時，實現(xiàn)基礎功能的能力。在測試軟件中，可由用戶設定永磁同步電機按某個測試方案來進行耐久性測試。例如，設定永磁同步電機以120%的額定轉速運行2min，測量永磁同步電機運行過程中的電壓、電流、效率、轉矩和轉速等信息。相關知識2.2.2永磁同步電機的檢修2．永磁同步電機的性能檢測4）空載測試

空載測試是指永磁同步電機空轉時，檢驗其運轉穩(wěn)定性和可靠性的試驗。在125%額定電壓至驅動電機轉動的最低電壓范圍內(nèi)，繪制電壓和勵磁電流的關系曲線，即空載特性曲線。通過空載測試，不僅可以檢查勵磁裝置的工作情況是否良好、定子繞組連接是否正確，還可以了解永磁同步電機的磁路飽和程度。相關知識2.2.2永磁同步電機的檢修2．永磁同步電機的性能檢測5）堵轉測試

堵轉測試是指讓轉子固定不動，使定子繞組的電壓約為90%～110%額定電壓，測試此時的電壓、電流、輸入功率等的試驗，再逐漸降低定子繞組的電壓進行測試，應共選取5～7個測量點。對于額定功率為100～300kW永磁同步電機，堵轉測試結果可以用于評價2.5～4倍額定電流的過載性能。相關知識2.2.2永磁同步電機的檢修2．永磁同步電機的性能檢測6）啟動電流測試

永磁同步電機啟動時會產(chǎn)生瞬時的大電流，持續(xù)時間約為幾十毫秒，這個過程中電流的峰值、上升時間、下降時間等都是非常重要的參數(shù)。

啟動電流測試的時間很短，通常采用示波器或功率分析儀進行試驗。相關知識2.2.2永磁同步電機的檢修3．永磁同步電機的故障診斷對于永磁同步電機，應在熟悉永磁同步電機結構和工作原理的基礎上正確進行故障診斷，并找出造成故障發(fā)生的原因。目視檢查01目視檢查是故障診斷的基礎。目視檢查的內(nèi)容是檢查易于接觸或能夠看到的部件，以查明其是否有明顯損壞或存在可能導致故障的情況。相關知識2.2.2永磁同步電機的檢修010203040506第一步第三步第五步第二步第四步第六步斷開OBC處的直流母線。等待5分鐘后，用數(shù)字萬用表測量電機控制器的輸入端與輸出端之間的電壓，確定其不大于5V。如果不滿足要求，則繼續(xù)等待若干分鐘后，再次測量、確認。斷開低壓蓄電池的負極線。拆卸與電機控制器相連的高壓連接器。拆卸與永磁同步電機相連的高壓連接器。絕緣電阻檢測07第七步將高壓絕緣檢測儀的擋位調(diào)至1000V，分別測量電機控制器側各相線束的連接器與電機殼體之間的電阻。如果電阻不小于20MΩ，則表示絕緣正常；如果電阻小于20MΩ，則應修理或更換線束。02操作啟動開關，使電源模式至OFF狀態(tài)。相關知識2.2.2永磁同步電機的檢修常見故障排查03永磁同步電機的常見故障有異響、強烈振動、轉速和輸出功率達不到要求等，對此可依據(jù)以下步驟依次進行排查。（1）檢查永磁同步電機的固定螺栓。（2）拆卸接線盒蓋板，并檢查各高壓連接器及其固定螺栓。（3）檢查繞組是否存在絕緣故障。（4）空轉檢查：檢查有無定子、轉子相互摩擦的現(xiàn)象或異響。（5）拆卸并檢查后端蓋上旋轉變壓器和溫度傳感器的插針。（6）拆卸并檢查前、后端蓋。（7）拆卸并檢查轉子。（8）檢查前、后軸承。相關知識2.2.2永磁同步電機的檢修（9）清理并檢查定子。（10）拆卸并檢查旋轉變壓器。（11）檢查旋轉變壓器繞組電阻（包括正弦電阻、余弦電阻、勵磁電阻）是否符合要求。（12）檢查冷卻系統(tǒng)。（13）如果經(jīng)過以上檢修工作排除了問題，則將各部件安裝完好，再檢測冷卻回路的密封性；

如果經(jīng)過以上檢修工作沒有發(fā)現(xiàn)問題，但是永磁同步電機的運行還是存在異常，則更換永磁同步電機。常見故障排查03相關知識2.3.1