新能源汽车驱动电机与控制系统 课件 第四章永磁同步电机

新能源汽车驱动电机与控制系统Contents01电机基础知识02直流电机03交流感应电机04永磁同步电机05电动汽车驱动电机传感器模块06电机控制器07其他类型电机任务4永磁同步电机课程：智能座舱系统测试装调（高级）一、课堂目标课程：智能座舱系统测试装调（高级）4（一）知识目标（1）掌握永磁同步电机的基本结构和工作原理；（2）掌握永磁同步电机的工作特性及应用；（3）掌握永磁同步电机与感应异步电机不同工况时的运行特点；（4）掌握永磁同步电动机的拆装步骤、检测方法；（5）能够规范选择使用相关工具、仪表、设备。（二）技能目标能够正确认识永磁同步电机整体及铭牌数据；能够正确拆装及检测永磁同步电动机；二、任务导入任务1：电机基础知识5如何通过永磁同步电机的铭牌来了解该电机的关键性能？您了解拆装并正确检测永磁同步电机吗？三、任务资讯6任务1：电机基础知识永磁同步电机的基本结构01永磁同步电机的特点及应用03永磁同步电机的工作原理02永磁同步电机与交流感应电机工况对比分析

04（一）永磁同步电机的基本结构7永磁同步电动机分为正弦波驱动电流的永磁同步电动机和方波驱动电流的永磁同步电动机。定子：永磁同步电动机的定子与普通三相异步电动机基本相同，由电枢铁心和电枢绕组构成。电枢铁心一般采用0.5mm硅钢冲片叠压而成，对于具有高效率指标或频率较高的电动机，为了减少铁耗，可以考虑使用0.35mm的低损耗冷轧无取向硅钢片。电枢绕组则普遍采用分布、短距绕组；对于极数较多的电动机，则普遍采用分数槽绕组。需要进一步改善电动势波形时，也可以考虑采用正弦绕组或其他绕组。任务1：电机基础知识（一）永磁同步电机的基本结构8转子：转子主要由永磁体、转子铁心和转轴等构成，如图4-3所示。其中永磁体主要采用铁氧体永磁和钕铁硼永磁材料；转子铁心可根据磁极结构的不同，选用实心钢，或采用钢板或硅钢片冲制后叠压而成。与普通电动机相比，水磁同步电动机还必须装有转子永磁体位置检测器，用来检测磁极位置，并以此对电枢电流进行控制，达到对永磁同步电动机驱动控制的目的。任务1：电机基础知识（一）永磁同步电机的基本结构9转子：按照永磁体在转子上位置的不同，永磁同步电动机的磁极结构可分为表面式和内置式两种。表面式转子磁路结构中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，永磁体提供磁通的方向为径向。表面式结构又分为凸出式和嵌入式两种，如图所示。对采用稀土永磁材料的电动机来说，由于永磁材料的相对回复磁导率接近1，所以表面凸出式转子在电磁性能上属于隐极转子结构；而嵌入式转子的相邻两永磁磁极间有着磁导率很大的铁磁材料，故在电磁性能上属于凸极转子结构。永磁同步电动机的转子结构（一）永磁同步电机的基本结构10表面凸出式转子结构：按照永磁体在转子上位置的不同，永磁同步电动机的磁极结构可分为表面式和内置式两种。表面式转子磁路结构中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，永磁体提供磁通的方向为径向。表面嵌入式转子结构可充分利用转子磁路不对称性所产生的磁阻转矩，提高电动机的功率密度，动态性能较凸出式有所改善，制造艺也较简单，常被某些调速永磁同步电动机所采用，但漏磁系数和制造成本都较凸出式大。（一）永磁同步电机的基本结构11内置式转子磁路结构：内置式结构的水磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，极靴中可以放置铸铝笼或铜条笼，起阻尼或启动作用，动态性能和稳态性能好，广泛用于要求有异步启动能力或动态性能高的永磁同步电动机。内置式转子内的永磁体受到极靴的保护，其转子磁路结构的不对称性所产生的磁阻转矩也有助于提高电动机的过载能力或功率密度，而且易于弱磁扩速。（一）永磁同步电机的基本结构12内置式转子磁路结构：内置式转子结构又可分为径向式、切向式、U型混合式和V型径向式。径向式转子结构高磁通密度。该结构的优点是漏磁系数小，转轴上不需要采取隔磁措施，极弧系数易于控制，转子冲片机械强度高，安装永磁体后转子不易变形等。切向式转子结构的转子有较大的惯性，漏磁系数较大，制造工艺和成本较径向式有所增加。其优点是一个极距下的磁通由相邻两个磁极并联提供，可得到更大的每极磁通。尤其当电动机极数较多、径向式结构不能提供足够的每极磁通时，这种结构的优势就显得更为突出。此外，采用该结构的永磁同步电动机的磁阻转矩可占到总电磁转矩的40％，对提高电动机的功率密度和扩展恒功率运行范围都是很有利的（a）径向式

（b）切向式

（c）U型混合式

（d）V型径向式（一）永磁同步电机的基本结构13转子位置传感器：像光电编码式、霍尔式、和电磁式等，也有控制精度要求相对较高的场合，采用正弦或余弦旋转变压器等位置传感器的，但无论哪种测量方式，其本质都是用来测量转子位置信息的，只是安装的体积、方便程度、成本及可靠性要求不同而已。（a）光电编码式

（b）霍尔式

（c）U型混合式

（一）永磁同步电机的基本结构14逆变器：位置传感器将转子的位置信号电平反馈给控制芯片，控制芯片经过电流采样和数学变换，并根据反馈的位置信息经过闭环运算，重新按新的PWM占空比输出，来触发功率器件（IGBT或MOSFET），实际上逆变器是自控的，由自身运行来保证电机的转速和电流输入频率同步，并避免震荡和失步的发生。（a）电机IGBT

（b）MOSFET

（二）永磁同步电机的工作原理15工作原理：定子绕组产生旋转磁场。在永磁同步电机中，定子绕组通常分布在定子磁芯上，定子绕组中的电流通过变化的三相交流电压产生旋转磁场，这个旋转磁场由电流的相位和大小决定。转子永磁体产生径向磁场。永磁同步电机的转子通常是由永磁体材料制成，向外产生径向磁场，其大小和方向由其放置方式和材料决定。旋转磁场与径向磁场相互作用产生电磁力。旋转磁场与径向磁场两者之间的相互作用会在转子上产生电磁力，驱动转子旋转，进而实现发电机的高效运行（二）永磁同步电机的工作原理16工作原理：定子绕组产生旋转磁场。在永磁同步电机中，定子绕组通常分布在定子磁芯上，定子绕组中的电流通过变化的三相交流电压产生旋转磁场，这个旋转磁场由电流的相位和大小决定。转子永磁体产生径向磁场。永磁同步电机的转子通常是由永磁体材料制成，向外产生径向磁场，其大小和方向由其放置方式和材料决定。旋转磁场与径向磁场相互作用产生电磁力。旋转磁场与径向磁场两者之间的相互作用会在转子上产生电磁力，驱动转子旋转，进而实现发电机的高效运行。（二）永磁同步电机的工作原理17工作原理：图中θ为功率角，电机的转子是一个永磁体，N、S极延圆周方向交替排列，定子可以看成是一个以速度旋转的磁场。电机运行时，定子存在旋转磁动势，转子像磁针在旋转磁场中旋转―样，随着定子的旋转磁场同步旋转。转子永磁体产生径向磁场。永磁同步电机的转子通常是由永磁体材料制成，向外产生径向磁场，其大小和方向由其放置方式和材料决定。fs-电源频率；Pn-电机极对数（二）永磁同步电机的工作原理18工作原理：图中θ为功率角，电机的转子是一个永磁体，N、S极延圆周方向交替排列，定子可以看成是一个以速度旋转的磁场。电机运行时，定子存在旋转磁动势，转子像磁针在旋转磁场中旋转―样，随着定子的旋转磁场同步旋转。转子永磁体产生径向磁场。永磁同步电机的转子通常是由永磁体材料制成，向外产生径向磁场，其大小和方向由其放置方式和材料决定。（三）永磁同步电机的特点及应用19永磁同步电机的优点：（1）用永磁体取代绕线式同步电动机转子中的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、集电环和电刷，以电子换相实现无刷运行，结构简单、运行可靠。（2）永磁同步电动机的转速与电源频率间始终保持准确的同步关系，控制电源频率就能控制电动机的转速。（3）永磁同步电动机具有较硬的机械特性，对于因负载的变化而引起的电动机转距的扰动具有较强的承受能力，瞬间最大转矩可以达到额定转矩的3倍以上，适合在负载转矩变化较大的工况下运行。（4）永磁同步电动机的转子为永久磁铁，无须励磁，因此电动机可以在很低的转速下保持同步运行，调速范围宽。（5）永磁同步电动机与异步电动机相比，不需要无功励磁电流，因而功率因数高，定子电流和定子铜耗小，效率高。（6）体积小质量轻。（7）结构多样化，应用范围广（三）永磁同步电机的特点及应用20永磁同步电机的缺点：（1）由于永磁同步电动机转子为永磁体，无法调节，必须通过加定子直轴去磁电流分量来削弱磁场，这会增大定子的电流，增加电动机的铜耗。（2）永磁同步电动机的磁钢价格较高。由此可见，永磁同步电动机体积小、质量轻、转动惯量小、功率密度高（可达1Kw/kg），适合电动汽车空间有限的特点；另外，转矩惯量比大、过载能力强，尤其低转速时输出转矩大，适合电动汽车的起动加速。因此，永磁同步电动机得到国内外电动汽车界的广泛重视，并已在日本得到了普遍应用，日本新研制的电动汽车大都采用永磁同步电动机驱动。比较典型的是在丰田普锐斯混联式混合动力轿车上的应用。（三）永磁同步电机的特点及应用21永磁同步电机的缺点：（1）由于永磁同步电动机转子为永磁体，无法调节，必须通过加定子直轴去磁电流分量来削弱磁场，这会增大定子的电流，增加电动机的铜耗。（2）永磁同步电动机的磁钢价格较高。由此可见，永磁同步电动机体积小、质量轻、转动惯量小、功率密度高（可达1Kw/kg），适合电动汽车空间有限的特点；另外，转矩惯量比大、过载能力强，尤其低转速时输出转矩大，适合电动汽车的起动加速。因此，永磁同步电动机得到国内外电动汽车界的广泛重视，并已在日本得到了普遍应用，日本新研制的电动汽车大都采用永磁同步电动机驱动。比较典型的是在丰田普锐斯混联式混合动力轿车上的应用。（三）永磁同步电机的特点及应用22永磁同步电动机的运行特性：永磁同步电动机的运行特性主要包括机械特性和工作特性。机械特性：永磁同步电动机稳态正常运行时，转速始终保持同步速不变，因此，其机械特性为平行于横轴的直线，调节电源频率来调节电动机转速时，转速将严格地与频率成正比变化，如图所示。（三）永磁同步电机的特点及应用23永磁同步电动机的运行特性：工作特性：永磁同步电动机的工作特性是指当电源电压恒定时，电动机的输入功率P1电枢电流、效率η、功率因数cos等随输出功率变化的关系，如图所示。在正常工作范围内，永磁同步电动机的功率因数比较平稳，效率特性也能保持较高的水平。电动机的输入功率和电枢电流近似与输出功率成正比（三）永磁同步电机的特点及应用24永磁同步电机的应用：特斯拉比亚迪、理想汽车、蔚来旗下第二款量产车型ES6、ModelS、ModelX、Model3、ModelY、ChevroletBolt、BMWi3（四）磁同步电机与交流感应电机工况对比分析251.永磁同步电机的优势（1）效率高。这里所说的效率高不仅仅指额定功率点的效率离于普通三相异步电机，而是指其在整个调速范围内的平均效率。永磁同步电机的励磁磁场由永磁体提供，转子不需要励磁电流，电机效率提高，与异步电机相比，任意转速点均节约电能，尤其在转速较低的时候这种优势尤其明显。（2）启动转矩高。永磁同步电机一般也采用异步起动方式，由于永磁同步电机正常工作时转子绕组不起作用，在设计永磁电机时，可使转子绕组完全满足高起动转矩的要求，例如使起倍1.8倍上升到2.5倍，甚至更大。（四）磁同步电机与交流感应电机工况对比分析26（3）体积小，重量轻。由于使用了高性能的永磁材料提供磁场，使得永磁电机的气隙磁场较感应电机大先增强，永磁电机的体积和重量较感应电机可以大大的缩小。例如某3kW的异步电机重最为40kg，而30kW永磁电机仅为45kg。

（4）故障率更低、使用普遍。

由于使用了高性能的稀土永磁材料提供磁场，因此故障率更低。（5）响应速度快。相同功率的永磁电机转子转动惯量小，因此响应迅速，起步加速性能好，图为2.2Kw的永磁电机和异步电机在相同载荷时由静止加速到1500r/min时的阶跃响应曲线，同步电机液压源阶跃响应时间为90ms，明显优于异步电机的370ms。（四）磁同步电机与交流感应电机工况对比分析272.永磁同步电机存在的问题（1）控制难度大。永磁电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。永磁发电机难以从外部调节其输出电压和功率因数，永磁直流电动机不能再用改变励磁的办法来调节其转速。永磁电机一般采用闭环控制，电机本身自带转速位置传感器，如旋转变压器、光电码盘；而异步电机即可开环控制如通用变频调速，也可闭环控制如伺服控制。（2）不可逆退磁问题。如果设计或使用不当，永磁电机在过高（钕铁硼永磁）或过低（铁氧体永磁）温度时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或在剧烈的机械震动时有可能产生不可逆退磁，也叫失磁，使电机性能降低，甚至无法使用。永磁电机一般在定子绕组中预埋温度传感器，检测电机温度，防止过载引起电机温升过大造成退磁。同时，对转速控制也极为严格，如“失步”（转子磁场与定子旋转磁场不同步）也会对电机造成严重不良影响，容易引起退磁。（四）磁同步电机与交流感应电机工况对比分析282.永磁同步电机存在的问题（1）控制难度大。永磁电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。永磁发电机难以从外部调节其输出电压和功率因数，永磁直流电动机不能再用改变励磁的办法来调节其转速。永磁电机一般采用闭环控制，电机本身自带转速位置传感器，如旋转变压器、光电码盘；而异步电机即可开环控制如通用变频调速，也可闭环控制如伺服控制。（2）不可逆退磁问题。如果设计或使用不当，永磁电机在过高（钕铁硼永磁）或过低（铁氧体永磁）温度时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或在剧烈的机械震动时有可能产生不可逆退磁，也叫失磁，使电机性能降低，甚至无法使用。永磁电机一般在定子绕组中预埋温度传感器，检测电机温度，防止过载引起电机温升过大造成退磁。同时，对转速控制也极为严格，如“失步”（转子磁场与定子旋转磁场不同步）也会对电机造成严重不良影响，容易引起退磁。（四）磁同步电机与交流感应电机工况对比分析29（3）成本问题。铁氧体永磁电机，特别是微型永磁直流电动机，由于结构工艺简单、质量减轻，总成本一般比电励磁电机低，因而得到了极为广泛的应用。由于稀土永磁目前价格还比较贵，稀土永磁电机的成本一般比电励磁电机高，这需要用它的高性能和运行费用的节省来补偿。因此永磁电机适于小功率的场合。永磁同步电机和交流异步电机各有优缺点，永磁同步电机低速节能性、响应速度等方面更优，而交流异步电机的高速性能更好。因此很多主流四驱纯电动汽车同时采用永磁同步电机和交流异步电机，提升不同工况时的车辆综合性能，如特斯拉、蔚来等；而对于单电机驱动的车辆，一般采用永磁同步电机，如比亚迪、吉利等。（四）磁同步电机与交流感应电机工况对比分析30永磁同步电机与交流感应电机工况对比分析:1.电机电动状态，电机驱动车辆行驶工况永磁同步电机：定子旋转磁场和转子同向旋转，转速基本相同，定子磁场始终超前转子磁场一个角度，角度大小始终在某一范围内。交流异步电机：定子旋转磁场和转子同向旋转，旋转磁场转速大于定子转速，转差率0＜S＜1。2.电机发电状态，减速制动能量回收工况永磁同步电机：定子旋转磁场和转子同向旋转，转速基本相同，定子磁场始终滞后转子磁场一个角度，角度大小始终在某一范围内。交流异步电机：定子旋转磁场和转子同向旋转，旋转磁场转速小于定子转速，转差率S＜0。（四）磁同步电机与交流感应电机工况对比分析31永磁同步电机与交流感应电机工况对比分析:3.电机堵转状态，车辆上台阶时被顶住的工况永磁同步电机：定子旋转磁场和转子都不转动，定子磁场超前转子磁场一个角度，电能不能转化为机械能，电机发热严重，电机效率为零，应尽快脱离堵转状态。交流异步电机：转子不转动，定子磁场转动，转差率S=1，电能不能转化为机械能，电机发热严重，电机效率为零，应尽快脱离堵转状态。4.电机同步状态，车辆瞬时出现的工况永磁同步电机：转子和定子瞬时转速相同，旋转磁场和转子磁场角度差为零，是电动状态和发电状态转换的临界状态，此时车辆瞬间失去驱动力和制动力。交流异步电机：转子和定子瞬时转速相同，转差率S=0，是电动状态和发电状态转换的临界状态，此时车辆瞬间失去驱动力和制动力。（四）磁同步电机与交流感应电机工况对比分析32永磁同步电机与交流感应电机工况对比分析:5.反接制动状态，坡道车辆溜车工况交流异步电机：定子磁场正向转动，车辆拖动电机转子反向转动，转差率S＞1，此时电流很大，电机很快发热。永磁同步电机：永磁电机不会出现定子和旋转磁场旋向相反的状态，即使不同步都会产生“失步”，造成电机冲击、振动，甚至产生定子永磁体退磁。若在坡道上驱动力不足，造成溜车，电机会进入发电状态。四、任务实施1-电机整体及铭牌数据认识任务1：电机基础知识1.准备工作设备：永磁同步电动机1台，纯电动汽车1辆。2.操作步骤（1）观察永磁电动机的外形结构，抄录永磁电动机的铭牌数据；（2）用手拨动永磁电动机的转子，观察其转动情况是否良好；（3）观察永磁电动机的接线方式，明确所有线束的功能作用；（4）观察永磁电动机的冷却方式；（5）观察永磁电动机在车辆上的固定方式。3.自我评价与反馈电机型号峰值功率峰值转矩额定电压最高转速额定电流冷却方式额定转速绝缘等级工作制防护等级四、任务实施1-电机整体及铭牌数据认识任务1：电机基础知识序号内容评定等级1额定电压定义□优秀□良好□中等□不及格2额定电流定义□优秀□良好□中等□不及格3冷却方式分类□优秀□良好□中等□不及格4最高转速定义□优秀□良好□中等□不及格5额定功率定义□优秀□良好□中等□不及格4.小组评价与反馈四、任务实施1-电机整体及铭牌数据认识任务1：电机基础知识序号内容评定等级1峰值转矩意义□优秀□良好□中等□不及格2额定电流意义□优秀□良好□中等□不及格3工作制分类□优秀□良好□中等□不及格4绝缘等级分类□优秀□良好□中等□不及格5防护等级分类□优秀□良