车用驱动电机原理与控制基础第2版（中篇共上中下3篇）

车用驱动电机原理与控制基础(第2版)第4章牵连运动电动势与原型电机模型24.1运动参考系和牵连运动电动势

空间矢量的运算

3运动参考系和空间矢量的旋转变换静止αβ轴系到任意同步旋转DQ轴系的变换

4运动参考系和空间矢量的旋转变换静止αβ轴系到任意同步旋转DQ轴系的变换

5牵连运动及其诱导的动生电动势法拉第电磁感应定律

6牵连运动及其诱导的动生电动势空间矢量的微分运算

牵连加速度7法拉第参考系与牵连运动电动势直线电机模型非惯性参考系下的运动分析力学系统的：（非惯性）运动参考系与惯性力8法拉第参考系与牵连运动电动势Park变换

【1】钟再敏,王业勤.电机模型中牵连运动及其动生电动势的数理表达[J].电机与控制应用,2023,50(1):30-34.9法拉第参考系与牵连运动电动势

“法拉第参考系”与“牵连运动电动势”10“法拉第参考系”应用举例

114.2四线圈原型电机模型

12四线圈统一电机模型转子DQ坐标系下电流与磁链矢量

13四线圈统一电机模型转子DQ坐标系下电流与磁链矢量

14四线圈统一电机模型电压方程

15四线圈统一电机模型MT坐标系下电流与磁链矢量

图5任意MT旋转坐标系16四线圈统一电机模型电压方程

图5任意MT旋转坐标系17统一电机模型闭环控制特性

18四线圈统一电机模型转矩方程

19统一电机模型闭环控制特性

20统一电机模型闭环控制特性

21统一电机模型闭环控制特性

22统一电机模型闭环控制特性

23原型电机的空间矢量图隐极电机

244.3四线圈原型电机的输入、输出特性统一电机模型闭环控制特性

25原型电机的功率平衡关系上图为四线圈电机模型的有功功率流，我们如下定义功率流的正方向：设定子侧电源电能向气隙磁场传递为功率流正方向。设转子侧电源电能向气隙磁场传递，之后气隙磁场生成电磁转矩，使转子输出机械功为功率流正方向。

26有功功率

274.4基于原型电机分析直流电机和变压器双馈电机多相变压器直流电机永磁同步同步磁阻电机感应电机28统一电机模型具体实施直流电机

直流电机四线圈物理模型29统一电机模型具体实施直流电机直流电机四线圈物理模型

30统一电机模型具体实施两相正交变压器

图15四线圈正交两相变压器物理模型车用驱动电机原理与控制基础(第2版)第4章牵连运动电动势与原型电机模型车用驱动电机原理与控制基础(第2版)第5章三相交流绕组及其磁场335.1三相交流电路基础

345.2典型交流绕组结构5.2.1交流绕组的分类和主要设计参数交流绕组的分类一般采用表面绝缘的铜材料导体先绕制成多匝线圈（也称为线圈元件），将线圈放置在合适的定子槽中。一个线圈是由多圈导线绕制而成的多匝线圈，嵌在铁芯槽内的部分称为有效边，在铁芯两边的称为端部。

355.2.1交流绕组的分类和主要设计参数绕组/线圈的主要几何参数名称符号公式表述定义相数

定子引出电端口相数极对数

电机磁场极对数槽数

定子开槽总数线圈节距

线圈元件跨越的槽数并联之路数

每相饶组的并联支路数极距（转子）每磁极对应的定子槽数每极每相槽数，每极下每相所占的槽区域槽距角相邻两个槽相差的空间电角度

365.2.1交流绕组的分类和主要设计参数绕组/线圈的主要几何参数

375.2.1交流绕组的分类和主要设计参数绕组/线圈的主要几何参数

目前车用电机基本采用多相绕组结构，多相交流绕组的形式虽然各不相同，但是它们的构成原则基本相同：1）合成电动势和合成磁动势的波形要接近于正弦波，幅值要大；2）多相绕组的各相电动势和磁动势要对称，电阻电感要平衡；3）绕组铜耗要小，用铜要省；4）绝缘可靠，机械强度、散热条件好，制造方便。385.2.2三相分布绕组的设计单层6槽绕组名称符号数值相数3极对数1槽数6线圈节距3极距3每极每相槽数/相带1槽距角60o3相1对极6槽定子单层分布绕组参数表图4-46槽单层绕组接线图和绕组展开图（m=3，Z=6，p=1，q=1，y=6）极对\相带AZBXCY槽号123456表：

各个相带的槽号分配（60度相带）395.2.2三相分布绕组的设计单层6槽绕组采用相带划分来设计绕组是一种常用的方法，主要步骤为：1）

绘出所有槽的圆图（逆时针为正方向）2）

划分相带（U、V、W，60o相带，并假设当前时刻1、2、3槽为N极，4、5、6槽为S极）3）

连接端部，构成线圈

（分别是A-X（U相）、B-Y（V相）、C-Z（W相），三个元件空间对称布置）4）

连接线圈，构成绕组（线圈的末端X、Y、Z连接在一起，构成星形连接方式。）对于更复杂的绕组，“绕组展开图”可以更好地描述绕组的连接关系（如图4-4c所示）。6槽电机的铁芯利用率太低，提高铁芯利用率的手段之一是在定子铁芯上多开槽，增加嵌线匝数。槽数增加的直接效果是在其他设计参数不变的情况下每极每相槽数增加。图4-46槽单层绕组接线图和绕组展开图（m=3，Z=6，p=1，q=1，y=6）405.2.2三相分布绕组的设计单层分布12槽绕组（同心绕组）

极对\相带AZBXCY槽号1、23、45、67、89、1011、12表：

各个相带的槽号分配（60度相带）415.2.2三相分布绕组的设计单层分布12槽绕组

425.2.2三相分布绕组的设计双层叠绕组

图4-7三相双层绕组的槽电动势星形图435.2.2三相分布绕组的设计双层叠绕组

表4-3各个相带的槽号分配（60度相带）极对\相带AZBXCY第一对极下（118槽）1，2，34，5，67，8，910，11，1213，14，1516，17，18第二对极下（1936槽）19，20，2122，23，2425，26，2728，29，3031，32，3334，35，36445.2.2单相分布绕组的设计双层叠绕组/并联支路

图4-9A相绕组内12个线圈的连接（一条支路）图4-10A相绕组内12个线圈的连接（两条支路）455.2.2三相分布绕组的设计双层叠绕组

图4-8三相双层叠绕组中A相绕组的展开图（Z=36，p=2，m=3，y=8，两极相组串联）465.3正弦电流激励单相绕组的磁动势

5.3.1单相绕组的磁动势整距线圈的矩形波磁动势图4-11单个线圈的磁动势a）

整距线圈所产生的磁场b）整距线圈的磁动势波函数

475.3.1单相绕组的磁动势单相整距绕组的合成磁动势

48正弦电流激励单相绕组的电动势短距系数pitchfactor图4-11单个线圈的电动势a）整距和短距线圈

495.3.2余弦电流激励下单相绕组的（脉振）磁动势单相绕组的基波脉振磁动势波505.3.2余弦电流激励下单相绕组的（脉振）磁动势单相绕组的基波脉振磁动势波图4-13不同瞬间，单相绕组的基波脉振磁动势波（驻波）

515.3.2余弦电流激励下单相绕组的（脉振）磁动势单相绕组的谐波磁动势图4-14谐波磁动势的空间分布

52三相线圈及其合成磁动势53三相线圈及其合成磁动势54三相交流绕着组的合成磁动势555.3对称三相电流激励三相绕组的磁动势5.3.1三相绕组的基波合成磁动势565.3对称三相电流激励三相绕组的磁动势5.3.1三相绕组的基波合成磁动势

575.3.3平面旋转磁动势的空间矢量表达

图4-19轴线圈及其对应的原理图、对应空间矢量图画法585.3.3平面旋转磁动势的空间矢量表达定、转子电流矢量与“轴线圈”等效595.3.3平面旋转磁动势的空间矢量表达

605.4定子电压、电流及磁链矢量5.4.1定子电流矢量和电压矢量

615.4.1定子电流矢量和电压矢量电流矢量

625.4.1定子电流矢量和电压矢量电压矢量图4-21定、转子电流矢量与“轴线圈”等效

635.4.2定子磁链矢量

图4-22

A相绕组产生的余弦分布磁场a)余弦分布磁动势波

b)余弦分布磁场展开645.5空间矢量的微分运算和线性变换5.5.1空间矢量的矢量变换

图4-23

静止ABC轴系与静止αβ轴系655.5.1空间矢量的矢量变换

665.5.1空间矢量的矢量变换2．静止αβ轴系到任意同步旋转DQ轴系的变换

675.5.1空间矢量的矢量变换2．静止αβ轴系到任意同步旋转DQ轴系的变换

685.5.2空间矢量的坐标变换Clark变换

695.5.2空间矢量的坐标变换Park变换

705.5.3等幅值线性变换前后的磁共能计算

715.5.3等幅值线性变换前后的磁共能计算

725.5.3等幅值线性变换前后的磁共能计算

735.5.3等幅值线性变换前后的功率

74思考题：用matlab绘制如下动画过程：车用驱动电机原理与控制基础(第2版)第5章三相交流绕组及其磁场车用驱动电机原理与控制基础(第2版)第6章永磁同步电机的空间矢量分析776.1PMSM转子结构及物理模型转子结构插入式PMSM将永磁体嵌入或内装在转子铁芯内，在结构上增强了可靠性，可提高运行速度。特别的，因为永磁铁的磁导率接近于真空磁导率，所以插入式转子结构的气隙是不均匀的，即转子为“凸极”结构，由此产生的磁阻转矩可提高PMSM电机的转矩/电流比，相同转矩需求下可降低永磁体励磁磁通，减小永磁体的体积，既有利于弱磁运行，扩展速度范围，又可降低成本。所以，车用PMSM电机以插入式为主。图6-1面装式转子结构

图6-2插入式转子结构786.1.1面装式PMSM电机物理模型取逆时针方向为转速和电磁转矩的正方向。对于面装式转子结构，由于永磁体内部磁导率很小，接近于空气，可以将置于转子表面的永磁体等效为置于转子槽内的励磁绕组，假设励磁绕组气隙中产生的正弦分布励磁磁场与两个永磁体产生的正弦分布磁场相同。a）结构简图b）转子等效励磁绕组

图6-3二极面装式PMSM物理模型

796.1.2插入式PMSM电机物理模型图6-4二极插入式PMSM结构简图、等效物理模型a）结构简图b）转子等效励磁绕组c）物理模型

806.1.3PMSM电机物理模型的原型电机等效

图6-5永磁同步电机等效四线圈物理模型816.2定子磁链和电压方程6.2.1定子磁链矢量定子磁链矢量

826.2.1定子磁链矢量定子磁链矢量

836.2.2定子电压方程定子电压方程

846.2.3电压矢量方程在同步坐标系下的分解定子电压方程图6-6同步旋转的DQ轴系

856.2.3电压矢量方程在同步坐标系下的分解

稳态电压方程和空间矢量图866.2.3电压矢量方程在同步坐标系下的分解面装式PMSM稳态矢量图图6-8面装式PMSM稳态矢量图

876.3PMSM转矩方程6.3.1转矩方程电磁转矩公式

886.3.1转矩方程恒转矩曲线图6-10电流相平面上恒转矩特性曲线

89电磁转矩公式

6.3.1转矩方程906.3.2恒转矩曲线和MTPA图6-11

最大转矩电流比的定子电流矢量轨迹

916.3.2恒转矩曲线和MTPA图6-13电流极限圆和MTPA曲线

图6-12不同电流幅值下的矩角特性926.4永磁同步电机的磁场定向控制原理6.4.1电压极限椭圆、转折速度

936.4.1电压极限椭圆、转折速度1.电压极限椭圆图6-14

电压极限椭圆

946.4.1电压极限椭圆、转折速度2.转折速度和基速

956.4.1电压极限椭圆、转折速度2.转折速度和基速

966.4.2弱磁控制3．弱磁控制方式

图6-16恒转矩与恒功率运行(外特性)曲线976.4.2弱磁控制3．弱磁控制方式

986.4.2弱磁控制4．MTPV

996.4.2弱磁控制4．MTPV

1006.4.2弱磁控制可以在电流相平面上展示上文中分析的恒转矩曲线、电流极限圆、电压极限椭圆、MTPA、MTPV。图6-18PMSM控制约束及规律1016.4.2弱磁控制

图6-19弱磁控制与定子电流最优控制图6-16恒转矩与恒功率运行(外特性)曲线1026.