新汽车电机基础控制 8

永磁电机第5章5.1概述无刷化永磁电机根据输入电流不同可分为两类：无刷直流电机（BLDC）永磁同步电机（PMSM）永磁无刷直流电机永磁同步电机5.2永磁同步电机的基本结构与原理5.2.1永磁同步电机基本机构永磁同步电机的基本结构主要包含一个装有三相电枢绕组的定子和一个装有永磁磁极的转子。图5-2永磁同步电动机横截面示意图1—定子

2—永磁体

3—转轴

4—转子铁心表贴式表面嵌入式表贴式永磁同步电机，永磁体用环氧树脂粘合剂黏贴在转子表面，因此具备制造简单的优点。表面嵌入式永磁同步电机，永磁体被镶嵌在转子表面。1.表面式转子1.表面式结构图5-3

表贴式转子结构

图5-4

嵌入式转子结构2.内置式永磁同步电机内置式永磁同步电机按永磁体磁化方向可分为径向式、切向式和混合式。内置式永磁同步电机转子由于内部嵌入永磁体，导致转子机械结构上的凸极特性。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和功率密度，而且易于“弱磁”扩速。径向式内埋永磁体的永磁同步电机，可以看出永磁体径向磁化且埋于转子内部。转子槽内嵌有鼠笼式感应电机的转子导体，这种永磁同步电机兼具感应电机和永磁同步电机的特点。1转轴2永磁体槽3永磁体4转子导条内置径向式转子内置式转子图5-5内置径向式转子磁路结构内置切向式

内置切向式永磁同步电机，永磁体切向磁化且埋在转子内部，永磁体结构类似于辐条，因此也常被称为辐条式结构。图5-6内置切向式转子磁路结构1—转轴

2—空气隔磁槽

3—永磁体

4—转子导条混合式1转轴2永磁体槽3永磁体4转子导条3.隔磁措施图5-8几种典型的隔磁结构1—转轴

2—转子铁心

3—永磁体槽

4—永磁体

5—转子导条电动机——把电能转换为机械能。发电机——把机械能转换为电能。补偿机——没有有功功率的转换，只发出或吸收无功功率。其作用是改善电网功率因数。电机运行状态，主要取决于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角δ，δ称为功率角。同步电机：转子磁极转速等于同步转速同步电机的分类同步电机的运行状态:把定子合成磁场想象成一个旋转的磁极发电机：转子磁极超前定子合成磁场磁极时。δ>0电动机：转子磁极滞后定子合成磁场磁极时。δ<0补偿机：转子磁极与定子合成磁场磁极轴线重合。δ=0沿运动方向，电磁转矩为0，不进行能量交换。发电机补偿机电动机同步电机的运行状态δ5.2.2同步电动机的工作原理同步电动机的工作原理旋转磁场和主磁极相互作用，产生电磁转矩，带动转子持续旋转同步电动机的特点：稳态运行时，转子转速与负载大小无关，始终为同步转速TeTe5.2.2同步电动机的工作原理

1.空载磁场与空载感应电动势

空载气隙磁密基波切割定子三相对称绕组，在其中感应出频率为f的对称三相感应动势，称为空载感应电动势气隙不均匀，直轴气隙小，交轴气隙大。相同大小的电枢磁动势作用于不同的气隙位置时，产生不同的磁密。采用双反应理论分析凸极同步电机。电枢反应:永磁同步电机电枢磁动势对主磁场会产生影响,这种影响称为电枢反应。2.电枢反应磁场双反应理论：当电枢磁动势作用于交、直轴间的任意位置时，可将之分解成直轴分量和交轴分量，先分别求出直、交轴电枢反应，再把它们的效果叠加起来—双反应理论。

把电枢磁动势Fa分解为：直轴磁动势--产生直轴磁场；交轴磁动势--产生交轴磁场1.双反应理论Ψ直轴电枢反应的作用较强，表现为Xd较大3.同步电动机的电压方程

1）

凸极同步电动机的电压方程整理得直轴电枢反应电抗交轴电枢反应电抗电励磁凸极同步电机中，有表插式和内置式永磁同步电动机中，有表贴式永磁同步电动机中

电励磁凸极同步电动机的功角特性永磁同步电机同步电抗

在内置式永磁同步电动机中，因为在直轴磁路中永磁体的磁导率很低，其导磁性能与空气相似，因而大大减小了直轴电枢反应的作用，表现为Xd较小；而在交轴磁路中，材料导磁性能较好，Xq较大，因而Xd<Xq

。2.永磁同步电动机的功角特性，功率方程和转矩方程电磁功率表达式电磁转矩表达式永磁转矩磁阻转矩永磁转矩磁阻转矩2.同步电动机的功角特性，功率方程和转矩方程

转矩方程电磁转矩：驱动TeTe空载转矩5.3永磁同步电机的控制技术1.控制系统电动汽车动力系统要求电机驱动具有四象限运行能力，即正转电动、正转制动、反转电动、反转制动。2.控制策略（1）变压变频控制

变压变频控制又称为恒压频比控制，是永磁同步电机控制策略中最简单的一种，属于开环、标量控制，仅控制电机定子电压信号的幅值。(2)矢量控制矢量控制理论的基本思想：将定子电流空间矢量分解成正交的两个分量id和iq，通过id和iq控制电机的转速和转矩。1.矢量控制运行时的基本电磁关系图5-24定子电压极限椭圆图5-25

电流极限圆和电压极限椭圆2．基于转子磁场的矢量控制1）

控制图5-26

面装式PMSM转矩控制2）最大转矩／电流控制电磁转矩公式可以表示为令其导数为0对于隐极式永磁同步电动机，对于凸极式永磁同步电动机，电流id与iq之间满足于电流圆

图5-27可获得最大转矩/电流比的定子电流矢量轨迹2．矢量控制系统图5-29

面装式PMSM矢量控制系统5-30插入式三相永磁同步电动机矢量控制及控制系统5.3.4直接转矩控制

1．面装式PMSM电磁转矩可看成是转子磁场与定子磁场相互作用的结果，即有是直接对电机的电磁转矩进行控制，要求实际转矩与给定转矩相等。通过选择合适的空间电压矢量，控制定子磁链的运动，达到快速控制电磁转矩的目的。2.插入式和内装式PMSM若控制为常值，转矩就仅与负载角有关，通过控制即可控制转矩。

控制系统图5-34直接转矩控制系统原理框图5.4永磁无刷直流电机的基本结构与原理5.4.1永磁无刷直流电机的基本结构将永磁同步电机的磁场和反电势尽量设计为方波即可得到永磁无刷直流电机（BLDC）。内转子外转子5.4.3永磁无刷直流电机的运行原理永磁无刷直流电机要有电子换相器来使定子绕组产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永久磁场在空间上保持90°的平均电角度。这样就使得这两个磁场产生最大平均转矩而驱动电机不停地旋转。5.4.1无刷永磁直流电机的结构无刷直流电动机由电机本体、位置检测器、逆变器与控制器（控制系统）三部分组成1.电机本体图5-36无刷直流电动机结构示意图2.逆变器图5-38无刷直流电动机的电子开关线路3.位置检测器

位置检测器的作用是检测转子磁极相对与定子绕组的位置信号，为逆变器提供正确的换相信息。位置检测包括有位置传感器和无位置传感器检测两种方式。4.控制器控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能：1）对转子位置检测器输出的信号、PWM调制信号、正反转和停车信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各开关管的斩波信号和通断信号，实现电机的正反转及停车控制。2）产生PWM调制信号，使电机的电压随给定速度信号而自动变化，实现电机开环调速。3）对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节，使系统具有较好的动态和静态性能。4）实现短路、过流、过电压和欠电压等故障保护电路。无刷直流电机的换向原理中间的转子会尽量使自己内部的磁力线方向与外磁力线方向保持一致，以形成一个最短闭合磁力线回路，这样内转子就会按顺时针方向旋转。转子呈水平状态，不再受到转动力矩的作用，但由于惯性，还会继续顺时针转动。这时若改变两头螺线管的电流方向，转子就会继续顺时针向前转动。整个电机就引出三根线A、B、C。当它们之间两两通电时，有6种情况，分别是AB、AC、BC、BA、CA和CB。5.4.2

永磁无刷直流电机的运行原理AC导通各相导通方式示意图两两导通的6种情况（a）

VT6、VT1导通

（b）

VT1、VT2导通

（c）

VT2、VT3导通（d）

VT3、VT4导通

（e）

VT4、VT5导通

（f）

VT5、VT6导通5.4.3永磁无刷直流电机的极槽配合永磁无刷直流电机具有效率高、成本低、体积小等优点。电机转矩脉动一直是制约永磁无刷直流电机性能提高的一个重要瓶颈，影响电机在性能要求更高领域的进一步发展，主要包括齿槽转矩脉动、换相转矩脉动、非理想反电动势引起的转矩脉动。齿槽转矩是电机电枢绕组没有电流时永磁体与定子铁心相互作用产生的转矩.5.4.3无刷永磁直流电机的控制技术图5-46无刷直流电动机主电路原理图1.无刷直流电动机的数学模型（1）定子电压方程（2）电磁转矩方程（3）运动方程2.调速系统原理图5-47无刷直流电动机的调速系统原理性框图3.控制系统的实现图5-49以微控制器为核心的无刷直流电动机控制系统5.4.4无刷永磁直流与永磁同步电动机的比较1.电流控制模式比较（a）方波电流控制BLDC

（b）正弦波电流控制PMSM无刷永磁直流与永磁同步电动机的比较（2）电磁转矩波动永磁同步电机的电磁转矩存在一定的波动，但相比于无刷直流电机，永磁同步电机的电磁转矩波动更小。（3）功率密度

无刷直流电机和永磁同步电机的输出功率之比为1.15:15.5永磁同步磁阻电机技术永磁同步磁阻电机，又称为永磁辅助式同步磁阻电机（PMA-synRM），该电机综合了永磁同步电机和同步磁阻电机的优点。永磁同步电机同步磁阻电机永磁同步磁阻电机同步磁阻电机“低阻”状态，如果这时磁场旋转，那么转子也跟着会旋转。磁阻式同步电动机的起动这两个位置磁阻转矩的方向是相反的，所以磁阻式同步电动机往往不能自行起动同步磁阻电机“低阻”状态，如果这时磁场旋转，那么转子也跟着会旋转。高阻状态低阻状态永磁同步磁阻电机既具有转矩和功率密度高的特点，又具备调速范围宽和性价比高的优点。永磁同步磁阻电机

1）交直轴磁阻相差很大；磁阻转矩高；2）与相同转矩能力的永磁同步电机相比，所需要的永磁体用量少，亦可采用低成本的铁氧体永磁材料，减少电机制造成本;3）与感应电机、开关磁阻电机及同步磁阻电机相比，具有较高的转矩密度、效率和功率因数，利于减小逆变器的容量;4）电机永磁体只起到辅助作用，电枢磁场对主磁场调节能力强，调速性能优异。永磁同步磁阻电机的特点5.6轮毂电机技术轮毂电机可分成两种结构：内转子式和外转子式。外转子式：转速在1000-1500r/min，无减速装置；内转子式：电机转速高达15000r/min，配备减速器。轮毂电机动力系统通常由电动机、减速机构、制动器与散热系统等组成。轮毂电机结构型式

内转子型

外转子型内转子轮毂电机外转子式轮毂电机（早期）外转子轮毂电机外转子轮毂电机轮毂电机方式具有明显的优点，主要包括：1）可以完全省略传动装置，整体动力利用效率大大提高；2）车内空间和布置自由度得到极大的改善；3）车身上几乎没有大功率的运动部件，整车振动、噪声和舒适性得到极大的改善；4