《新能源汽车电机及传动系统拆装与检测》课件-任务2永磁同步电机工作原理

1.能阐述永磁电机的工作原理。2.能正确叙述永磁同步电机控制系统的各主要组成部件及作用。3.能正确在实物上指认永磁同步电机控制系统各部件。4.具有严谨学习态度，团队协作精神。学习目标（知识、技能、思政）任务二：永磁同步电机工作原理永磁同步电机的功牵因数大、效率高、功率密度夫，是一种比较理想的驱动电机但由于电磁结构中转子励磁不能随意改变，导致电机弱磁困难，调速特性不如直流电机。任务2永磁同步电机工作原理

永磁同步电机工作特性电机效率电机的弱磁能力永磁同步电机低速效率较低，如何通过设计降低低速损耗，减小低速额定电流是目前研究的热点之一。永磁同步电机由于转子是永磁体励磁，随着转速的升高，电机电压会逐渐达到逆变器所能输出的电压极限，这时要想继续升高转速，只有靠调节定子电流的大小和相位、增加直轴去磁电流来等效弱磁提高转速。电机的弱磁能力大小主要与直轴电抗、反电动势大小有关，但永磁体串联在直轴磁路中，所以直轴磁路一般磁阻较大，弱磁能力较小，电机反电动势较大时，也会降低电机的最高转速。问题一问题二任务2永磁同步电机工作原理

永磁同步电机工作特性由于永磁电机的转子上无绕组、无铜耗、磁通量小，在低负荷时铁损很小，因此，永磁电动机具有较高的功率质量比。比其他类型的电机有更高的效率、更大的输出转矩。由于永磁电机的磁场产生恒定的磁通量，随着电流的增加，电机的转矩与电流成正比增加，因此基本上拥有最大的转矩。永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，可能会使得永磁材料的导磁性能下降或发生退磁现象。这会降低永磁电机的性能，严重时还会损坏电机，在使用中必须严格控制其不发生过载。永磁电机在恒功率模式下，操纵较为复杂，永磁电机和三相异步电机同样需要一套复杂的控制系统，从而使得永磁电机的控制系统造价也很高。最新研制和开发的混合励磁永磁同步电机的控制性能得到很大的改进。随着电机转速的增加，电机功率也增加，同时电压也随之增加。在电动汽车上，一般要求电机输出功率保持恒功率，即电机输出功率不随转速增加而变化，这就要求在电机转速增加时，电压保持恒定。对一般电机，可以用调节励磁电流来控制。但永磁电机磁场的磁通量调节的确比较困难，因此需要采用磁场控制技术来实现。这使永磁电机的控制系统变得更复杂，而且增加了成本。转矩特性功率特性材料特性任务2永磁同步电机工作原理

永磁同步电机工作特性永磁同步电机的驱动特性永磁无刷同步电机的恒转矩区比较长，一直延伸到电机最高转速的50%处左右，这对提高汽车的低速动力性能有很大帮助，电机最高转速较高，能达到10000r/min。永磁无刷同步电机功率密度高、调速性能好在宽转速范围内运行效率高(90%~95%)，是理想的电动汽车驱动电机之一。它的主要缺点是电机造价较高、永磁材料会有退磁效应、抗腐蚀性差，而且永磁材料磁场不可变，若想增大电机的功率，其体积会很大。随着稀土永磁材料的开发和应用，永磁无刷电机的性能有了很大的提高，是未来最有发展前景的驱动电机之一。任务2永磁同步电机工作原理电动汽车用永磁同步电机的特殊要求高的短时功率、转矩密度和宽调速范围，低速（恒转矩区）运行应能够提供大转矩，以满足起动、爬坡等要求，能够提供高转速，以满足汽车高速行驶及超车的要求。01020304在整个运行范围内具有高效率，目的是增加电动汽车一次充电的行驶距离。有较强的过载能力、快速的动态响应及良好的加速性能，目的是适应路面变化及频繁起动和减速制动等复杂运行工况。可靠性高、重量轻、体积小、成本合理。电动汽车的性能指标主要包括：静加速度、经济车速、最高车速、爬坡度、续驶里程。任务2永磁同步电机工作原理电机是以磁场为媒介对机械能和电能进行转换的电磁装置。为了在电机内部建立机电能量所必须的气隙磁场，可采用两种方法：一种是在电机绕组内通以电流来产生磁场，如普通的直流电机、异步电机等；另一方面由永磁体产生磁场，永磁同步电机就是用的这一方法。任务2永磁同步电机工作原理

永磁同步电机工作原理如图所示为最简单的三相定子绕组U1U2、V1V2、W1W2，它们在空间上按互差120°的规律对称排列。并接成星型与三相电源相连。则三相定子绕组便通过三相对称电流，随着电流在三相定子绕组中通过，在三相定子绕组中就会产生旋转磁场。任务2永磁同步电机工作原理

永磁同步电机工作原理任务2永磁同步电机工作原理

永磁同步电机工作原理当定子绕组中的电流变化一个周期时，合成磁场也按电流的相序方向在空间旋转一周。随着定子绕组中的三相电流不断地做周期性变化，产生的合成磁场也不断地旋转，因此成为旋转磁场。任务2永磁同步电机工作原理

永磁同步电机工作原理对于永磁同步电机，当在电机的定子绕组中通入三相电流，然后就会在电机的定子绕组中形成旋转磁场，由于在转子上安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁极同性相吸、异性相斥的原理，在定子中产生的旋转磁场会带动转子旋转，最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等。同步电机工作模型电力驱动能量变化任务2永磁同步电机工作原理

永磁同步电机工作原理

可以把永磁同步电机的起动过程看成是由异步起动阶段和牵入同步阶段组成的。在异步起动阶段，电机的转速是从零开始逐渐增大的，在异步转矩、永磁发电制动转矩、磁阻转矩和转子磁路不对称等因素的共同作用下，转速是振荡上升的。在起动过程中，只有异步转矩是驱动性的，电机就是在这一转矩的作用下得以加速的，其他转矩以制动性质为主。在电机转速由零增加到接近定子磁场的旋转转速时，在永磁体脉振转矩的影响下，永磁同步电机的转速有可能会超过同步转速，而出现转速超调现象。但经过一段时间的转速振荡后，最终在同步转矩的作用下将被牵入同步。任务2永磁同步电机工作原理

永磁同步电机工作原理如图所示，U相黄色线圈、V相红色线圈和W相绿色线圈分别是永磁同步电机的三相线圈绕组，每相线圈中通入电流幅值和相位都随时间变化的交流电，且彼此在相位上相差120°。图中所示为时间轴t为0时的状态，此时黄色的U相线圈电流方向为正，电流从始端流入U相线圈，从末端流出，根据右手定则可产生如图所示的磁力线，磁场通过定子铁心形成闭合回路，对永磁转子产生吸引。此时红色的V相线圈电流方向为负，电流从末端流入V相线圈，从始端流出，根据右手定则，可产生如图所示方向磁力线。此时绿色的W相线圈电流为正，电流从始端流入W相线圈，从末端流出，根据右手定则可产生如图所示方向的磁力线。三相叠加的磁力线在左侧形成顺时针方向的磁力线，在右侧形成逆时针方向的磁力线，使得转子的S极和N极受到定子绕组的磁力线吸引。随着U、V、W三相绕组连续通入彼此相位相差120°的交流电，定子磁场沿顺时针方向旋转，吸引永磁转子也随之旋转，将电能转化为机械能。任务2永磁同步电机工作原理

永磁同步电机工作原理在同步电机系统中，电机的输出动作主要是根据控制单元给定命令执行的，即控制器输出命令。控制器主要是将输人的直流电逆变成电压、频率可调的三相交流电，供给配套的三相交流永磁同步电机使用。在电机工作的过程中，通过位置传感器实时读取转子磁铁位置，变换成电信号控制控制器中的逆变器功率器件开关，调节电流频率和相位，使定子和转子磁动势保持稳定的位置关系，才能产生恒定的转矩，定子绕组中的电流大小是由负载决定的。任务2永磁同步电机工作原理

永磁同步电机工作原理在有负载状态下，定子旋转磁场在转速上微微领先转子一点，吸引转子以旋转磁场的转速进行旋转。在理想空载状态下转子与旋转磁场是完全对应的。在转子主动旋转，转子磁场会切割定子的磁场从而产生感生电流，此时状态为发电机。任务2永磁同步电机工作原理

永磁同步电机工作原理旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决定的，若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调即可。这时，转子的旋转方向也跟着改变。任务2永磁同步电机工作原理

永磁同步电机工作原理1.右手定则2.合成磁场任务2永磁同步电机工作原理

旋转磁场的建立

任务2永磁同步电机工作原理

旋转磁场的建立

rrggbbNS⊙⊙⊙⊕⊕ACBZYX⊕1.通三相交流电；2.建立旋转磁场；3.与转子磁场相互作用：同极相斥，异极相吸。任务2永磁同步电机工作原理

工作过程

变向：改变相序任务2永磁同步电机工作原理

永磁同步电机换向

正转反转任务