新能源汽車驅動電機與控制系統(tǒng) 課件 第四章永磁同步電機

新能源汽車驅動電機與控制系統(tǒng)Contents01電機基礎知識02直流電機03交流感應電機04永磁同步電機05電動汽車驅動電機傳感器模塊06電機控制器07其他類型電機任務4永磁同步電機課程：智能座艙系統(tǒng)測試裝調（高級）一、課堂目標課程：智能座艙系統(tǒng)測試裝調（高級）4（一）知識目標（1）掌握永磁同步電機的基本結構和工作原理；（2）掌握永磁同步電機的工作特性及應用；（3）掌握永磁同步電機與感應異步電機不同工況時的運行特點；（4）掌握永磁同步電動機的拆裝步驟、檢測方法；（5）能夠規(guī)范選擇使用相關工具、儀表、設備。（二）技能目標能夠正確認識永磁同步電機整體及銘牌數據；能夠正確拆裝及檢測永磁同步電動機；二、任務導入任務1：電機基礎知識5如何通過永磁同步電機的銘牌來了解該電機的關鍵性能？您了解拆裝并正確檢測永磁同步電機嗎？三、任務資訊6任務1：電機基礎知識永磁同步電機的基本結構01永磁同步電機的特點及應用03永磁同步電機的工作原理02永磁同步電機與交流感應電機工況對比分析

04（一）永磁同步電機的基本結構7永磁同步電動機分為正弦波驅動電流的永磁同步電動機和方波驅動電流的永磁同步電動機。定子：永磁同步電動機的定子與普通三相異步電動機基本相同，由電樞鐵心和電樞繞組構成。電樞鐵心一般采用0.5mm硅鋼沖片疊壓而成，對于具有高效率指標或頻率較高的電動機，為了減少鐵耗，可以考慮使用0.35mm的低損耗冷軋無取向硅鋼片。電樞繞組則普遍采用分布、短距繞組；對于極數較多的電動機，則普遍采用分數槽繞組。需要進一步改善電動勢波形時，也可以考慮采用正弦繞組或其他繞組。任務1：電機基礎知識（一）永磁同步電機的基本結構8轉子：轉子主要由永磁體、轉子鐵心和轉軸等構成，如圖4-3所示。其中永磁體主要采用鐵氧體永磁和釹鐵硼永磁材料；轉子鐵心可根據磁極結構的不同，選用實心鋼，或采用鋼板或硅鋼片沖制后疊壓而成。與普通電動機相比，水磁同步電動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，達到對永磁同步電動機驅動控制的目的。任務1：電機基礎知識（一）永磁同步電機的基本結構9轉子：按照永磁體在轉子上位置的不同，永磁同步電動機的磁極結構可分為表面式和內置式兩種。表面式轉子磁路結構中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉子鐵心的外表面上，永磁體提供磁通的方向為徑向。表面式結構又分為凸出式和嵌入式兩種，如圖所示。對采用稀土永磁材料的電動機來說，由于永磁材料的相對回復磁導率接近1，所以表面凸出式轉子在電磁性能上屬于隱極轉子結構；而嵌入式轉子的相鄰兩永磁磁極間有著磁導率很大的鐵磁材料，故在電磁性能上屬于凸極轉子結構。永磁同步電動機的轉子結構（一）永磁同步電機的基本結構10表面凸出式轉子結構：按照永磁體在轉子上位置的不同，永磁同步電動機的磁極結構可分為表面式和內置式兩種。表面式轉子磁路結構中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉子鐵心的外表面上，永磁體提供磁通的方向為徑向。表面嵌入式轉子結構可充分利用轉子磁路不對稱性所產生的磁阻轉矩，提高電動機的功率密度，動態(tài)性能較凸出式有所改善，制造藝也較簡單，常被某些調速永磁同步電動機所采用，但漏磁系數和制造成本都較凸出式大。（一）永磁同步電機的基本結構11內置式轉子磁路結構：內置式結構的水磁體位于轉子內部，永磁體外表面與定子鐵心內圓之間有鐵磁物質制成的極靴，極靴中可以放置鑄鋁籠或銅條籠，起阻尼或啟動作用，動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能好，廣泛用于要求有異步啟動能力或動態(tài)性能高的永磁同步電動機。內置式轉子內的永磁體受到極靴的保護，其轉子磁路結構的不對稱性所產生的磁阻轉矩也有助于提高電動機的過載能力或功率密度，而且易于弱磁擴速。（一）永磁同步電機的基本結構12內置式轉子磁路結構：內置式轉子結構又可分為徑向式、切向式、U型混合式和V型徑向式。徑向式轉子結構高磁通密度。該結構的優(yōu)點是漏磁系數小，轉軸上不需要采取隔磁措施，極弧系數易于控制，轉子沖片機械強度高，安裝永磁體后轉子不易變形等。切向式轉子結構的轉子有較大的慣性，漏磁系數較大，制造工藝和成本較徑向式有所增加。其優(yōu)點是一個極距下的磁通由相鄰兩個磁極并聯(lián)提供，可得到更大的每極磁通。尤其當電動機極數較多、徑向式結構不能提供足夠的每極磁通時，這種結構的優(yōu)勢就顯得更為突出。此外，采用該結構的永磁同步電動機的磁阻轉矩可占到總電磁轉矩的40％，對提高電動機的功率密度和擴展恒功率運行范圍都是很有利的（a）徑向式

（b）切向式

（c）U型混合式

（d）V型徑向式（一）永磁同步電機的基本結構13轉子位置傳感器：像光電編碼式、霍爾式、和電磁式等，也有控制精度要求相對較高的場合，采用正弦或余弦旋轉變壓器等位置傳感器的，但無論哪種測量方式，其本質都是用來測量轉子位置信息的，只是安裝的體積、方便程度、成本及可靠性要求不同而已。（a）光電編碼式

（b）霍爾式

（c）U型混合式

（一）永磁同步電機的基本結構14逆變器：位置傳感器將轉子的位置信號電平反饋給控制芯片，控制芯片經過電流采樣和數學變換，并根據反饋的位置信息經過閉環(huán)運算，重新按新的PWM占空比輸出，來觸發(fā)功率器件（IGBT或MOSFET），實際上逆變器是自控的，由自身運行來保證電機的轉速和電流輸入頻率同步，并避免震蕩和失步的發(fā)生。（a）電機IGBT

（b）MOSFET

（二）永磁同步電機的工作原理15工作原理：定子繞組產生旋轉磁場。在永磁同步電機中，定子繞組通常分布在定子磁芯上，定子繞組中的電流通過變化的三相交流電壓產生旋轉磁場，這個旋轉磁場由電流的相位和大小決定。轉子永磁體產生徑向磁場。永磁同步電機的轉子通常是由永磁體材料制成，向外產生徑向磁場，其大小和方向由其放置方式和材料決定。旋轉磁場與徑向磁場相互作用產生電磁力。旋轉磁場與徑向磁場兩者之間的相互作用會在轉子上產生電磁力，驅動轉子旋轉，進而實現(xiàn)發(fā)電機的高效運行（二）永磁同步電機的工作原理16工作原理：定子繞組產生旋轉磁場。在永磁同步電機中，定子繞組通常分布在定子磁芯上，定子繞組中的電流通過變化的三相交流電壓產生旋轉磁場，這個旋轉磁場由電流的相位和大小決定。轉子永磁體產生徑向磁場。永磁同步電機的轉子通常是由永磁體材料制成，向外產生徑向磁場，其大小和方向由其放置方式和材料決定。旋轉磁場與徑向磁場相互作用產生電磁力。旋轉磁場與徑向磁場兩者之間的相互作用會在轉子上產生電磁力，驅動轉子旋轉，進而實現(xiàn)發(fā)電機的高效運行。（二）永磁同步電機的工作原理17工作原理：圖中θ為功率角，電機的轉子是一個永磁體，N、S極延圓周方向交替排列，定子可以看成是一個以速度旋轉的磁場。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―樣，隨著定子的旋轉磁場同步旋轉。轉子永磁體產生徑向磁場。永磁同步電機的轉子通常是由永磁體材料制成，向外產生徑向磁場，其大小和方向由其放置方式和材料決定。fs-電源頻率；Pn-電機極對數（二）永磁同步電機的工作原理18工作原理：圖中θ為功率角，電機的轉子是一個永磁體，N、S極延圓周方向交替排列，定子可以看成是一個以速度旋轉的磁場。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―樣，隨著定子的旋轉磁場同步旋轉。轉子永磁體產生徑向磁場。永磁同步電機的轉子通常是由永磁體材料制成，向外產生徑向磁場，其大小和方向由其放置方式和材料決定。（三）永磁同步電機的特點及應用19永磁同步電機的優(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，無須勵磁，因此電動機可以在很低的轉速下保持同步運行，調速范圍寬。（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，因而功率因數高，定子電流和定子銅耗小，效率高。（6）體積小質量輕。（7）結構多樣化，應用范圍廣（三）永磁同步電機的特點及應用20永磁同步電機的缺點：（1）由于永磁同步電動機轉子為永磁體，無法調節(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。由此可見，永磁同步電動機體積小、質量輕、轉動慣量小、功率密度高（可達1Kw/kg），適合電動汽車空間有限的特點；另外，轉矩慣量比大、過載能力強，尤其低轉速時輸出轉矩大，適合電動汽車的起動加速。因此，永磁同步電動機得到國內外電動汽車界的廣泛重視，并已在日本得到了普遍應用，日本新研制的電動汽車大都采用永磁同步電動機驅動。比較典型的是在豐田普銳斯混聯(lián)式混合動力轎車上的應用。（三）永磁同步電機的特點及應用21永磁同步電機的缺點：（1）由于永磁同步電動機轉子為永磁體，無法調節(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。由此可見，永磁同步電動機體積小、質量輕、轉動慣量小、功率密度高（可達1Kw/kg），適合電動汽車空間有限的特點；另外，轉矩慣量比大、過載能力強，尤其低轉速時輸出轉矩大，適合電動汽車的起動加速。因此，永磁同步電動機得到國內外電動汽車界的廣泛重視，并已在日本得到了普遍應用，日本新研制的電動汽車大都采用永磁同步電動機驅動。比較典型的是在豐田普銳斯混聯(lián)式混合動力轎車上的應用。（三）永磁同步電機的特點及應用22永磁同步電動機的運行特性：永磁同步電動機的運行特性主要包括機械特性和工作特性。機械特性：永磁同步電動機穩(wěn)態(tài)正常運行時，轉速始終保持同步速不變，因此，其機械特性為平行于橫軸的直線，調節(jié)電源頻率來調節(jié)電動機轉速時，轉速將嚴格地與頻率成正比變化，如圖所示。（三）永磁同步電機的特點及應用23永磁同步電動機的運行特性：工作特性：永磁同步電動機的工作特性是指當電源電壓恒定時，電動機的輸入功率P1電樞電流、效率η、功率因數cos等隨輸出功率變化的關系，如圖所示。在正常工作范圍內，永磁同步電動機的功率因數比較平穩(wěn)，效率特性也能保持較高的水平。電動機的輸入功率和電樞電流近似與輸出功率成正比（三）永磁同步電機的特點及應用24永磁同步電機的應用：特斯拉比亞迪、理想汽車、蔚來旗下第二款量產車型ES6、ModelS、ModelX、Model3、ModelY、ChevroletBolt、BMWi3（四）磁同步電機與交流感應電機工況對比分析251.永磁同步電機的優(yōu)勢（1）效率高。這里所說的效率高不僅僅指額定功率點的效率離于普通三相異步電機，而是指其在整個調速范圍內的平均效率。永磁同步電機的勵磁磁場由永磁體提供，轉子不需要勵磁電流，電機效率提高，與異步電機相比，任意轉速點均節(jié)約電能，尤其在轉速較低的時候這種優(yōu)勢尤其明顯。（2）啟動轉矩高。永磁同步電機一般也采用異步起動方式，由于永磁同步電機正常工作時轉子繞組不起作用，在設計永磁電機時，可使轉子繞組完全滿足高起動轉矩的要求，例如使起倍1.8倍上升到2.5倍，甚至更大。（四）磁同步電機與交流感應電機工況對比分析26（3）體積小，重量輕。由于使用了高性能的永磁材料提供磁場，使得永磁電機的氣隙磁場較感應電機大先增強，永磁電機的體積和重量較感應電機可以大大的縮小。例如某3kW的異步電機重最為40kg，而30kW永磁電機僅為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場，因此故障率更低。（5）響應速度快。相同功率的永磁電機轉子轉動慣量小，因此響應迅速，起步加速性能好，圖為2.2Kw的永磁電機和異步電機在相同載荷時由靜止加速到1500r/min時的階躍響應曲線，同步電機液壓源階躍響應時間為90ms，明顯優(yōu)于異步電機的370ms。（四）磁同步電機與交流感應電機工況對比分析272.永磁同步電機存在的問題（1）控制難度大。永磁電機制成后不需外界能量即可維持其磁場，但也造成從外部調節(jié)、控制其磁場極為困難。永磁發(fā)電機難以從外部調節(jié)其輸出電壓和功率因數，永磁直流電動機不能再用改變勵磁的辦法來調節(jié)其轉速。永磁電機一般采用閉環(huán)控制，電機本身自帶轉速位置傳感器，如旋轉變壓器、光電碼盤；而異步電機即可開環(huán)控制如通用變頻調速，也可閉環(huán)控制如伺服控制。（2）不可逆退磁問題。如果設計或使用不當，永磁電機在過高（釹鐵硼永磁）或過低（鐵氧體永磁）溫度時，在沖擊電流產生的電樞反應作用下，或在劇烈的機械震動時有可能產生不可逆退磁，也叫失磁，使電機性能降低，甚至無法使用。永磁電機一般在定子繞組中預埋溫度傳感器，檢測電機溫度，防止過載引起電機溫升過大造成退磁。同時，對轉速控制也極為嚴格，如“失步”（轉子磁場與定子旋轉磁場不同步）也會對電機造成嚴重不良影響，容易引起退磁。（四）磁同步電機與交流感應電機工況對比分析282.永磁同步電機存在的問題（1）控制難度大。永磁電機制成后不需外界能量即可維持其磁場，但也造成從外部調節(jié)、控制其磁場極為困難。永磁發(fā)電機難以從外部調節(jié)其輸出電壓和功率因數，永磁直流電動機不能再用改變勵磁的辦法來調節(jié)其轉速。永磁電機一般采用閉環(huán)控制，電機本身自帶轉速位置傳感器，如旋轉變壓器、光電碼盤；而異步電機即可開環(huán)控制如通用變頻調速，也可閉環(huán)控制如伺服控制。（2）不可逆退磁問題。如果設計或使用不當，永磁電機在過高（釹鐵硼永磁）或過低（鐵氧體永磁）溫度時，在沖擊電流產生的電樞反應作用下，或在劇烈的機械震動時有可能產生不可逆退磁，也叫失磁，使電機性能降低，甚至無法使用。永磁電機一般在定子繞組中預埋溫度傳感器，檢測電機溫度，防止過載引起電機溫升過大造成退磁。同時，對轉速控制也極為嚴格，如“失步”（轉子磁場與定子旋轉磁場不同步）也會對電機造成嚴重不良影響，容易引起退磁。（四）磁同步電機與交流感應電機工況對比分析29（3）成本問題。鐵氧體永磁電機，特別是微型永磁直流電動機，由于結構工藝簡單、質量減輕，總成本一般比電勵磁電機低，因而得到了極為廣泛的應用。由于稀土永磁目前價格還比較貴，稀土永磁電機的成本一般比電勵磁電機高，這需要用它的高性能和運行費用的節(jié)省來補償。因此永磁電機適于小功率的場合。永磁同步電機和交流異步電機各有優(yōu)缺點，永磁同步電機低速節(jié)能性、響應速度等方面更優(yōu)，而交流異步電機的高速性能更好。因此很多主流四驅純電動汽車同時采用永磁同步電機和交流異步電機，提升不同工況時的車輛綜合性能，如特斯拉、蔚來等；而對于單電機驅動的車輛，一般采用永磁同步電機，如比亞迪、吉利等。（四）磁同步電機與交流感應電機工況對比分析30永磁同步電機與交流感應電機工況對比分析:1.電機電動狀態(tài)，電機驅動車輛行駛工況永磁同步電機：定子旋轉磁場和轉子同向旋轉，轉速基本相同，定子磁場始終超前轉子磁場一個角度，角度大小始終在某一范圍內。交流異步電機：定子旋轉磁場和轉子同向旋轉，旋轉磁場轉速大于定子轉速，轉差率0＜S＜1。2.電機發(fā)電狀態(tài)，減速制動能量回收工況永磁同步電機：定子旋轉磁場和轉子同向旋轉，轉速基本相同，定子磁場始終滯后轉子磁場一個角度，角度大小始終在某一范圍內。交流異步電機：定子旋轉磁場和轉子同向旋轉，旋轉磁場轉速小于定子轉速，轉差率S＜0。（四）磁同步電機與交流感應電機工況對比分析31永磁同步電機與交流感應電機工況對比分析:3.電機堵轉狀態(tài)，車輛上臺階時被頂住的工況永磁同步電機：定子旋轉磁場和轉子都不轉動，定子磁場超前轉子磁場一個角度，電能不能轉化為機械能，電機發(fā)熱嚴重，電機效率為零，應盡快脫離堵轉狀態(tài)。交流異步電機：轉子不轉動，定子磁場轉動，轉差率S=1，電能不能轉化為機械能，電機發(fā)熱嚴重，電機效率為零，應盡快脫離堵轉狀態(tài)。4.電機同步狀態(tài)，車輛瞬時出現(xiàn)的工況永磁同步電機：轉子和定子瞬時轉速相同，旋轉磁場和轉子磁場角度差為零，是電動狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)轉換的臨界狀態(tài)，此時車輛瞬間失去驅動力和制動力。交流異步電機：轉子和定子瞬時轉速相同，轉差率S=0，是電動狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)轉換的臨界狀態(tài)，此時車輛瞬間失去驅動力和制動力。（四）磁同步電機與交流感應電機工況對比分析32永磁同步電機與交流感應電機工況對比分析:5.反接制動狀態(tài)，坡道車輛溜車工況交流異步電機：定子磁場正向轉動，車輛拖動電機轉子反向轉動，轉差率S＞1，此時電流很大，電機很快發(fā)熱。永磁同步電機：永磁電機不會出現(xiàn)定子和旋轉磁場旋向相反的狀態(tài)，即使不同步都會產生“失步”，造成電機沖擊、振動，甚至產生定子永磁體退磁。若在坡道上驅動力不足，造成溜車，電機會進入發(fā)電狀態(tài)。四、任務實施1-電機整體及銘牌數據認識任務1：電機基礎知識1.準備工作設備：永磁同步電動機1臺，純電動汽車1輛。2.操作步驟（1）觀察永磁電動機的外形結構，抄錄永磁電動機的銘牌數據；（2）用手撥動永磁電動機的轉子，觀察其轉動情況是否良好；（3）觀察永磁電動機的接線方式，明確所有線束的功能作用；（4）觀察永磁電動機的冷卻方式；（5）觀察永磁電動機在車輛上的固定方式。3.自我評價與反饋電機型號峰值功率峰值轉矩額定電壓最高轉速額定電流冷卻方式額定轉速絕緣等級工作制防護等級四、任務實施1-電機整體及銘牌數據認識任務1：電機基礎知識序號內容評定等級1額定電壓定義□優(yōu)秀□良好□中等□不及格2額定電流定義□優(yōu)秀□良好□中等□不及格3冷卻方式分類□優(yōu)秀□良好□中等□不及格4最高轉速定義□優(yōu)秀□良好□中等□不及格5額定功率定義□優(yōu)秀□良好□中等□不及格4.小組評價與反饋四、任務實施1-電機整體及銘牌數據認識任務1：電機基礎知識序號內容評定等級1峰值轉矩意義□優(yōu)秀□良好□中等□不及格2額定電流意義□優(yōu)秀□良好□中等□不及格3工作制分類□優(yōu)秀□良好□中等□不及格4絕緣等級分類□優(yōu)秀□良好□中等□不及格5防護等級分類□優(yōu)秀□良