永磁同步電機(jī)以及直流無(wú)刷電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)-課件

1永磁同步電機(jī)以及直流無(wú)刷電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)1永磁同步電機(jī)以及直流無(wú)刷電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)12二、永磁電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)介一、永磁電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系式四、電磁設(shè)計(jì)與控制的緊密結(jié)合主要內(nèi)容三、永磁同步電機(jī)與直流無(wú)刷電機(jī)的區(qū)別2二、永磁電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)介一、永磁電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)之間23一、永磁電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系式其中為電樞直徑；為等效鐵心長(zhǎng)度；為電機(jī)的額定點(diǎn)轉(zhuǎn)速；為電機(jī)的計(jì)算功率；為電機(jī)計(jì)算極弧系數(shù)；為電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的波形系數(shù)；為電機(jī)的繞組系數(shù)；為電機(jī)的線負(fù)荷；為電機(jī)的氣隙磁密最大值；（2）相同的電磁負(fù)荷，相同轉(zhuǎn)速，電機(jī)體積越大可實(shí)現(xiàn)的功率也越大；（3）相同的電磁負(fù)荷下，出相同功率，轉(zhuǎn)速越高則電機(jī)的體積越??；（4）一定功率和轉(zhuǎn)速下，電磁負(fù)荷決定電機(jī)的主要尺寸；（1）電機(jī)的主要尺寸由其計(jì)算功率和轉(zhuǎn)速n之比決定；反映電機(jī)的電負(fù)荷反映電機(jī)的磁負(fù)荷3一、永磁電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系式其中為電樞直徑；為等效34極弧系數(shù)的概念解釋磁鋼表貼式轉(zhuǎn)子磁鋼內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子4極弧系數(shù)的概念解釋磁鋼表貼式轉(zhuǎn)子磁鋼內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子45電機(jī)主要尺寸比電機(jī)主要尺寸比定義如下：為電機(jī)的極距；在選定電機(jī)的電磁負(fù)荷后，可基本確定電機(jī)的

。

λ的大小與電機(jī)運(yùn)行性能、經(jīng)濟(jì)性、工藝性等均有密切關(guān)系，或有一定影響。一、尺寸比越大，電機(jī)越細(xì)長(zhǎng)；端部短，因而端部用銅相應(yīng)減少；經(jīng)濟(jì)性二、體積未變，鐵重基本不變，同一磁密下基本鐵耗也不變，再考慮電流密度一定時(shí)，端部用銅相對(duì)減少，總體損耗下降，效率提高；電磁性能三、電機(jī)細(xì)長(zhǎng)，則相對(duì)的鐵心與機(jī)座之間的接觸面積增大，對(duì)散熱有利。(對(duì)用氣體作為冷卻介質(zhì)時(shí)，風(fēng)路加長(zhǎng)，冷卻條件變差）；熱性能四、電機(jī)細(xì)長(zhǎng)，線圈數(shù)目常較粗短的電機(jī)為少，因而使線圈制造工時(shí)和絕緣材料消耗減少；但機(jī)座加工費(fèi)時(shí)，下線難度較大，下線工時(shí)增多；此外，沖片數(shù)目增大，沖片沖剪和鐵心疊壓費(fèi)時(shí)，沖模磨損加??；工藝性來(lái)分析一下，在電機(jī)體積未變的情況下，主要尺寸比較大的影響：5電機(jī)主要尺寸比電機(jī)主要尺寸比定義如下：為電機(jī)的極距；5外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)6二、永磁電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)介就目前公司所生產(chǎn)的電機(jī)來(lái)說(shuō)，可分為大致兩種：

一、內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；二、外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；三、混合磁路結(jié)構(gòu)（天津電機(jī)）；徑向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)；軸向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)（盤式電機(jī)）；ISG電機(jī)（內(nèi)轉(zhuǎn)子）軸向磁場(chǎng)的混合勵(lì)磁電機(jī)磁鋼表貼式（SPM）磁鋼內(nèi)嵌式（IPM一字形）外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)6二、永磁電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)介就目前公司所生67內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的多種磁路結(jié)構(gòu)形式切向式IPM混合式IPM徑向式IPMToyota-Prius的分段斜極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)連續(xù)斜極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)多層徑向式IPM結(jié)構(gòu)Honda-Accord的IPM轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)7內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的多種磁路結(jié)構(gòu)形式切向式IPM混合式IPM徑向式78電機(jī)的交直(DQ)軸磁路徑向式IPM切向式IPM8電機(jī)的交直(DQ)軸磁路徑向式IPM切向式IPM89自行車電機(jī)三、永磁同步電機(jī)與直流無(wú)刷電機(jī)的區(qū)別工業(yè)電機(jī)汽車電機(jī)9自行車電機(jī)三、永磁同步電機(jī)與直流無(wú)刷電機(jī)的區(qū)別工業(yè)電機(jī)汽車910一、傳感器的不同：

直流無(wú)刷電機(jī)(BLDC)：位置傳感器，如霍爾等；

永磁同步電機(jī)(PMSM)：速度和位置傳感器，如旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器等；三、三相電流波形不同：

BLDC：近似方波或梯形波（理想狀態(tài)）；

PMSM：正弦波（理想狀態(tài)）；二、反電勢(shì)波形不同：

BLDC：近似梯形波（理想狀態(tài)）；

PMSM：正弦波（理想狀態(tài)）；四、控制系統(tǒng)的區(qū)別：

BLDC：通常包括位置控制器、速度控制器和電流（轉(zhuǎn)矩）控制器；PMSM：不同控制策略的會(huì)有不同的控制系統(tǒng)；五、設(shè)計(jì)的原理與方法上的區(qū)別：

BLDC：盡量拓寬反電勢(shì)波形的寬度（使之近似為梯行波）；PMSM：使反電勢(shì)接近與正弦波；

體現(xiàn)在設(shè)計(jì)上主要是定子繞組、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（如極弧系數(shù)）上的區(qū)別。10一、傳感器的不同：三、三相電流波形不同：二、反電勢(shì)波1011四、電磁設(shè)計(jì)與控制策略的緊密結(jié)合不同的控制策略，可能導(dǎo)致不同的電磁設(shè)計(jì)結(jié)果；而同一種電磁設(shè)計(jì)，采取不同的控制策略，則會(huì)有不同的效果。因此，對(duì)應(yīng)不同的設(shè)計(jì)指標(biāo)，電磁設(shè)計(jì)必須和控制策略匹配，才能總體上產(chǎn)生一個(gè)最佳的效果。矢量控制方法一、Id=0控制二、最大轉(zhuǎn)矩/電流控制三、弱磁控制四、最大輸出功率控制永磁電機(jī)的dq軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系11四、電磁設(shè)計(jì)與控制策略的緊密結(jié)合不同的控制策略，11124.1Id=0控制（磁場(chǎng)定向控制）控制是矢量控制中的一個(gè)特殊的控制方法，從電動(dòng)機(jī)端口看，相當(dāng)于一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，定子電流中只有交軸分量，且定子磁動(dòng)勢(shì)空間矢量與永磁體磁場(chǎng)空間矢量正交，即β

=90°，電機(jī)轉(zhuǎn)矩中只有永磁轉(zhuǎn)矩分量。例如：工縫機(jī)電機(jī)、以及所有表貼式永磁同步電機(jī)。磁場(chǎng)定向控制時(shí)的相量圖為什么表貼式永磁電機(jī)都適合用這種控制方式？表貼式永磁電機(jī)的交直軸電感相等，不可能有磁阻轉(zhuǎn)矩存在。適用于恒速運(yùn)行，以及調(diào)速范圍要求不高的場(chǎng)合。124.1Id=0控制（磁場(chǎng)定向控制）12134.2最大轉(zhuǎn)矩/電流控制SPM電機(jī)的定子電流矢量軌跡表貼式永磁電機(jī)：Ld=Lq可推出結(jié)論：Id=0最大轉(zhuǎn)矩/電流控制也稱單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制，是凸極式永磁同步電動(dòng)機(jī)用的較多的一種電流控制策略。對(duì)于隱極式永磁同步電機(jī)（大多數(shù)表貼式永磁電機(jī)）來(lái)說(shuō)，最大轉(zhuǎn)矩/電流控制就是id＝0控制。電流矢量應(yīng)滿足的兩條件SPM電機(jī)134.2最大轉(zhuǎn)矩/電流控制SPM電機(jī)的定子電流矢量軌跡表13144.2最大轉(zhuǎn)矩/電流控制IPM電機(jī)的定子電流矢量軌跡最大轉(zhuǎn)矩/電流控制也稱單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制，是凸極式永磁同步電動(dòng)機(jī)用的較多的一種電流控制策略。對(duì)于隱極式永磁同步電機(jī)（大多數(shù)表貼式永磁電機(jī)）來(lái)說(shuō)，最大轉(zhuǎn)矩/電流控制就是id＝0控制。電流矢量應(yīng)滿足的兩條件其中ρ為電機(jī)的凸極率，ρ=Lq/LdIPM電機(jī)144.2最大轉(zhuǎn)矩/電流控制IPM電機(jī)的定子電流矢量軌跡14154.3弱磁控制弱磁控制的思想來(lái)自于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)磁控制（通過(guò)降低他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流大小，可拓寬其轉(zhuǎn)速范圍）。

而對(duì)于永磁同步電機(jī)來(lái)說(shuō)，勵(lì)磁磁場(chǎng)是永磁體產(chǎn)生，無(wú)法進(jìn)行調(diào)節(jié)，只有通過(guò)調(diào)節(jié)定子電流，即增加定子直軸去磁電流分量來(lái)維持高速運(yùn)行時(shí)電壓的平衡，達(dá)到弱磁擴(kuò)速的目的。不難發(fā)現(xiàn)，在同一電流極限圓上的A點(diǎn)和C點(diǎn)，轉(zhuǎn)矩也一致，但轉(zhuǎn)速卻是C點(diǎn)更高。還有，如果按照最大轉(zhuǎn)矩/電流控制，在轉(zhuǎn)速為ω時(shí)只能做到Tem2大小的功率（B點(diǎn)），但是通過(guò)做弱磁控制，增大電機(jī)的直軸去磁電流，削弱了永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)，可以增大電機(jī)的輸入電流使轉(zhuǎn)矩提高到Tem1(C點(diǎn))達(dá)到了弱磁擴(kuò)速的目的。非弱磁控制非弱磁控制154.3弱磁控制弱磁控制的思想來(lái)自于他勵(lì)直流電動(dòng)1516謝謝大家！16謝謝大家！1617永磁同步電機(jī)以及直流無(wú)刷電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)1永磁同步電機(jī)以及直流無(wú)刷電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)1718二、永磁電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)介一、永磁電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系式四、電磁設(shè)計(jì)與控制的緊密結(jié)合主要內(nèi)容三、永磁同步電機(jī)與直流無(wú)刷電機(jī)的區(qū)別2二、永磁電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)介一、永磁電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)之間1819一、永磁電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系式其中為電樞直徑；為等效鐵心長(zhǎng)度；為電機(jī)的額定點(diǎn)轉(zhuǎn)速；為電機(jī)的計(jì)算功率；為電機(jī)計(jì)算極弧系數(shù)；為電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的波形系數(shù)；為電機(jī)的繞組系數(shù)；為電機(jī)的線負(fù)荷；為電機(jī)的氣隙磁密最大值；（2）相同的電磁負(fù)荷，相同轉(zhuǎn)速，電機(jī)體積越大可實(shí)現(xiàn)的功率也越大；（3）相同的電磁負(fù)荷下，出相同功率，轉(zhuǎn)速越高則電機(jī)的體積越小；（4）一定功率和轉(zhuǎn)速下，電磁負(fù)荷決定電機(jī)的主要尺寸；（1）電機(jī)的主要尺寸由其計(jì)算功率和轉(zhuǎn)速n之比決定；反映電機(jī)的電負(fù)荷反映電機(jī)的磁負(fù)荷3一、永磁電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系式其中為電樞直徑；為等效1920極弧系數(shù)的概念解釋磁鋼表貼式轉(zhuǎn)子磁鋼內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子4極弧系數(shù)的概念解釋磁鋼表貼式轉(zhuǎn)子磁鋼內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子2021電機(jī)主要尺寸比電機(jī)主要尺寸比定義如下：為電機(jī)的極距；在選定電機(jī)的電磁負(fù)荷后，可基本確定電機(jī)的

。

λ的大小與電機(jī)運(yùn)行性能、經(jīng)濟(jì)性、工藝性等均有密切關(guān)系，或有一定影響。一、尺寸比越大，電機(jī)越細(xì)長(zhǎng)；端部短，因而端部用銅相應(yīng)減少；經(jīng)濟(jì)性二、體積未變，鐵重基本不變，同一磁密下基本鐵耗也不變，再考慮電流密度一定時(shí)，端部用銅相對(duì)減少，總體損耗下降，效率提高；電磁性能三、電機(jī)細(xì)長(zhǎng)，則相對(duì)的鐵心與機(jī)座之間的接觸面積增大，對(duì)散熱有利。(對(duì)用氣體作為冷卻介質(zhì)時(shí)，風(fēng)路加長(zhǎng)，冷卻條件變差）；熱性能四、電機(jī)細(xì)長(zhǎng)，線圈數(shù)目常較粗短的電機(jī)為少，因而使線圈制造工時(shí)和絕緣材料消耗減少；但機(jī)座加工費(fèi)時(shí)，下線難度較大，下線工時(shí)增多；此外，沖片數(shù)目增大，沖片沖剪和鐵心疊壓費(fèi)時(shí)，沖模磨損加劇；工藝性來(lái)分析一下，在電機(jī)體積未變的情況下，主要尺寸比較大的影響：5電機(jī)主要尺寸比電機(jī)主要尺寸比定義如下：為電機(jī)的極距；21外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)22二、永磁電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)介就目前公司所生產(chǎn)的電機(jī)來(lái)說(shuō)，可分為大致兩種：

一、內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；二、外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；三、混合磁路結(jié)構(gòu)（天津電機(jī)）；徑向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)；軸向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)（盤式電機(jī)）；ISG電機(jī)（內(nèi)轉(zhuǎn)子）軸向磁場(chǎng)的混合勵(lì)磁電機(jī)磁鋼表貼式（SPM）磁鋼內(nèi)嵌式（IPM一字形）外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)6二、永磁電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)介就目前公司所生2223內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的多種磁路結(jié)構(gòu)形式切向式IPM混合式IPM徑向式IPMToyota-Prius的分段斜極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)連續(xù)斜極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)多層徑向式IPM結(jié)構(gòu)Honda-Accord的IPM轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)7內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的多種磁路結(jié)構(gòu)形式切向式IPM混合式IPM徑向式2324電機(jī)的交直(DQ)軸磁路徑向式IPM切向式IPM8電機(jī)的交直(DQ)軸磁路徑向式IPM切向式IPM2425自行車電機(jī)三、永磁同步電機(jī)與直流無(wú)刷電機(jī)的區(qū)別工業(yè)電機(jī)汽車電機(jī)9自行車電機(jī)三、永磁同步電機(jī)與直流無(wú)刷電機(jī)的區(qū)別工業(yè)電機(jī)汽車2526一、傳感器的不同：

直流無(wú)刷電機(jī)(BLDC)：位置傳感器，如霍爾等；

永磁同步電機(jī)(PMSM)：速度和位置傳感器，如旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器等；三、三相電流波形不同：

BLDC：近似方波或梯形波（理想狀態(tài)）；

PMSM：正弦波（理想狀態(tài)）；二、反電勢(shì)波形不同：

BLDC：近似梯形波（理想狀態(tài)）；

PMSM：正弦波（理想狀態(tài)）；四、控制系統(tǒng)的區(qū)別：

BLDC：通常包括位置控制器、速度控制器和電流（轉(zhuǎn)矩）控制器；PMSM：不同控制策略的會(huì)有不同的控制系統(tǒng)；五、設(shè)計(jì)的原理與方法上的區(qū)別：

BLDC：盡量拓寬反電勢(shì)波形的寬度（使之近似為梯行波）；PMSM：使反電勢(shì)接近與正弦波；

體現(xiàn)在設(shè)計(jì)上主要是定子繞組、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（如極弧系數(shù)）上的區(qū)別。10一、傳感器的不同：三、三相電流波形不同：二、反電勢(shì)波2627四、電磁設(shè)計(jì)與控制策略的緊密結(jié)合不同的控制策略，可能導(dǎo)致不同的電磁設(shè)計(jì)結(jié)果；而同一種電磁設(shè)計(jì)，采取不同的控制策略，則會(huì)有不同的效果。因此，對(duì)應(yīng)不同的設(shè)計(jì)指標(biāo)，電磁設(shè)計(jì)必須和控制策略匹配，才能總體上產(chǎn)生一個(gè)最佳的效果。矢量控制方法一、Id=0控制二、最大轉(zhuǎn)矩/電流控制三、弱磁控制四、最大輸出功率控制永磁電機(jī)的dq軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系11四、電磁設(shè)計(jì)與控制策略的緊密結(jié)合不同的控制策略，27284.1Id=0控制（磁場(chǎng)定向控制）控制是矢量控制中的一個(gè)特殊的控制方法，從電動(dòng)機(jī)端口看，相當(dāng)于一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，定子電流中只有交軸分量，且定子磁動(dòng)勢(shì)空間矢量與永磁體磁場(chǎng)空間矢量正交，即β

=90°，電機(jī)轉(zhuǎn)矩中只有永磁轉(zhuǎn)矩分量。例如：工縫機(jī)電機(jī)、以及所有表貼式永磁同步電機(jī)。磁場(chǎng)定向控制時(shí)的相量圖為什么表貼式永磁電機(jī)都適合用這種控制方式？表貼式永磁電機(jī)的交直軸電感相等，不可能有磁阻轉(zhuǎn)矩存在。適用于恒速運(yùn)行，以及調(diào)速范圍要求不高的場(chǎng)合。124.1Id=0控制（磁場(chǎng)定向控制）28294.2最大轉(zhuǎn)矩/電流控制SPM電機(jī)的定子電流矢量軌跡表貼式永磁電機(jī)：Ld=Lq可推出結(jié)論：Id=0最大轉(zhuǎn)矩/電流控制也稱單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制，是凸極式永磁同步電動(dòng)機(jī)用的較多的一種電流控制策略。對(duì)于隱極式永磁同步電機(jī)（大多數(shù)表貼式永磁電機(jī)）來(lái)說(shuō)，最大轉(zhuǎn)矩/電流控制就是id＝0控制。電流矢量應(yīng)滿足的兩條件SPM電機(jī)134.2最大轉(zhuǎn)矩/電流控制SP