電機培訓(xùn)資料

1、 賽盈公司 王慶 介紹介紹各種電機的介紹及對比永磁同步電機的原理永磁同步電機的運用及方案各種電機的介紹及對比各種電機的介紹及對比 目前在用或開發(fā)的電動車用電動機主要有直流電動機(DCM) 、感應(yīng)電動機( IM) 、永磁電動機( PM) 、開關(guān)磁阻電動機( SRM)四類。下面分別對幾種電氣驅(qū)動系統(tǒng)進行簡要分析和說明 , 其總體比較見表1。 直流電動機驅(qū)動系統(tǒng)直流電動機驅(qū)動系統(tǒng) 在電動汽車領(lǐng)域最早使用的就是直流電動機。直流電動機結(jié)構(gòu)簡單, 易于控制, 具有良好的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性, 但是由于采用機械換向結(jié)構(gòu), 維護困難, 并產(chǎn)生火花, 容易對無線電產(chǎn)生干擾, 這對高度智能化的未來電動汽車是致命的弱點

2、。另外,直流電動機驅(qū)動系統(tǒng)體積大、制造成本高、速度范圍有限、能量密度較低, 這些都限制和妨礙了直流電動機在電動汽車中的進一步應(yīng)用。各種電機的介紹及對比各種電機的介紹及對比 感應(yīng)電動機驅(qū)動系統(tǒng)感應(yīng)電動機驅(qū)動系統(tǒng) 感應(yīng)電動機現(xiàn)在普遍采用變頻驅(qū)動方式, 常見的變頻控制技術(shù)有三種: V /F控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制。20世紀(jì)90年代以前主要以脈沖寬度調(diào)制( PWM)方式實現(xiàn)V/F控制和轉(zhuǎn)差頻率控制, 但這兩種控制技術(shù)因轉(zhuǎn)速控制范圍小、轉(zhuǎn)矩特性不理想,而對于需頻繁起動、加減速的電動汽車不太適用。近幾年, 電動汽車感應(yīng)電動機主要采用矢量控制技術(shù)。各種電機的介紹及對比各種電機的介紹及對比 開關(guān)磁阻電動機

3、驅(qū)動系統(tǒng)開關(guān)磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng) 以開關(guān)磁阻電動機( SRM)為代表的磁阻電動機是一種很有發(fā)展前途的電動機驅(qū)動系統(tǒng)。SRM是一種沒有任何形式的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體和永久磁體的無刷電動機, 它的定子磁極和轉(zhuǎn)子磁極都是凸的。SRM具有轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單可靠、在較寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運行、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。但SRM在振動、噪聲、轉(zhuǎn)矩脈動、控制方式等方面還有許多問題需要解決,目前應(yīng)用還受到限制。各種電機的介紹及對比各種電機的介紹及對比 永磁電動機驅(qū)動系統(tǒng)永磁電動機驅(qū)動系統(tǒng) 永磁電動機既具有交流電動機的無電刷結(jié)構(gòu)、運行可靠等優(yōu)點, 又具有直流電動機的調(diào)速性能好的優(yōu)點, 且無需勵磁繞組, 可以做到體積小、控制效率高, 是當(dāng)

4、前電動車用電動機研發(fā)與應(yīng)用的熱點。 永磁電動機驅(qū)動系統(tǒng)可以分為無刷直流電動機無刷直流電動機(BLD2CM)(BLD2CM)系統(tǒng)和永磁系統(tǒng)和永磁同步電動機同步電動機(PMSM)(PMSM)系統(tǒng)系統(tǒng)。無刷直流電動機(BLDCM)系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)矩大、功率密度高、位置檢測和控制方法簡單的優(yōu)點, 但是由于換相電流很難達到理想狀態(tài), 因此會造成轉(zhuǎn)矩脈動、振動噪聲等問題。對于車速要求不太高的電動汽車驅(qū)動領(lǐng)域,BLDCM系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢, 得到了廣泛的重視和普遍應(yīng)用。 永磁同步電動機永磁同步電動機( PMSM)( PMSM)系統(tǒng)系統(tǒng)具有高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性以及低噪聲的特點, 通過合理設(shè)計永磁

5、磁路結(jié)構(gòu)能獲得較高的弱磁性能, 提高電動機的調(diào)速范圍, 因此在電動車驅(qū)動方面具有較高的應(yīng)用價值, 已經(jīng)受到國內(nèi)外電動汽車界的高度重視, 并在日本得到了普遍的應(yīng)用 , 是一種比較理想的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)。各種電機的介紹及對比各種電機的介紹及對比 永磁電動機驅(qū)動系統(tǒng)永磁電動機驅(qū)動系統(tǒng) 永磁電動機既具有交流電動機的無電刷結(jié)構(gòu)、運行可靠等優(yōu)點, 又具有直流電動機的調(diào)速性能好的優(yōu)點, 且無需勵磁繞組, 可以做到體積小、控制效率高, 是當(dāng)前電動車用電動機研發(fā)與應(yīng)用的熱點。 永磁電動機驅(qū)動系統(tǒng)可以分為無刷直流電動機無刷直流電動機(BLD2CM)(BLD2CM)系統(tǒng)和永磁系統(tǒng)和永磁同步電動機同步電動機(PMSM

6、)(PMSM)系統(tǒng)系統(tǒng)。無刷直流電動機(BLDCM)系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)矩大、功率密度高、位置檢測和控制方法簡單的優(yōu)點, 但是由于換相電流很難達到理想狀態(tài), 因此會造成轉(zhuǎn)矩脈動、振動噪聲等問題。對于車速要求不太高的電動汽車驅(qū)動領(lǐng)域,BLDCM系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢, 得到了廣泛的重視和普遍應(yīng)用。 永磁同步電動機永磁同步電動機( PMSM)( PMSM)系統(tǒng)系統(tǒng)具有高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性以及低噪聲的特點, 通過合理設(shè)計永磁磁路結(jié)構(gòu)能獲得較高的弱磁性能, 提高電動機的調(diào)速范圍, 因此在電動車驅(qū)動方面具有較高的應(yīng)用價值, 已經(jīng)受到國內(nèi)外電動汽車界的高度重視, 并在日本得到了普遍的應(yīng)用 , 是一種

7、比較理想的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)。各種電機的介紹及對比各種電機的介紹及對比 永磁同步電機的運用永磁同步電機的運用 日本電動車用永磁同步電機狀況日本電動車用永磁同步電機狀況 日本1965年就開始研制電動車, 于1967 年成立了日本電動車協(xié)會。由于永磁同步電機的性能優(yōu)良, 所以一經(jīng)問世就受到日本汽車公司的青睞。1996年, 豐田汽車公司的電動車RAV4RAV4就采用了東京電機公司的插入式永磁同步電機插入式永磁同步電機作為驅(qū)動電機,其下屬的日本富士電子研究所研制的永磁同步電機可以達到最大功率50 kW, 最高轉(zhuǎn)速1 300 r/min。1998年1月, 尼桑公司研發(fā)的新一代電動小客車在美國加利福尼亞州投

8、入使用。驅(qū)動電機采用了釹鐵硼材料, 電機體積很小。表2為該電動車驅(qū)動電機的技術(shù)指標(biāo)。永磁同步電機的運用永磁同步電機的運用 歐洲電動車用永磁同步電機狀況 在法國VEDEL IC電動車計劃中, PSA電動車動力傳動系統(tǒng)生產(chǎn)商Moteurs Leroy - Somer在1997年改進了驅(qū)動電機。選擇的新型驅(qū)動電機即為3相永磁同步電機。電機的性能指標(biāo)如表3所示：永磁同步電機的熱點及趨勢永磁同步電機的熱點及趨勢 作為車輛電驅(qū)動系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié), 驅(qū)動電機的 總體性能是設(shè)計研制技術(shù)的關(guān)鍵之一 。根據(jù)車輛運行的特殊環(huán)境以及電驅(qū)動車輛自身的特點, 對驅(qū)動電機的技術(shù)要求主要是: (1) 體積小、重量輕; 有較高的

9、功率和轉(zhuǎn)矩密度; (2)要求在寬速域范圍內(nèi), 電動機和驅(qū)動控制器都有較高的效率; (3)有良好的控制性能以及過載能力, 以提高車輛的起動和加速性能。：永磁同步電機的優(yōu)點永磁同步電機的優(yōu)點 提高電機轉(zhuǎn)矩特性提高電機轉(zhuǎn)矩特性 (1)提高輸出轉(zhuǎn)矩 日本電機工程研究實驗室與其它公司合作推出采用雙層永磁體的內(nèi)置式永磁同步電機, 提高了電機的交軸電導(dǎo), 使電機轉(zhuǎn)矩增加10%, 最大效率區(qū)增10% , 最大峰值效率可達97%以上, 主要運行區(qū)域效率可大于93%。 (2)降低轉(zhuǎn)矩脈動 在抑制轉(zhuǎn)矩脈動方面, 通常通過對電機結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計來實現(xiàn)。例如: 采用不均勻氣隙, 在轉(zhuǎn)子上分布圓形孔洞, 優(yōu)化定子齒形,

10、優(yōu)化磁極形狀等等。圖2為一種新型永磁體形狀設(shè)計。磁橋?qū)挾缺３植蛔? 隨著角度變小, 轉(zhuǎn)矩脈動和齒槽轉(zhuǎn)矩減小。永磁同步電機的優(yōu)點永磁同步電機的優(yōu)點 提高電機轉(zhuǎn)矩特性提高電機轉(zhuǎn)矩特性 (1)提高輸出轉(zhuǎn)矩 材料利用率提高12 同等耗材用量，扭矩提高1012 (2)降低轉(zhuǎn)矩脈動 主要反應(yīng)在啟動無振動、無嘈音兩方面永磁同步電機的優(yōu)點永磁同步電機的優(yōu)點 提高弱磁擴速能力 弱磁控制：可以實現(xiàn)永磁同步電動機在低速時能輸出恒定轉(zhuǎn)矩, 高速時能輸出恒定功率, 有較寬的調(diào)速范圍。 弱磁控制的目的： 同一臺電機在改變控制方式時實現(xiàn)不同的運行速度特征，例如現(xiàn)在的380r和450r的電機我們就可以統(tǒng)一成一種電機； 同樣的

11、電機可以實現(xiàn)更寬的調(diào)速范圍，解決速度和扭矩不能同時提升的矛盾。 永磁同步電機的原理永磁同步電機的原理 永磁同步電機其本身是一個自控式同步電機，它有定子和轉(zhuǎn)子組成，有的帶位置傳感器，有的應(yīng)用場合因安裝的不便利及成本上的要求無法安裝位置傳感器。有的定子是線圈，轉(zhuǎn)子是永磁體，有的轉(zhuǎn)子是線圈，定子是永磁體。但無論哪種方式，電機本身是不能夠自己執(zhí)行旋轉(zhuǎn)控制的，它必須依賴電子換相裝置，這也是為什么這種電機需要變頻控制的原因。也可以這樣說，該種電機系統(tǒng)有電動機，逆變器組成（有的還帶位置傳感器）。下圖給出了一個基本系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖。永磁同步電機的原理永磁同步電機的原理 永磁同步電動機的基本組成永磁同步電動機的基

12、本組成 電機本體同感應(yīng)電機和直流電機相似，永磁同步電動機也是由轉(zhuǎn)子及定子兩大部件所構(gòu)成，三相交流繞組在定子上；永磁體在轉(zhuǎn)子上。定子 定子通常也稱作電樞，它由定子三相繞組、定子鐵芯、機座和端蓋等零部件所構(gòu)成。定子鐵芯是由沖壓后的硅鋼片緊密疊裝而成。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子有兩種型式的結(jié)構(gòu)，依據(jù)定轉(zhuǎn)子之間的氣隙分布有隱極式和凸極式之分。凸極式可看出轉(zhuǎn)子有明顯的凸出磁極，且氣隙不均勻分布。隱極式轉(zhuǎn)子成圓柱形，均勻分布?xì)庀?。對這兩種轉(zhuǎn)子需要采用不同的驅(qū)動方式。永磁同步電機的結(jié)構(gòu)示意圖永磁同步電機的結(jié)構(gòu)示意圖永磁同步電機的運行原理永磁同步電機的運行原理 為方便理解我們先從為方便理解我們先從BLDCBLDC電機電機120

13、120度直流度直流方波控制來講解方波控制來講解電機的基本工作原理，而電機的基本工作原理，而180180度控制原理則是在度控制原理則是在120120度方波控度方波控制的基礎(chǔ)上加入制的基礎(chǔ)上加入正弦變化控制正弦變化控制。換言之，針對電機最優(yōu)的控。換言之，針對電機最優(yōu)的控制，要看電機的反電動勢是方波還是正弦波。方波或梯形波制，要看電機的反電動勢是方波還是正弦波。方波或梯形波的按直流控制，正弦波的按正弦變化控制。的按直流控制，正弦波的按正弦變化控制。 無刷直流無刷直流（BLDCBLDC）電機的基本旋轉(zhuǎn)需依靠轉(zhuǎn)子位置傳感電機的基本旋轉(zhuǎn)需依靠轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的位置信息，然后經(jīng)過電子換相電路來驅(qū)動控制同電

14、器檢測的位置信息，然后經(jīng)過電子換相電路來驅(qū)動控制同電樞繞組相連接的各個功率開關(guān)器件的關(guān)斷或?qū)?，從而起到樞繞組相連接的各個功率開關(guān)器件的關(guān)斷或?qū)ǎ瑥亩鸬娇刂评@組的通電狀態(tài)，并在定子上產(chǎn)生一個連續(xù)的旋轉(zhuǎn)磁場，控制繞組的通電狀態(tài)，并在定子上產(chǎn)生一個連續(xù)的旋轉(zhuǎn)磁場，以拖動轉(zhuǎn)子跟著旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的不斷旋轉(zhuǎn)，傳感器信號被以拖動轉(zhuǎn)子跟著旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的不斷旋轉(zhuǎn)，傳感器信號被不斷的反饋給芯片，主芯片據(jù)此來改變電樞繞組的通電狀態(tài)，不斷的反饋給芯片，主芯片據(jù)此來改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在每磁極下的繞組中的電流方向相同。因此可以產(chǎn)生恒使得在每磁極下的繞組中的電流方向相同。因此可以產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，并使定轉(zhuǎn)矩，

15、并使BLDCBLDC電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)運行起來。電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)運行起來。永磁同步電機的運行原理永磁同步電機的運行原理 所謂的120度變頻控制，其實是采取兩兩導(dǎo)通方式的控制策略。所謂兩兩導(dǎo)通方式指每一時刻僅有兩個功率管導(dǎo)通，每1/6周期，開關(guān)管換相一次，而每次換相也即PWM調(diào)制一個功率管。，按此調(diào)制通斷即可產(chǎn)生連續(xù)的旋轉(zhuǎn)電樞磁勢，從而使電機運轉(zhuǎn)。注意這里對120度變頻來講，每一步的PWM的占空比是固定不變的，從而產(chǎn)生直流方波。這種控制方式的特點，簡單方便，容易掌握。而而180180度變頻度變頻則不僅每則不僅每1/61/6周期的周期的PWMPWM占空比不同，而且每一個占空比不同，而且每一個PWMPWM脈沖

16、的占空比都在調(diào)整中，并在每個電周期內(nèi)脈沖的占空比都在調(diào)整中，并在每個電周期內(nèi)使電壓按照正弦規(guī)律變化，對矢量變頻來講使能電使電壓按照正弦規(guī)律變化，對矢量變頻來講使能電流或磁通按照正弦規(guī)律周期變化控制。流或磁通按照正弦規(guī)律周期變化控制。驅(qū)動波形示意圖驅(qū)動波形示意圖永磁同步電機的運行原理永磁同步電機的運行原理 電樞反應(yīng)電樞反應(yīng)空載時，同步電機氣隙中僅有轉(zhuǎn)子磁勢存在。而帶負(fù)載后，除轉(zhuǎn)子磁勢之外，還有定子三相電流產(chǎn)生的電樞磁動勢。電樞磁動勢的存在，會使氣隙中磁場的位置和大小發(fā)生畸變，這種電樞磁勢影響主磁極磁場的現(xiàn)象我們稱之為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)除了能使氣隙磁場產(chǎn)生畸變之外，還會關(guān)系到機電能量轉(zhuǎn)換，還有增磁

17、或去磁作用，這對電機的運行性能會產(chǎn)生很大的影響。該反應(yīng)的性質(zhì)取決于，主磁場與電樞磁勢在空間上的相對位置，分析表明該位置與負(fù)載電流Ia和激磁電動勢E0之間的相位差有關(guān)，下面將根據(jù)它們之間的相位關(guān)系分別進行分析。 同相位時的電樞反應(yīng)與矢量相加后為氣隙合成磁動勢，另外，習(xí)慣上用d（直軸）來表示轉(zhuǎn)子磁極軸線，用q（交軸）來表示N，S極之間的中線。這樣因為交軸磁勢的存在，會使合成磁勢軸線的位置發(fā)生位移，并且幅值也發(fā)生一定的變化。永磁同步電機的運行原理永磁同步電機的運行原理 顯然從圖中可看出電樞磁勢的方向與氣顯然從圖中可看出電樞磁勢的方向與氣隙磁勢的方向相反，電樞反應(yīng)是去磁效果的。隙磁勢的方向相反，電樞反應(yīng)是去磁效果的。圖圖3.6 =903.6 =90時的電樞反應(yīng)時的電樞反應(yīng)永磁同步電機的運行原理永磁同步電機的運行原理永磁同步電機的運行原理永磁同步電機的運行原理永磁同步電機的運行原理永磁同步電機的運行原理永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型關(guān)于三相永磁同步電機的基本方程、等效電路、及分析可關(guān)于三相永磁同步電機的基本方程、等效電路、及