永磁同步电机以及直流无刷电机的电磁设计

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四、电磁设计与控制策略的紧密结合
不同的控制策略，可能导致不同的电磁设计结果；而同一种电磁设计，采取不同 的控制策略，则会有不同的效果。
因此，对应不同的设计指标，电磁设计必须和控制策略匹配，才能总体上产生一 个最佳的效果。
矢 方量 法控
制
一、Id=0控制 二、最大转矩/电流控制 三、弱磁控制
矢量正交，即β =90 °，电机转矩中只有永磁转矩分量。
例如：工缝机电机、以及所有表贴式永磁同步电机。
Tem
3 2
p[ m Is
sin
1 2
(Ld
Lq
)
I
2 s
sin 2 ]
90o
Tem
3 2
p m Is
为什么表贴式永磁电机都适合用这种控制方式？
表贴式永磁电机的交直轴电感相等， 不可能有磁阻转矩存在。
电机主要尺寸比定义如下： 电磁
lef
性能
为电机的极距；
λ的大小与电机运行性能、 热性 经济性、工艺性等均有密切关 能 系，或有一定影响。
来分析一下，在电机体积未 变的情况下，主要尺寸比较大 的影响：
工艺 性
一、尺寸比越大，电机越细长；端部短，因 而端部用铜相应减少；
二、体积未变，铁重基本不变，同一磁密下 基本铁耗也不变，再考虑电流密度一定时， 端部用铜相对减少，总体损耗下降，效率提 高；
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二、永磁电机的磁路结构形式简介
就目前公司所生产的电机来说，可分为大致两种：
径向磁场结构；
一、内转子结构； 二、外转子结构； 三、混合磁路结构（天津电机）；
轴向磁场结构（盘式电机）；
ISG电机（内转子）
磁钢表贴式（SPM） 外转子轮毂电机
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磁钢内嵌式（IPM一字形） 轴向磁场的混合励磁电机
适用于恒速运行，以及调速范围要求不高的场合。
磁场定向控制时的相量图
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4.2 最大转矩/电流控制
最大转矩/电流控制也称单位电流输出最大转矩的控制，是凸极式永磁同步电动机 用的较多的一种电流控制策略。对于隐极式永磁同步电机（大多数表贴式永磁电机 ）来说，最大转矩/电流控制就是id＝0控制。
电流矢量应满 足的两条件
Tem /
id
is
0
Tem /
iq
is
0
Tem
Is
3 p[ miq (Ld Lq )idiq ] 2 id2 iq2
IPM
电
id m
2 m
4
1 2 L2d L2q
Bδ 为电机的气隙磁密最大值；
反映电机 的磁负荷
反映电机 的电负荷
（3）相同的电磁负荷下 ，出相同功率，转速越高 则电机的体积越小；
（4）一定功率和转速下 ，电磁负荷决定电机的主 要尺寸；
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3
极弧系数的概念解释
磁
磁
钢
钢
表
内
贴
嵌
式
式
转
转
子
子
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4
电机主要尺寸比
经济
在选定电机的电磁负荷后，可 性 基本确定电机的 D。2lef
永磁同步电机以及直流 无刷电机的电磁设计
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主要内容
一、永磁电机主要设计参数之间的关系式 二、永磁电机的磁路结构形式简介 三、永磁同步电机与直流无刷电机的区别 四、电磁设计与控制的紧密结合
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一、永磁电机主要设计参数之间的关系式
D2lef n
6.1
P'
a'p Knm Kdp AB
（1）电机的主要尺寸由 其计算功率和转速n之比 决定；
其中 D 为电枢直径；
lef 为等效铁心长度；
（2）相同的电磁负荷， 相同转速，电机体积越大
n 为电机的额定点转速； P ' 为电机的计算功率； 可实现的功率也越大；
' p
为电机计算极弧系数；
Knm 为电机气隙磁场的波形系数； Kdp为电机的绕组系数； A 为电机的线负荷；
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内转子电机的多种磁路结构形式
径向式IPM 切向式IPM 混合式IPM
Honda-Accord的IPM转子结构
多层径向式IPM结构
连续斜极转子结构
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Toyota-Prius的分段斜极转子结构
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电机的交直(DQ)轴磁路
径向式IPM
切向式IPM
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三、永磁同步电机与直流无刷电机的区别
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电流矢量应满 足的两条件
Tem /
id
is
0
Tem /
iq
is
0
Tem
Is
3 p[ miq (Ld Lq )idiq ] 2 id2 iq2
SPM
电
表贴式永磁电机： Ld=Lq
机 可推出结论：Id=0
SPM电机的定子电流矢量轨迹
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4.2 最大转矩/电流控制
最大转矩/电流控制也称单位电流输出最大转矩的控制，是凸极式永磁同步电动机 用的较多的一种电流控制策略。对于隐极式永磁同步电机（大多数表贴式永磁电机 ）来说，最大转矩/电流控制就是id＝0控制。
自行车电机
工业电机
汽车电机
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一、传感器的不同： 直流无刷电机(BLDC)：位置传感器，如霍尔等； 永磁同步电机(PMSM)：速度和位置传感器，如旋转变压器、光电编码器等；
二、反电势波形不同： BLDC ：近似梯形波（理想状态）； PMSM ：正弦波（理想状态）；
三、三相电流波形不同： BLDC ：近似方波或梯形波（理想状态）； PMSM ：正弦波（理想状态）；
四、控制系统的区别： BLDC：通常包括位置控制器、速度控制器和电流（转矩）控制器； PMSM：不同控制策略的会有不同的控制系统；
五、设计的原理与方法上的区别： BLDC：尽量拓宽反电势波形的宽度（使之近似为梯行波）； PMSM：使反电势接近与正弦波； 体现在设计上主要是定子绕组、转子结构（如极弧系数）上的区别。
三、电机细长，则相对的铁心与机座之间的 接触面积增大，对散热有利。(对用气体作为 冷却介质时，风路加长，冷却条件变差）；
四、电机细长，线圈数目常较粗短的电机为 少，因而使线圈制造工时和绝缘材料消耗减 少；但机座加工费时，下线难度较大，下线 工时增多；此外，冲片数目增大，冲片冲剪 和铁心叠压费时，冲模磨损加剧；
q
iq
Ψs ψ
is
β N
ω d
id
Ψm
四、最大输出功率控制
Tem
3 2
p[ miq
(Ld
Lq )idiq ]
3 2
p[
mIs
sin
1 2
(Ld
Lq
)
I
2 s
sin
2 ]
S 永磁电机的dq轴旋转坐标系
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4.1 Id=0控制（磁场定向控制）
Id控制0 是矢量控制中的一个特殊的控制方法，从电动机端口看，相当于一台他励 直流电动机，定子电流中只有交轴分量，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间