第六章永磁电机驱动系统

定子电流： s s j s
定子磁链： is is jis
电磁转矩：
Te
3 2
np
sis
sis
1、永磁同步电机的数学模型
永磁同步电动机在转子旋转坐标系d-q中的数学模 型可以表达如下：
定子电压： 定子磁链： 电磁转矩：
ud
Rsid
d d
dt
r q
uq
Rsiq
d q
dt
r d
d Ld id f
永磁同步电机缺点
（1）价格较高：磁钢价格较高。 （2）弱磁能力低：由于永磁同步电动机转子为永 磁体，无法调节，必须通过加定子直轴去磁电流分量 来削弱磁场，这会增大定子的电流，增加电动机的铜 耗； （3）起动困难，高速制动时电势高，给逆变器带 来一定的风险。
二、永磁同步电机的结构
交流永磁电驱动系统由交流永磁电动机和控制器组成。
a）内置径向式 b）内置切向式 c）内置混合式 内置式转子结构
调速永磁同步电动机结构示意图
l－转轴 2－轴承 3－端盖 4－定子绕组 5－机座 6－定子铁心 7，8－永磁体 9－转子铁心 10—风扇 11—风罩 12－位置、速度传感器 13，14－电缆 15－专用变频驱动器
永磁同步电机结构
自行车电机
行线性变换，实现电机数学模型的解耦 。
q
B
us
isq
s
us ：定子电压 is ：定子电流
is isd
C
d
s ：定子磁链矢量
r
f
0
A
A、B、C ：定子三相静止坐标系
f r
：转子磁链矢量 ：转子角位置
、 ：定子两相静止坐标系 ：电机转矩角
d、q ：转子两相坐标系
1、永磁同步电机的数学模型
假设： 1)忽略电动机铁心的饱和；
第六章 永磁电机驱动系统的组成和工作原理
一、永磁无刷电机的分类 二、永磁同步电机的结构 三、永磁同步电机的工作原理 四、永磁同步电机的数学模型及控制系统
一、永磁同步电机的分类
永磁电动机既具有交流电动机的无电刷结构、运行可靠等优点, 又具有直流电动机的调速性能好的优点, 且无需励磁绕组, 可以做到 体积小、控制效率高, 是当前电动车用电动机研发与应用的热点。
id
d
直流电流id、iq，产生同样
的以同步转速1 旋转的合
成磁动势 Fs
s
O i
id sin
iq sin
d、q 轴和矢量 FS (is )都以
转速 1 旋转，分量 id、iq
的长短不变。 轴与 d 轴
的夹角 随时间变化
（1）PMSM电机的FOC控制策略
由图可见，i、i 和 id、iq 之间存在下列关系
q Lqiq
Te
3 2
pn
f iq
(Ld
Lq )idiq
2、永磁同步电机的控制系统 永磁同步电机控制方式
（1）开环控制：u/f恒定 （2）闭环控制：
矢量控制 （70年代） 直接转矩控制（80年代） 智能控制
（1）PMSM电机的FOC控制策略
永磁同步电动机矢量控制策略与异步电动 机矢量控制策略有些不同。
60
O N2i
60
C
N3iC
N 3 ：三相绕组每相绕组匝数 N 2 ：两相绕组每相绕组匝数
A 各相磁动势为有效匝数与电流 的乘积，其相关空间矢量均位 于有关相的坐标轴上。
（1）PMSM电机的FOC控制策略
设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与相 总磁动势与二相总磁动势相等时，两套绕组瞬时磁 动势在 轴上的投影都应相等，因此
工业电机
18
汽车电机
三、永磁同步电机的工作原理
由于电机定子三相绕组中接入三相对称交流电产生
旋转磁场，用旋转磁极N、S来模拟。
根据磁极异性相吸、同性相斥的原理，不论定子旋
转磁极与永磁磁极起始相对位置如何定子的旋转磁
极总会由于磁拉力拖着转子同步旋转，同步电机转
速可表示为:
N n0
n = n0 =
60 f1 p
FOC中需要测量的量为：定子电流、 转子位置角
（1）PMSM电机的FOC控制策略
2、FOC特点 以转子磁场定向 系统动态性能好，控制精度高 控制简单、具有直流电机的调速性能 运行平稳、转矩脉动很小
（1）PMSM电机的FOC控制策略
3、坐标变换
（1）Clarke（3s/2s）变换
B
N3iB N 2 i
转子采用永磁体，目前主要以钕铁硼作 为永磁材料。 采用永磁体简化了电机的 结构，提高了可靠性，又没有转子铜耗， 提高电机的效率。
⊙X
二、永磁同步电机的结构
• 实物结构图
转子磁铁
定子绕组 霍尔传感器
二、永磁同步电机的结构
贴面转子结构
（1）表面凸出式结构
• 表面凸出式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设 计，使之成为能使电动机气隙磁密波形趋近于正弦波 的磁极形状。可显著提高电动机乃至整个传动系统的 性能；具有结构简单、制造成本较低、转动惯量小、 动态响应快、转矩脉动低等优点。
如果三相绕组是Y形联结不带零线，则有
iA iB iC 0
于是
3
i i
2 1
2
0 2
iA iB
2
iA
iB
3 1 6
0
1 2
i i
（1）PMSM电机的FOC控制策略
（2）Park（2s/2r）变换
q
(Fs )is
1
两个交流电流 i、i和两个
i iq
iq cos
图5-57 交流永磁电驱动系统 a)交流永磁电驱动系统 b)永磁电机控制器内部结构
二、永磁同步电机的结构
正弦波永磁同步电动机驱动系统的基本组成框图
二、永磁同步电机的结构
• 模拟结构图
A⊕
Z⊙
B⊕
b g
r
r g
b
⊙Y
⊕C
定子绕组一般制成三相绕组。三相绕组 沿定子铁心对称分布，在空间互差120度 电角度，通入三相交流电时，产生旋转 磁场。
N2i N3iA N3iB cos 60 N3iC cos 60
N3
(iA
1 2
iB
1 2
iC
)
N2i N3iB sin 60 N3iC sin 60
3 2
N3 (iB
iC
)
i i
N3 N2
1 0
1 2 3 2
1 2
3 2
iA iB iC
（1）PMSM电机的FOC控制策略
• 但由于弱磁调速范围小，功率密度低，所以与其他转 子结构相比在电动车驱动力一面没有优势。
• 1997年本田汽车公司PLUS电动车的驱动电机采用了这 种结构的永磁同步电机。日前可在矩形波永磁同步电 动机的恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电机中 应用。比较适合用作汽车的电子伺服驱动：如汽车电 子动力力一向盘的伺服电机。
无刷直流电动机(BLDCM)系统具有转矩大、功率密度高、 位置检测和控制方法简单的优点, 但是由于换相电流很难达 到理想状态, 因此会造成转矩脉动、振动噪声等问题。对于 车速要求不太高的电动汽车驱动领域,BLDCM系统具有一定的 优势, 得到了广泛的重视和普遍应用。
永磁同步电动机( PMSM)系统具有高控制精度、高转矩 密度、良好的转矩平稳性以及低噪声的特点, 通过合理设计 永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能, 提高电动机的调速范 围, 因此在电动车驱动方面具有较高的应用价值, 已经受到 国内外电动汽车界的高度重视, 并在日本得到了普遍的应用 , 是一种比较理想的电动汽车驱动系统。
2)不计电动机中的涡流和磁滞损耗；
3)转子无阻尼绕组。
永磁同步电动机在三相定子参考坐标系中的数学
模型可以表达如下：
定子电压：
us
Rsis
d s
dt
定子磁链： s Lsis f e jr
电磁转矩：
Te
3 2
np
s
is
1、永磁同步电机的数学模型
永磁同步电动机在 坐标系中的数学模型可
以表达如下：
考虑变换前后总功率不变，可得匝数比应为 N3 2
N2 3
可得
i i
2
1
3 0
1 2 3 2
1 2
3 2
iA iB iC
坐标系变换矩阵： C3/2
2
1
3 0
1 2 3 2
1 2
3 2
C2/3
1
2 3
1 2
1 2
0
3
2
3 2
（1）PMSM电机的FOC控制策略
由于永磁同步电动机转速和电源频率严格 同步，其转子转速等于旋转磁场转速，转 差恒等于零，没有转差功率，控制效果受 转子参数影响小。
因此，在永磁同步电动机上更容易实现矢 量控制。
（1）PMSM电机的FOC控制策略
1、工作原理 定子电流经过坐标变换后转化为两相 旋转坐标系上的电流 ids 和 iqs ，从而 调节转矩 Te和实现弱磁控制。
6、起动力矩大、噪音小、温升低 ： a、永磁同步电机在低频的时候仍能保持良好的工作状态，
低频时的输出力矩较异步电机大，运行时的噪音小； b、转子无电阻损耗，定子绕组几乎不存在无功电流，因
而电机温升低，同体积、同重量的永磁电机功率可提高 30%左右；同功率容量的永磁电机体积、重量、所用材 料可减少30%。
4、可靠性高： 由于永磁同步变频调速电机参数不受电机极数的限
制，便于实现电机直接驱动负载，省去噪音大，故障率 高的减速箱，增加了机械传动系统设计的可靠性和灵活 性。
永磁同步电机相比交流异步电机优势
5、体积小，功率密度大： 电机效率的增高，相应地损耗降低，电机温升减小，
则在采用相同绝缘等级的情况下，电机的体积可以设计 的更小；电机结构的灵活性，可以省去电机内许多无效 部分，如绕组端部，转子端环等，相应体积可以更小。
永磁同步电机相比交流异步电机优势
2、功率因数高： 由于永磁同步电机在设计时，其功率因数可以调节，甚至
可以设计成功率因数等于1，且与电机极数无关。 电机的功率因数高有以下几个好处：
a、功率因数高，电机电流小，电机定子铜耗降低，更 节能；
b、功率因数高，电机配套的电源，如逆变器，变压器 等，容量可以更低，同时其他辅助配套设施如开关， 电缆等规格可以更小，相应系统成本更低。
c、由于永磁同步电机功率因数高低不受电机极数的限 制，在电机配套系统允许的情况下，可以将电机的 极数设计的更高，相应电机的体积可以做得更小， 电机的直接材料成本更低。
永磁同步电机相比交流异步电机优势
3、电机结构简单灵活：
由于异步电机转子上需要安装导条、端环或转子绕 组，大大限制了异步电机结构的灵活性，而永磁同步电 机转子结构设计更为灵活。
永磁无刷电动机可以分为： 由方波驱动的无刷直流电动机系统((BLDCM) 由正弦波驱动的无刷直流电动机系统(PMSM)
PMSM和BDCM每相励磁磁场强度波形 a)PMSM b)BLDCM
一、永磁同步电机的分类
永磁电动机驱动系统可以分为无刷直流电动机(BLDCM) 系统和永磁同步电动机(PMSM)系统。
i id cos iq sin i id sin Baidu Nhomakorabeaiq cos
写成矩阵的形式，得
i i
cos sin
sin cos
id iq
（3)内置式转子结构
• 内置式永磁同步电机也称为混合式永磁磁阻电机。该电机在永磁转矩 的基础上迭加了磁阻转矩。磁阻转矩的存在有助于提高电机的过载能 力和功率密度，而且易于弱磁调速.扩大恒功率范围运行。
• 内置式结构的永磁体位于转子内部。按永磁体磁化方向与转子旋转 方向的相互关系，内置式磁路结构又可分为径向式、切向式和混合式 二种。日前国内外电动车驱动以采用径向式结构的居多。
n0
同步
S
θ
电动机状态
三、永磁同步电机的工作原理
• 三相同步电机的可逆运行
N n0 n0
S
θ
电动机状态
N n0 S n0
N S 理想空载状态
N n0 n0
S
θ
发电机运行
四、永磁同步电机的数学模型及控制系统
1、PMSM的数学模型
为了简化和求解数学模型方程，运用坐标变换理论,通 过对同步电动机定子三相静止坐标轴系的基本方程进
永磁同步电机相比交流异步电机优势
1、效率高、更加省电： a、由于永磁同步电机的磁场是由永磁体产生的，从而避
免通过励磁电流来产生磁场而导致的励磁损耗（铜耗）； b、永磁同步电机的外特性效率曲线相比异步电机，其在
轻载时效率值要高很多。 c、由于永磁同步电机功率因数高，这样相比异步电机其
电机电流更小，相应地电机的定子铜耗更小，效率也更 高。 d、系统效率高：永磁电机参数，特别是功率因数，不受 电机极数的影响，因此便于设计成多极电机（如可以 100极以上），这样对于传统需要通过减速箱来驱动负 载电机，可以做成直接用永磁同步电机驱动的直驱系统， 从而省去了减速箱，提高了传动效率。
（2）表面插入式结构
• 可充分利用转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩， 提高电动机的功率密度，动态性能较凸出式有所改善。 制造工艺也较简单。但漏磁系数和制造成本都大。
• 这种结构型式的永磁同步电动机为丰田汽车公司的蓄 电池电动车RAV4所采用。本田汽车公司PLUS电动车 的第一代驱劝电机也采用了这种结构。