永磁同步电机以及直流无刷电机的电磁设计
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10
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， 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。 一个最佳的效果。 一 矢 量 控 制 方 磁控制 法 最
9
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。
∂ (Tem / is ) =0 ∂id ∂ (Tem / is ) = 0 ∂iq
电流矢量应满 足的两条件
Tem I s =
3 p[ψ miq + ( Ld − Lq )id iq ]
2 2 2 id + iq
SPM 电 机
表贴式永磁电机： Ld=Lq 可推出结论：Id=0
永磁同步电机以及直流 无刷电机的电磁设计
1
主要内容
一、永磁电机主要设计参数之间的关系式
Βιβλιοθήκη Baidu
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
2
一、永磁电机主要设计参数之间的关系式
D lef n 6.1 = ' P' a p K nm K dp ABδ
其中 D 为电枢直径；
lef 为等效铁心长度；
α'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；
反映电机 的电负荷
Bδ 为电机的气隙磁密最大值；
反映电机 的磁负荷
3
极弧系数的概念解释
磁 磁 钢 钢 表 内 贴 嵌 式 式 转 转 子 子
4
电机主要尺寸比
经济 一、尺寸比越大，电机越细长；端部短，因 在选定电机的电磁负荷后， 性 而端部用铜相应减少； 2 可基本确定电机的 D lef 。 二、体积未变，铁重基本不变，同一磁密下 电机主要尺寸比定义如下： 电磁 基本铁耗也不变，再考虑电流密度一定时， 性能 端部用铜相对减少，总体损耗下降，效率提 l λ = ef 高； τ τ 为电机的极距； 三、电机细长，则相对的铁心与机座之间的 λ的大小与电机运行性能、 热性 接触面积增大，对散热有利。(对用气体作为 经济性、工艺性等均有密切关 能 冷却介质时，风路加长，冷却条件变差）； 系，或有一定影响。 四、电机细长，线圈数目常较粗短的电机为 工艺 少，因而使线圈制造工时和绝缘材料消耗减 来分析一下，在电机体积 性 未变的情况下，主要尺寸比较 少；但机座加工费时，下线难度较大，下线 大的影响： 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；
u =ω
(ρL i )
d q
2
+ ( Ld id +ψ m ) 2
不难发现，在同一电流极限圆上的A点和 C点，转矩也一致，但转速却是C点更高。 还有，如果按照最大转矩/电流控制，在 转速为ω时只能做到Tem2大小的功率（B点） ，但是通过做弱磁控制，增大电机的直轴去 磁电流，削弱了永磁体产生的气隙磁场，可 以增大电机的输入电流使转矩提高到Tem1(C 点)达到了弱磁扩速的目的。
非弱磁控制
非弱磁控制
15
谢谢大家！
16
Tem =
Id=0控制 最 电 控制
控制
3 p[ψ miq + ( Ld − Lq )id iq ] 2 3 1 = p[ψ m I s sin β + ( Ld − Lq ) I s2 sin 2 β ] 2 2
的dq 磁电 的
标
11
4.1 Id=0控制（磁场定向控制）
I d = 0 控制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 空间矢量正交，即β =90 °，电机转矩中只有永磁转矩分量。
6
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
连续斜极转子结构 多层径向式IPM结构
7
Toyota-Prius的分段斜极转子结构
电机的交直(DQ)轴磁路
径向式IPM
切向式IPM
8
三、永磁同步电机与直流无刷电机的区别
自行车电机
工业电机
汽车电机
电机的定子电流矢量轨迹 SPM电机的定子电流矢量轨迹
13
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。
∂ (Tem / is ) =0 ∂id ∂ (Tem / is ) = 0 ∂iq
14
4.3 弱磁控制
弱磁控制的思想来自于他励直流电动机的调磁控制（通过降低他励直流电动机 的励磁电流大小，可拓宽其转速范围）。 而对于永磁同步电机来说，励磁磁场是永磁体产生，无法进行调节， 而对于永磁同步电机来说，励磁磁场是永磁体产生，无法进行调节，只有通过 调节定子电流，即增加定子直轴去磁电流分量来维持高速运行时电压的平衡，达到 调节定子电流，即增加定子直轴去磁电流分量来维持高速运行时电压的平衡， 弱磁扩速的目的。 弱磁扩速的目的。
2
（1）电机的主要尺寸由 其计算功率和转速n之比 决定； 决定；
（2）相同的电磁负荷， 相同的电磁负荷， 相同转速， 相同转速，电机体积越大 可实现的功率也越大； 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； （3）相同的电磁负荷下 出相同功率， ，出相同功率，转速越高 则电机的体积越小； 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； 要尺寸；
表贴式永磁电机的交直轴电感相等， 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。 不可能有磁阻转矩存在。
磁场定向控制时的相量图
适用于恒速运行，以及调速范围要求不高的场合。 适用于恒速运行，以及调速范围要求不高的场合。
12
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 I s =
3 p[ψ miq + ( Ld − Lq )id iq ]
2 2 2 id + iq
IPM 电 机
id =
2 ψ m − ψ m + 4 ( ρ − 1) L2 L2 d q 2
2 ( ρ − 1) Ld
其中ρ为电机的凸极率， ρ=Lq/Ld
电机的定子电流矢量轨迹 IPM电机的定子电流矢量轨迹
例如：工缝机电机、以及所有表贴式永磁同步电机。 例如：工缝机电机、以及所有表贴式永磁同步电机。
Tem = 3 1 p[ψ m I s sin β + ( Ld − Lq ) I s2 sin 2β ] 2 2
β = 90o
3 pψ m I s 2 为什么表贴式永磁电机都适合用这种控制方式？ 为什么表贴式永磁电机都适合用这种控制方式？ Tem =
5
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： 一、内转子结构； 二、外转子结构； 三、混合磁路结构（天津电机）；
径向磁场结构；
轴向磁场结构（盘式电机）；
电机（内转子） ISG电机（内转子）
磁钢表贴式（ 磁钢表贴式（SPM） 外转子轮毂电机
磁钢内嵌式（ 一字形） 磁钢内嵌式（IPM一字形） 轴向磁场的混合励磁电机
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， 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。 一个最佳的效果。 一 矢 量 控 制 方 磁控制 法 最
9
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。
∂ (Tem / is ) =0 ∂id ∂ (Tem / is ) = 0 ∂iq
电流矢量应满 足的两条件
Tem I s =
3 p[ψ miq + ( Ld − Lq )id iq ]
2 2 2 id + iq
SPM 电 机
表贴式永磁电机： Ld=Lq 可推出结论：Id=0
永磁同步电机以及直流 无刷电机的电磁设计
1
主要内容
一、永磁电机主要设计参数之间的关系式
Βιβλιοθήκη Baidu
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
2
一、永磁电机主要设计参数之间的关系式
D lef n 6.1 = ' P' a p K nm K dp ABδ
其中 D 为电枢直径；
lef 为等效铁心长度；
α'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；
反映电机 的电负荷
Bδ 为电机的气隙磁密最大值；
反映电机 的磁负荷
3
极弧系数的概念解释
磁 磁 钢 钢 表 内 贴 嵌 式 式 转 转 子 子
4
电机主要尺寸比
经济 一、尺寸比越大，电机越细长；端部短，因 在选定电机的电磁负荷后， 性 而端部用铜相应减少； 2 可基本确定电机的 D lef 。 二、体积未变，铁重基本不变，同一磁密下 电机主要尺寸比定义如下： 电磁 基本铁耗也不变，再考虑电流密度一定时， 性能 端部用铜相对减少，总体损耗下降，效率提 l λ = ef 高； τ τ 为电机的极距； 三、电机细长，则相对的铁心与机座之间的 λ的大小与电机运行性能、 热性 接触面积增大，对散热有利。(对用气体作为 经济性、工艺性等均有密切关 能 冷却介质时，风路加长，冷却条件变差）； 系，或有一定影响。 四、电机细长，线圈数目常较粗短的电机为 工艺 少，因而使线圈制造工时和绝缘材料消耗减 来分析一下，在电机体积 性 未变的情况下，主要尺寸比较 少；但机座加工费时，下线难度较大，下线 大的影响： 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；
u =ω
(ρL i )
d q
2
+ ( Ld id +ψ m ) 2
不难发现，在同一电流极限圆上的A点和 C点，转矩也一致，但转速却是C点更高。 还有，如果按照最大转矩/电流控制，在 转速为ω时只能做到Tem2大小的功率（B点） ，但是通过做弱磁控制，增大电机的直轴去 磁电流，削弱了永磁体产生的气隙磁场，可 以增大电机的输入电流使转矩提高到Tem1(C 点)达到了弱磁扩速的目的。
非弱磁控制
非弱磁控制
15
谢谢大家！
16
Tem =
Id=0控制 最 电 控制
控制
3 p[ψ miq + ( Ld − Lq )id iq ] 2 3 1 = p[ψ m I s sin β + ( Ld − Lq ) I s2 sin 2 β ] 2 2
的dq 磁电 的
标
11
4.1 Id=0控制（磁场定向控制）
I d = 0 控制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 空间矢量正交，即β =90 °，电机转矩中只有永磁转矩分量。
6
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
连续斜极转子结构 多层径向式IPM结构
7
Toyota-Prius的分段斜极转子结构
电机的交直(DQ)轴磁路
径向式IPM
切向式IPM
8
三、永磁同步电机与直流无刷电机的区别
自行车电机
工业电机
汽车电机
电机的定子电流矢量轨迹 SPM电机的定子电流矢量轨迹
13
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。
∂ (Tem / is ) =0 ∂id ∂ (Tem / is ) = 0 ∂iq
14
4.3 弱磁控制
弱磁控制的思想来自于他励直流电动机的调磁控制（通过降低他励直流电动机 的励磁电流大小，可拓宽其转速范围）。 而对于永磁同步电机来说，励磁磁场是永磁体产生，无法进行调节， 而对于永磁同步电机来说，励磁磁场是永磁体产生，无法进行调节，只有通过 调节定子电流，即增加定子直轴去磁电流分量来维持高速运行时电压的平衡，达到 调节定子电流，即增加定子直轴去磁电流分量来维持高速运行时电压的平衡， 弱磁扩速的目的。 弱磁扩速的目的。
2
（1）电机的主要尺寸由 其计算功率和转速n之比 决定； 决定；
（2）相同的电磁负荷， 相同的电磁负荷， 相同转速， 相同转速，电机体积越大 可实现的功率也越大； 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； （3）相同的电磁负荷下 出相同功率， ，出相同功率，转速越高 则电机的体积越小； 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； 要尺寸；
表贴式永磁电机的交直轴电感相等， 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。 不可能有磁阻转矩存在。
磁场定向控制时的相量图
适用于恒速运行，以及调速范围要求不高的场合。 适用于恒速运行，以及调速范围要求不高的场合。
12
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 I s =
3 p[ψ miq + ( Ld − Lq )id iq ]
2 2 2 id + iq
IPM 电 机
id =
2 ψ m − ψ m + 4 ( ρ − 1) L2 L2 d q 2
2 ( ρ − 1) Ld
其中ρ为电机的凸极率， ρ=Lq/Ld
电机的定子电流矢量轨迹 IPM电机的定子电流矢量轨迹
例如：工缝机电机、以及所有表贴式永磁同步电机。 例如：工缝机电机、以及所有表贴式永磁同步电机。
Tem = 3 1 p[ψ m I s sin β + ( Ld − Lq ) I s2 sin 2β ] 2 2
β = 90o
3 pψ m I s 2 为什么表贴式永磁电机都适合用这种控制方式？ 为什么表贴式永磁电机都适合用这种控制方式？ Tem =
5
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： 一、内转子结构； 二、外转子结构； 三、混合磁路结构（天津电机）；
径向磁场结构；
轴向磁场结构（盘式电机）；
电机（内转子） ISG电机（内转子）
磁钢表贴式（ 磁钢表贴式（SPM） 外转子轮毂电机
磁钢内嵌式（ 一字形） 磁钢内嵌式（IPM一字形） 轴向磁场的混合励磁电机