电机原理及运用培训课件(共 37张PPT)
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永磁同步电机原理及运用
——赛盈公司 王庆
介绍
各种电机的介绍及对比 永磁同步电机的原理 永磁同步电机的运用及方案
各种电机的介绍及对比
目前在用或开发的电动车用电动机主要有直流电动机 (DCM) 、感应电动机( IM) 、永磁电动机( PM) 、开关 磁阻电动机( SRM)四类。下面分别对几种电气驱动系统 进行简要分析和说明 , 其总体比较见表1。 直流电动机驱动系统 在电动汽车领域最早使用的就是直流电动机。直流电 动机结构简单, 易于控制, 具有良好的电磁转矩控制特性, 但是由于采用机械换向结构, 维护困难, 并产生火花, 容 易对无线电产生干扰, 这对高度智能化的未来电动汽车 是致命的弱点。另外,直流电动机驱动系统体积大、制造 成本高、速度范围有限、能量密度较低, 这些都限制和 妨碍了直流电动机在电动汽车中的进一步应用。
各种电机的介绍及对比
永磁同步电机的运用
日本电动车用永磁同步电机状况 日本1965年就开始研制电动车, 于1967 年成立了日本电动车 协会。由于永磁同步电机的性能优良, 所以一经问世就受到日 本汽车公司的青睐。1996年, 丰田汽车公司的电动车RAV4就 采用了东京电机公司的插入式永磁同步电机作为驱动电机,其 下属的日本富士电子研究所研制的永磁同步电机可以达到最 大功率50 kW, 最高转速1 300 r/min。1998年1月, 尼桑公司 研发的新一代电动小客车在美国加利福尼亚州投入使用。驱 动电机采用了钕铁硼材料, 电机体积很小。表2为该电动车驱 动电机的技术指标。
各种电机的介绍及对比
永磁电动机驱动系统
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。 永磁电动机驱动系统可以分为无刷直流电动机(BLD2CM)系统和永 磁同步电动机(PMSM)系统。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。
永磁同步电机的运用
欧洲电动车用永磁同步电机状况
在法国VEDEL IC电动车计划中, PSA电动车动力 传动系统生产商Moteurs Leroy - Somer在1997 年改进了驱动电机。选择的新型驱动电机即为3相 永磁同步电机。电机的性能指标如表3所示：
永磁同步电机的热点及趋势
作为车辆电驱动系统的中心环节, 驱动电机的 总体性能是设计研制技术的关键之一 。根据车辆运 行的特殊环境以及电驱动车辆自身的特点, 对驱动 电机的技术要求主要是: (1) 体积小、重量轻; 有较高的功率和转矩密度; (2)要求在宽速域范围内, 电动机和驱动控制器都有较 高的效率; (3)有良好的控制性能以及过载能力, 以提高车辆的起 动和加速性能。：
永磁同步电机的优点
提高电机转矩特性 (1)提高输出转矩 日本电机工程研究实验室与其它公司合作推出采用双层永磁 体的内置式永磁同步电机, 提高了电机的交轴电导, 使电机转 矩增加10%, 最大效率区增10% , 最大峰值效率可达97%以上, 主要运行区域效率可大于93%。 (2)降低转矩脉动 在抑制转矩脉动方面, 通常通过对电机结构进行优化设计来 实现。例如: 采用不均匀气隙, 在转子上分布圆形孔洞, 优化定 子齿形, 优化磁极形状等等。图2为一种新型永磁体形状设计。 磁桥宽度保持不变, 随着角度θ 变小, 转矩脉动和齿槽转矩减小。
Leabharlann Baidu
各种电机的介绍及对比
开关磁阻电动机驱动系统 以开关磁阻电动机( SRM)为代表的磁阻电动机是一种 很有发展前途的电动机驱动系统。SRM是一种没有任何 形式的转子导体和永久磁体的无刷电动机, 它的定子磁 极和转子磁极都是凸的。SRM具有转子结构简单可靠、 在较宽转速和转矩范围内高效运行、响应速度快等优点。 但SRM在振动、噪声、转矩脉动、控制方式等方面还有 许多问题需要解决,目前应用还受到限制。
各种电机的介绍及对比
永磁电动机驱动系统
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。 永磁电动机驱动系统可以分为无刷直流电动机(BLD2CM)系统和永 磁同步电动机(PMSM)系统。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。
各种电机的介绍及对比
感应电动机驱动系统 感应电动机现在普遍采用变频驱动方式, 常见的变频控 制技术有三种: V /F控制、转差频率控制、矢量控制。 20世纪90年代以前主要以脉冲宽度调制( PWM)方式实 现V/F控制和转差频率控制, 但这两种控制技术因转速控 制范围小、转矩特性不理想,而对于需频繁起动、加减速 的电动汽车不太适用。近几年, 电动汽车感应电动机主 要采用矢量控制技术。
——赛盈公司 王庆
介绍
各种电机的介绍及对比 永磁同步电机的原理 永磁同步电机的运用及方案
各种电机的介绍及对比
目前在用或开发的电动车用电动机主要有直流电动机 (DCM) 、感应电动机( IM) 、永磁电动机( PM) 、开关 磁阻电动机( SRM)四类。下面分别对几种电气驱动系统 进行简要分析和说明 , 其总体比较见表1。 直流电动机驱动系统 在电动汽车领域最早使用的就是直流电动机。直流电 动机结构简单, 易于控制, 具有良好的电磁转矩控制特性, 但是由于采用机械换向结构, 维护困难, 并产生火花, 容 易对无线电产生干扰, 这对高度智能化的未来电动汽车 是致命的弱点。另外,直流电动机驱动系统体积大、制造 成本高、速度范围有限、能量密度较低, 这些都限制和 妨碍了直流电动机在电动汽车中的进一步应用。
各种电机的介绍及对比
永磁同步电机的运用
日本电动车用永磁同步电机状况 日本1965年就开始研制电动车, 于1967 年成立了日本电动车 协会。由于永磁同步电机的性能优良, 所以一经问世就受到日 本汽车公司的青睐。1996年, 丰田汽车公司的电动车RAV4就 采用了东京电机公司的插入式永磁同步电机作为驱动电机,其 下属的日本富士电子研究所研制的永磁同步电机可以达到最 大功率50 kW, 最高转速1 300 r/min。1998年1月, 尼桑公司 研发的新一代电动小客车在美国加利福尼亚州投入使用。驱 动电机采用了钕铁硼材料, 电机体积很小。表2为该电动车驱 动电机的技术指标。
各种电机的介绍及对比
永磁电动机驱动系统
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。 永磁电动机驱动系统可以分为无刷直流电动机(BLD2CM)系统和永 磁同步电动机(PMSM)系统。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。
永磁同步电机的运用
欧洲电动车用永磁同步电机状况
在法国VEDEL IC电动车计划中, PSA电动车动力 传动系统生产商Moteurs Leroy - Somer在1997 年改进了驱动电机。选择的新型驱动电机即为3相 永磁同步电机。电机的性能指标如表3所示：
永磁同步电机的热点及趋势
作为车辆电驱动系统的中心环节, 驱动电机的 总体性能是设计研制技术的关键之一 。根据车辆运 行的特殊环境以及电驱动车辆自身的特点, 对驱动 电机的技术要求主要是: (1) 体积小、重量轻; 有较高的功率和转矩密度; (2)要求在宽速域范围内, 电动机和驱动控制器都有较 高的效率; (3)有良好的控制性能以及过载能力, 以提高车辆的起 动和加速性能。：
永磁同步电机的优点
提高电机转矩特性 (1)提高输出转矩 日本电机工程研究实验室与其它公司合作推出采用双层永磁 体的内置式永磁同步电机, 提高了电机的交轴电导, 使电机转 矩增加10%, 最大效率区增10% , 最大峰值效率可达97%以上, 主要运行区域效率可大于93%。 (2)降低转矩脉动 在抑制转矩脉动方面, 通常通过对电机结构进行优化设计来 实现。例如: 采用不均匀气隙, 在转子上分布圆形孔洞, 优化定 子齿形, 优化磁极形状等等。图2为一种新型永磁体形状设计。 磁桥宽度保持不变, 随着角度θ 变小, 转矩脉动和齿槽转矩减小。
Leabharlann Baidu
各种电机的介绍及对比
开关磁阻电动机驱动系统 以开关磁阻电动机( SRM)为代表的磁阻电动机是一种 很有发展前途的电动机驱动系统。SRM是一种没有任何 形式的转子导体和永久磁体的无刷电动机, 它的定子磁 极和转子磁极都是凸的。SRM具有转子结构简单可靠、 在较宽转速和转矩范围内高效运行、响应速度快等优点。 但SRM在振动、噪声、转矩脉动、控制方式等方面还有 许多问题需要解决,目前应用还受到限制。
各种电机的介绍及对比
永磁电动机驱动系统
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。 永磁电动机驱动系统可以分为无刷直流电动机(BLD2CM)系统和永 磁同步电动机(PMSM)系统。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。
各种电机的介绍及对比
感应电动机驱动系统 感应电动机现在普遍采用变频驱动方式, 常见的变频控 制技术有三种: V /F控制、转差频率控制、矢量控制。 20世纪90年代以前主要以脉冲宽度调制( PWM)方式实 现V/F控制和转差频率控制, 但这两种控制技术因转速控 制范围小、转矩特性不理想,而对于需频繁起动、加减速 的电动汽车不太适用。近几年, 电动汽车感应电动机主 要采用矢量控制技术。