同步電機(jī)的案例
交流異步電機(jī)與永磁同步電機(jī)有何區(qū)別？
在提及純電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)，我們經(jīng)常會(huì)聽到永磁同步電機(jī)或者交流異步電機(jī)的說法，并且前者出現(xiàn)的頻率更高。那么，搭載了這兩種不同技術(shù)的電機(jī)到底有什么區(qū)別，又分別擁有哪些優(yōu)缺點(diǎn)呢？
目前，市面上的純電動(dòng)汽車的電機(jī)種類共有四種。直流電機(jī)由于其存在諸多缺點(diǎn)已逐漸被淘汰；開關(guān)磁阻電機(jī)由于其擁有較高的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，導(dǎo)致振動(dòng)和噪聲都很大，所以只有在商用車領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。因此，永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)成為了大多數(shù)乘用車所采用的電機(jī)形式。
首先，我們先來了解一下純電動(dòng)汽車的工作原理：電池通過控制系統(tǒng)向電機(jī)供電,在電機(jī)中將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)力并傳給系統(tǒng),然后傳送給驅(qū)動(dòng)車輪并使車輪轉(zhuǎn)動(dòng),最后通過與地面間的相互作用產(chǎn)生使汽車行駛的牽引力。
了解完工作原理后我們直接進(jìn)入今天的主題，同步電機(jī)與異步電機(jī)的最大區(qū)別就在于兩者的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)速度是否與定子旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)速度一致，如果一致就叫做同步電機(jī)，如果不一致就叫做異步電機(jī)，具體到性能參數(shù)以及應(yīng)用，兩者有很大的區(qū)別。
永磁同步電機(jī)
永磁同步電機(jī)是由永磁體勵(lì)磁產(chǎn)生同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步電機(jī)，永磁體作為轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，三相定子繞組在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下通過電樞反應(yīng)，感應(yīng)三相對(duì)稱電流。
永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子本身產(chǎn)生固定方向的磁場(chǎng)（永磁體），定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)“拖著”轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)（轉(zhuǎn)子）轉(zhuǎn)動(dòng)，因此轉(zhuǎn)子的速度一定等于定子的同步速，所以叫做“同步電機(jī)”。定子線圈的磁場(chǎng)會(huì)因?yàn)閿嚯姸В寝D(zhuǎn)子卻是磁性很強(qiáng)的永磁體，磁場(chǎng)并不會(huì)消失，因此稱之為——永磁（雖然隨著時(shí)間的流逝磁場(chǎng)會(huì)逐漸消失，但是速度也是很慢的）。
永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子繞組的電流頻率始終保持一致。因此，通過控制電機(jī)的定子繞組輸入電流頻率，電動(dòng)汽車的車速將最終被控制。
展開 直流勵(lì)磁同步電機(jī)和磁阻電機(jī)在新能源汽車中的應(yīng)用
一、電機(jī)分類
目前車輛上常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)種類有異步感應(yīng)電機(jī)IM和永磁同步電機(jī)PMSM，其中中國(guó)市場(chǎng)以永磁電機(jī)為主。
業(yè)內(nèi)今年新增加一個(gè)種類是BMW IX3的電勵(lì)磁同步電機(jī)，在寶馬沈陽工廠開始了批量生產(chǎn)，似乎誘惑了很多工程師，并且成了很多銷售人士的賣點(diǎn)。當(dāng)然，電勵(lì)磁同步電機(jī)也不是新發(fā)明，雷諾ZOE就采用了電勵(lì)磁同步電機(jī)，只是沒有普及開來。
電勵(lì)磁同步電機(jī)的原理已經(jīng)公開很久了，在工業(yè)電機(jī)產(chǎn)品領(lǐng)域也有很多應(yīng)用，只是電動(dòng)汽車這個(gè)領(lǐng)域剛剛有批量使用的案例。
但是這個(gè)并不新鮮的技術(shù)并不代表電勵(lì)磁同步電機(jī)沒有門檻、可以隨意任性設(shè)計(jì)和量產(chǎn)，在設(shè)計(jì)和制造技術(shù)上還是有很多挑戰(zhàn)，需要新的技術(shù)和不斷的嘗試。
2020年驅(qū)動(dòng)視界白皮書中介紹了永磁同步電機(jī)PMSM和異步感應(yīng)電機(jī)IM，這里就不做重復(fù)，這篇文章重點(diǎn)介紹電勵(lì)磁同步電機(jī)及其歐美研究中的磁阻電機(jī)等內(nèi)容。
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表1：各種類型驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能對(duì)比
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以上對(duì)比的假設(shè)前提條件是驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率和扭矩相同，也就是在電機(jī)電氣性能一致的基礎(chǔ)上對(duì)比各項(xiàng)指標(biāo)差異，△數(shù)量多少代表優(yōu)劣，由于磁阻電機(jī)還沒有量產(chǎn)應(yīng)用，數(shù)據(jù)只是單純意義上對(duì)比和參照。
至于采用什么種類的電機(jī)，各個(gè)國(guó)家和各個(gè)公司都有自己的設(shè)計(jì)方案，沒有絕對(duì)的好壞區(qū)別，更沒有正確錯(cuò)誤之分，需要綜合考量以及SWOT分析結(jié)果，適合自己的才是最好的。
之所以不同國(guó)家和不同公司選取了不同類型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，原因很多：
1) 國(guó)家資源分布的差異，如歐美國(guó)家稀土相對(duì)稀缺，而中國(guó)的儲(chǔ)量相對(duì)多些，但是也需要珍惜有限的自然資源，需要提高稀土制造利用率，增加高附加值環(huán)節(jié)的控制。
2) 各個(gè)公司產(chǎn)品布局的差異和整體設(shè)計(jì)的需求，以及改型換代、迭代的差異。
展開 關(guān)于永磁同步電機(jī)的10個(gè)知識(shí) 附永磁同步電機(jī)三個(gè)關(guān)聯(lián)參數(shù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kt、反電勢(shì)系數(shù)Ke、磁鏈Phi之間
采用永磁同步電機(jī)因其自身結(jié)構(gòu)緊湊，功能齊全，集曳引電機(jī)、曳引輪、電磁制動(dòng)器、光電編碼器于一身，易于安裝，便于使用，使得其在行業(yè)內(nèi)近十年來大展身手、普遍開來。特別是在無機(jī)房電梯的開發(fā)應(yīng)用中，將永磁同步曳引電機(jī)安裝在電梯的井道里，既節(jié)約了機(jī)房的建造成本，又美化了建筑物外觀。當(dāng)電梯負(fù)載變化時(shí)，永磁同步電機(jī)通過調(diào)節(jié)夾角來適應(yīng)，其響應(yīng)速度很快。
為了使電梯有良好的起、制動(dòng)舒適性和平層準(zhǔn)確度，在系統(tǒng)中加入了準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置裝置和電壓電流檢測(cè)裝置，隨時(shí)確定電機(jī)磁場(chǎng)的大小、方向。位置檢測(cè)裝置采用轉(zhuǎn)子位置傳感器（光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器等）。轎廂負(fù)載檢測(cè)裝置可采用位置型、壓力型等多種形式，對(duì)電梯負(fù)載進(jìn)行預(yù)先測(cè)量并計(jì)算，給出恰當(dāng)方向和大小的力矩，可輸出開關(guān)量、模擬量（電壓）和頻率量（高頻抗干擾性強(qiáng)，能遠(yuǎn)距離傳送）等。
永磁同步電機(jī)，準(zhǔn)確的講，應(yīng)該叫異步起動(dòng)同步運(yùn)轉(zhuǎn)的永磁電機(jī)。這種電機(jī)，使用中可以同尺寸代替原來的Y,Y2,Y3等電機(jī)。減少了更換過程的麻煩。與普通電機(jī)相比，永磁電機(jī)有其自己的特點(diǎn)：
1、轉(zhuǎn)速恒定，為同步轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速較普通電機(jī)稍高，比如普通電機(jī)4極轉(zhuǎn)速為1400n/min多轉(zhuǎn)，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速就是1500n/min，丟轉(zhuǎn)少。
2、功率因數(shù)高。永磁電機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速一致，轉(zhuǎn)子磁極采用永磁磁鋼，沒有電流，定子上感應(yīng)電流減小，因此功率因數(shù)高。可以通過合理的設(shè)計(jì)，可使其工作在滯后功率因數(shù)、單位功率因數(shù)和超前功率因數(shù)。一般滯后功率因數(shù)都可以達(dá)到和超過0.95，大量使用永磁電機(jī)，可以省去無功功率補(bǔ)償器等設(shè)備。
3、效率高，特別是運(yùn)行效率高。永磁電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于轉(zhuǎn)子磁極采用永磁體--釹鐵硼磁鋼，靠永磁體的磁場(chǎng)就可以保證電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此轉(zhuǎn)子也就沒有繞組損耗。轉(zhuǎn)子鐵耗也沒有，因此效率較普通電機(jī)高的多。
展開 同步磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)
來源：杭州易泰達(dá)科技 作者：朱彤華
引言
近年由于稀土磁鋼的價(jià)格大幅度波動(dòng)，在很大程度上影響了稀土永磁同步電機(jī)的推廣應(yīng)用。通常，稀土磁鋼的價(jià)格占電機(jī)總價(jià)格的 20% 左右，減少甚至消除這部分成本能顯著降低電機(jī)的成本。另一方面，由于其他類型的電機(jī)，如直流電機(jī)，開關(guān)磁阻電機(jī)，感應(yīng)電機(jī)等在控制上都有不同的弱點(diǎn)，難以取代同步電機(jī)在工業(yè)上的應(yīng)用，因此，研發(fā)不使用稀土磁鋼的同步電機(jī)就提上了議事日程。
同步磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
同步磁阻電機(jī)不使用稀土磁鋼，可以看成是永磁同步電機(jī)的一個(gè)特例，從永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式可以看出：
te=p[ψf iq+(Ld-Lq)id iq ]
前一項(xiàng)是永磁轉(zhuǎn)矩， 后一項(xiàng)是磁阻轉(zhuǎn)矩，而同步磁阻電機(jī)是僅利用磁阻轉(zhuǎn)矩的電機(jī)， 其轉(zhuǎn)矩公式就是 :
te=p[(Ld-Lq)id iq ]
同步磁阻電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)和永磁同步電機(jī)的一樣，而轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比較特殊，通常有如下幾種：
為了提高交直軸電感的差，需要提高直軸電感，并降低交軸電感，又由于電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)需要由定子電流產(chǎn)生，所以電機(jī)必須使用盡可能小的氣隙，減少勵(lì)磁電流，提高功率因數(shù)；盡量保證漏感處于較低水平，亦即保證槽漏感，端部漏感，諧波漏感，等均較低，因此經(jīng)過分析，需要使用多層磁障的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)同步磁阻電機(jī)。
同步磁阻電機(jī)的控制及性能特點(diǎn)
同步磁阻電機(jī)可以采用多種控制方式，DTC 直接轉(zhuǎn)矩控制是其中的一種。DTC 是以電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為控制目標(biāo)，在控制中不使用計(jì)算量大的矢量變換，所以控制速度快， 對(duì)控制器 MCU 的要求低，動(dòng)態(tài)性能好，同時(shí)對(duì)電機(jī)參數(shù)的敏感性降低，控制可靠性提高。
展開 
為啥比亞迪用永磁同步電機(jī)，特斯拉和寶馬卻喜歡交流異步電機(jī)？
各位邦友有沒有發(fā)現(xiàn)，媒體在報(bào)道電動(dòng)車的動(dòng)力信息時(shí)，經(jīng)常使用“搭載了永磁同步電機(jī)，最大功率XX……”因?yàn)榻^大多數(shù)產(chǎn)品搭載的電機(jī)都是“永磁同步電機(jī)”，很多讀者就把這句話理解為“搭載的電機(jī)最大功率為……”
但關(guān)注特斯拉的朋友們可能知道，特斯拉搭載的是“交流異步電機(jī)”，而新晉網(wǎng)紅蔚來ES6性能版搭載的是“前160千瓦永磁同步電機(jī)，后240千瓦感應(yīng)電機(jī)” 這又是什么東西？
那么本次邦老師就給大家講講，同步電機(jī)和異步電機(jī)的區(qū)別吧。
先別管同步異步，來回憶一下電機(jī)
電機(jī)這個(gè)東西相信大家都不陌生，回憶一下高中物理上的直流有刷電機(jī)，原理千百年來都是一樣的， 一個(gè)永磁體（磁鐵）作為定子，一個(gè)線圈作為轉(zhuǎn)子，通電后產(chǎn)生磁場(chǎng)，根據(jù)“同性相斥，異性相吸”的原理，他會(huì)繞著定子轉(zhuǎn)動(dòng)。
但是吧，轉(zhuǎn)了180度之后，你會(huì)發(fā)現(xiàn)定子的N極挨著轉(zhuǎn)子的S極了，它們兩個(gè)開始相吸，不轉(zhuǎn)了咋整？所以這時(shí)候需要改變一下通過轉(zhuǎn)子的電流方向，但是你是不能改變電源的電流方向的，所以這時(shí)候需要換向器和電刷出馬了。
電刷的主要作用是傳導(dǎo)電流，它的正負(fù)極則與電池的正負(fù)極相連，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過180度，電刷與換向器的連接發(fā)生轉(zhuǎn)向，線圈原本的正極變成負(fù)極、負(fù)極變成正極，以此交替循環(huán)，實(shí)現(xiàn)電磁力推動(dòng)轉(zhuǎn)子線圈持續(xù)旋轉(zhuǎn)。不過因?yàn)殡娝⒁恢痹趽Q向器上刷來刷去，勢(shì)必產(chǎn)生磨損，運(yùn)氣不好還會(huì)產(chǎn)生火花。
前面說了電刷會(huì)磨損甚至起火花，所以現(xiàn)在大多數(shù)汽車用的都是無刷電機(jī)，我們本次討論的永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)都是無刷電機(jī)，下面終于進(jìn)入正題，給大家講講這兩者的區(qū)別：
同步和異步指的是什么？
指的是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)的速度是否一樣。要完全理解這個(gè)問題，我們需要理解這兩種電機(jī)的原理。
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展開 國(guó)產(chǎn)主流電動(dòng)汽車電機(jī)盤點(diǎn)：永磁同步vs交流異步
不同于 ES8 全異步感應(yīng)電機(jī)設(shè)計(jì)，蔚來旗下第二款量產(chǎn)車型 ES6 雖然在基準(zhǔn)版中采用了雙永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)，但是其性能版中采用了異步感應(yīng)電機(jī)與永磁同步電機(jī)組合的方式，其前軸搭載了 160kW 永磁同步電機(jī)，后軸則搭載了 240kW 的異步感應(yīng)電機(jī)，這樣的搭配讓 ES6 不僅擁有更長(zhǎng)的續(xù)航里程，同時(shí)也兼顧了高性能。
下表是關(guān)于這兩款車的相關(guān)信息：
目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車廠商大多采用永磁同步電機(jī)，相較于交流異步電機(jī)，永磁同步電機(jī)的性能表現(xiàn)更好，并且體積和重量方面也更占優(yōu)勢(shì)，而且制造時(shí)需要的稀土材料在國(guó)內(nèi)也十分豐富，因此采用永磁同步電機(jī)的車型在國(guó)內(nèi)種類繁多。
目前采用永磁同步電機(jī)的品牌主要有北汽新能源、比亞迪、小鵬汽車、吉利、奇瑞、威馬等品牌，并且制造永磁同步電機(jī)的品牌也有很多，其中不泛包括西門子、博世、大陸、博世等機(jī)械大廠，北汽新能源和比亞迪也開發(fā)了自家的永磁同步電機(jī)。
展開 永磁同步電機(jī)原理、特點(diǎn)以及應(yīng)用
按結(jié)構(gòu)和工作原理劃分：可分為直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)。
同步電機(jī)可劃分：永磁同步電動(dòng)機(jī)、磁阻同步電動(dòng)機(jī)和磁滯同步電動(dòng)機(jī)。
異步電機(jī)可劃分：感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和交流換向器電動(dòng)機(jī)。
感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可劃分：三相異步電動(dòng)機(jī)、單相異步電動(dòng)機(jī)和罩極異步電動(dòng)機(jī)等。
交流換向器電動(dòng)機(jī)可劃分：?jiǎn)蜗啻畡?lì)電動(dòng)機(jī)、交直流兩用電動(dòng)機(jī)和推斥電動(dòng)機(jī)。
按起動(dòng)與運(yùn)行方式劃分：電容起動(dòng)式單相異步電動(dòng)機(jī)、電容運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電動(dòng)機(jī)、電容起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電動(dòng)機(jī)和分相式單相異步電動(dòng)機(jī)。
按用途劃分：驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)和控制用電動(dòng)機(jī)。
永磁同步電機(jī)
所謂永磁，指的是在制造電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)加入永磁體，使電機(jī)的性能得到進(jìn)一步的提升。而所謂同步，則指的是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子繞組的電流頻率始終保持一致。因此，通過控制電機(jī)的定子繞組輸入電流頻率，電動(dòng)汽車的車速將最終被控制。而如何調(diào)節(jié)電流頻率，則是電控部分所要解決的問題。
永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)
永磁電動(dòng)機(jī)具有較高的功率/質(zhì)量比，體積更小，質(zhì)量更輕，比其他類型電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩更大，電動(dòng)機(jī)的極限轉(zhuǎn)速和制動(dòng)性能也比較優(yōu)異，因此永磁同步電動(dòng)機(jī)已成為現(xiàn)今電動(dòng)汽車應(yīng)用最多的電動(dòng)機(jī)。但永磁材料在受到振動(dòng)、高溫和過載電流作用時(shí)，其導(dǎo)磁性能可能會(huì)下降，或發(fā)生退磁現(xiàn)象，有可能降低永磁電動(dòng)機(jī)的性能。另外，稀土式永磁同步電動(dòng)機(jī)要用到稀土材料，制造成本不太穩(wěn)定
永磁同步電機(jī)與異步電機(jī)
除了永磁同步電機(jī)，異步電機(jī)也因特斯拉的使用而被廣泛關(guān)注。與同步電機(jī)相比起來，電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速總是小于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（由定子繞組電流產(chǎn)生）的轉(zhuǎn)速。
展開 基于Simulink的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真
1、永磁同步電機(jī)
永磁同步電動(dòng)機(jī)（PermanentMagnets Synchronous Motor，PMSM），轉(zhuǎn)子采用永磁材料，定子為短距分布式繞組，采用三相正弦波交流電驅(qū)動(dòng)。PMSM具有直流電動(dòng)機(jī)的特性，有穩(wěn)定的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可以自行起動(dòng)，并可類似直流電動(dòng)機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，多用于伺服系統(tǒng)和高性能的調(diào)速系統(tǒng)。
永磁同步電機(jī)其本身是一個(gè)轉(zhuǎn)子使用永磁鐵來產(chǎn)生磁場(chǎng)，定子上通過三相交流繞組的同步電動(dòng)機(jī)，它有定子、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子位置傳感器和逆變電路等結(jié)構(gòu)部件來構(gòu)成的，對(duì)于有些永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器是否需要安裝取決于工程的需要和成本的考慮問題。
2、永磁同步電機(jī)的控制原理
目前對(duì)永磁同步電機(jī)的控制技術(shù)主要有磁場(chǎng)定向矢量控制技術(shù)（FieldOrientation Control，F(xiàn)OC）與直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)（directtorque control，DTC）。在這里我們使用磁場(chǎng)定向矢量控制技術(shù)來建立永磁同步電機(jī)的仿真模型。
磁場(chǎng)定向矢量控制技術(shù)的核心是在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中針對(duì)激磁電流id和轉(zhuǎn)矩電流iq分別進(jìn)行控制，并且采用的是經(jīng)典的PI線性調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)呈現(xiàn)出良好的線性特性，可以按照經(jīng)典的線性控制理論進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，逆變器控制采用了較成熟的SPWM、SVPWM等技術(shù)。磁場(chǎng)定向矢量控制技術(shù)較成熟，動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能較佳，所以得到了廣泛的實(shí)際應(yīng)用。
直接轉(zhuǎn)矩控制的實(shí)現(xiàn)方法是：計(jì)算得到磁鏈和轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值與參考值之間的偏差，通過滯環(huán)比較以及當(dāng)前定子磁鏈的空間位置確定控制信號(hào)，在離線計(jì)算的開關(guān)表中選取合適的空間電壓矢量，再通過離散的bang-bang控制方式調(diào)制產(chǎn)生PWM信號(hào)，以控制逆變器產(chǎn)生合適的電壓和電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了復(fù)雜的空間矢量坐標(biāo)運(yùn)算，電機(jī)的數(shù)學(xué)模型得到了簡(jiǎn)化，控制結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單，對(duì)電機(jī)參數(shù)變化不敏感，控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到了極大提高。
展開 軸向磁通永磁同步電機(jī)仿真分析
軸向磁通永磁同步電機(jī)仿真分析
01
案例背景
軸向磁通永磁同步電機(jī)也稱盤式永磁電機(jī)，因其圓盤式的結(jié)構(gòu)，加大了磁場(chǎng)作用面積，使得效率更高，大多呈現(xiàn)直徑較大，軸向尺寸很薄的特點(diǎn)，應(yīng)用在電梯領(lǐng)域、商用車公交車領(lǐng)域、工程機(jī)械領(lǐng)域、發(fā)電機(jī)組領(lǐng)域、增程器領(lǐng)域、軍工及航空航天領(lǐng)域等等。
02
案例功能特點(diǎn)
案例所屬物理場(chǎng)：電磁場(chǎng)INTESIM-Emag
案例驗(yàn)證功能：轉(zhuǎn)矩計(jì)算，三維運(yùn)動(dòng)控制及動(dòng)網(wǎng)格，永磁體充磁
分析類型：四面體單元
03
案例分析
幾何模型
INTESIM軟件自帶幾何建模功能，同時(shí)也支持外部模型導(dǎo)入，本案例采用導(dǎo)入外部電機(jī)模型的方法，仿真模型如下圖所示。
圖1 軸向磁通永磁同步電機(jī)幾何模型
材料參數(shù)
軸向磁通永磁同步電機(jī)材料包括銅、永磁體、硅鋼片等，各部件材料屬性如下表1所示：
表1 材料屬性表
Steel1008及50W470材料BH曲線如下：
圖2 Steel1008與50DW470 BH曲線
邊界及激勵(lì)
（1）磁通量平行邊界
電磁場(chǎng)分析需要建立空氣域，空氣域外表面施加磁通量平行邊界，如下圖藍(lán)色高亮所示。
圖3 磁通量平行邊界加載圖
（2）永磁體充磁方向定義
本案例永磁體為平行充磁，充磁方向定義如下圖箭頭所示，磁鋼交替充磁，當(dāng)前只展示部分磁鋼模型。
展開 為啥比亞迪用永磁同步電機(jī)，特斯拉和寶馬卻喜歡交流異步電機(jī)？
前面說了電刷會(huì)磨損甚至起火花，所以現(xiàn)在大多數(shù)汽車用的都是無刷電機(jī)，我們本次討論的永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)都是無刷電機(jī)，下面終于進(jìn)入正題，給大家講講這兩者的區(qū)別：
同步和異步指的是什么？
指的是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)的速度是否一樣。要完全理解這個(gè)問題，我們需要理解這兩種電機(jī)的原理。
我們先看永磁同步電機(jī)：
需要注意的是，永磁同步電機(jī)和我們上面舉例用的課本上的電機(jī)不一樣，它的線圈是作為定子，永磁體是充當(dāng)轉(zhuǎn)子的，跟課本上的正好相反。
先說這個(gè)永磁體，現(xiàn)在多數(shù)是用釹鐵硼材料制作，這種材料被稱為“永磁王”，是目前磁性最高的永磁材料。而獲得這種材料需要一種稀有物品——稀土。
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永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真 附電力電子、電機(jī)控制系統(tǒng)的建模和仿真下載
Rate Transition模塊
同步和異步
同步和異步是一個(gè)相對(duì)的概念，例如異步中斷，同步任務(wù)等。因此需要弄清楚，相對(duì)什么是任務(wù)是同步的，相對(duì)什么中斷是異步的。還是以永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型來說明。
下圖是常規(guī)永磁同步電機(jī)控制的實(shí)際流程包括以下幾個(gè)步驟：
1 . 采樣和保持電機(jī)電流值，ADC轉(zhuǎn)換電機(jī)電流值；
2 . 讀取電機(jī)速度和位置值（圖中未標(biāo)出）；
3 . 運(yùn)行電機(jī)控制和SVPWM算法；
4 . 輸出和更新PWM占空比；
其中步驟1的電流采樣和步驟4的更新PWM占空比必須在同一時(shí)刻完成的。
PMSM電機(jī)控制的流程
因此我們可以知道，如何把電機(jī)控制算法看作一個(gè)任務(wù)，這個(gè)任務(wù)相對(duì)被控對(duì)象模型就是異步的。但是這個(gè)任務(wù)相對(duì)于PWM-Timer卻是同步的。
現(xiàn)在，我們已經(jīng)知道了永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際情況，下面我們就來進(jìn)行建模。
展開 三相永磁同步電機(jī)故障診斷與分析
永磁同步電機(jī)作為一種高性能的交流電機(jī)，因其具有體積小，可靠性高，功率因數(shù)和功率密度高高，效率高等優(yōu)點(diǎn)。永磁同步電機(jī)的運(yùn)行范圍很寬，可以在其額定功率數(shù)值25%-120%的范圍內(nèi)保持很高的運(yùn)行效率，完全能夠適應(yīng)負(fù)載變化比較大的場(chǎng)合。因此，永磁同步電機(jī)的發(fā)展和推廣使用，將能夠極大滿足當(dāng)今社會(huì)工業(yè)對(duì)高效電機(jī)的需求。但與此同時(shí)，電機(jī)作為一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)電能量之間轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，它的結(jié)構(gòu)是由定子，轉(zhuǎn)子，和軸承等電氣系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)組成，其總體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。但電機(jī)工作時(shí)，具有復(fù)雜的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程，在長(zhǎng)期運(yùn)行中，受供電情況、負(fù)載工況和運(yùn)行環(huán)境的影響，某些部件會(huì)逐漸失效，損壞。電機(jī)的工作原理都是基于電磁理論，主要由電路（繞組）和磁路（鐵芯）兩大部分組成，其主要故障類型有繞組斷線、繞組過熱、匝間短路、絕緣老化、鐵芯變形及電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心等，永磁同步電機(jī)因其轉(zhuǎn)子上還裝設(shè)有永磁體，還可能發(fā)生永磁體的不可逆退磁故障，總體來說，電機(jī)故障種類繁多，原因復(fù)雜。電機(jī)集電氣與機(jī)械部件于一體，加之處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)中，故障征兆呈多樣性，既有電氣故障特性，又有機(jī)械故障特性；既有電氣量（電壓、頻率、電流、功率等），也有非電氣量（熱、聲、光、氣、輻射、振動(dòng)等)。
本文主要對(duì)一臺(tái)功率為llkW面貼式三相永磁同步電機(jī)進(jìn)行分析，分別仿真分析其發(fā)生定子繞組斷線故障、定子繞組匝間短路故障、電機(jī)轉(zhuǎn)子靜偏心與動(dòng)偏心，以及永磁體的不可逆退磁故障。通過對(duì)故障工況有限元分析結(jié)果的后處理，總結(jié)出了故障特征信息和相關(guān)的故障程度評(píng)價(jià)指標(biāo)，為提出如何實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的可靠運(yùn)行、建立電機(jī)的實(shí)時(shí)故障診斷系統(tǒng)等方面的內(nèi)容提供了一定的依據(jù)。
2 電機(jī)的有限元分析模型
將RMxprt模塊中建立的電機(jī)模型導(dǎo)入Maxwell 2D中進(jìn)行有限元仿真計(jì)算。
展開 【討論】電動(dòng)汽車為什么有的使用交流感應(yīng)電機(jī)而不是永磁同步電機(jī)？
特斯拉、蔚來都采用了感應(yīng)電機(jī)而不是同步電機(jī)，除此之外有哪些采用永磁同步電機(jī)的？同步電機(jī)相對(duì)感應(yīng)電機(jī)應(yīng)該功率密度更大、效率更高，應(yīng)該是有優(yōu)勢(shì)的。采用感應(yīng)電機(jī)是因?yàn)閾?dān)心永磁體磁場(chǎng)強(qiáng)度容易衰退？高溫、震動(dòng)會(huì)導(dǎo)致退磁？
新能源汽車永磁同步電機(jī)優(yōu)化
永磁同步電機(jī) （Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）作為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)首選，因轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、體積小、效率高、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，迅速占領(lǐng)了新能源汽車市場(chǎng)，且市場(chǎng)占有率逐漸上升。電動(dòng)汽車的快速發(fā)展和強(qiáng)烈的需求刺激，迫使驅(qū)動(dòng)電機(jī)向高速化、輕量化、高效化等方向快速推進(jìn)。通過優(yōu)化電機(jī)功率密度，不僅滿足電動(dòng)汽車對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高速化、輕量化、高效化需求，而且對(duì)PMSM產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)有重要的戰(zhàn)略意義。
目前實(shí)現(xiàn)車用永磁電機(jī)的高功率密度有兩種方法：①提高電機(jī)轉(zhuǎn)速；②提高轉(zhuǎn)矩密度，但提高轉(zhuǎn)速帶來風(fēng)摩損耗過高、軸承潤(rùn)滑及壽命、噪聲等問題，因此通過提高轉(zhuǎn)矩密度來提高功率密度成為很多廠家研究的重點(diǎn)。
1 有限元電磁仿真
1.1 模型搭建
以一臺(tái)72槽12極永磁同步電機(jī)為例，使用motor-CAD建立其模型，通過E-mag模塊進(jìn)行電磁熱耦合分析。電機(jī)參數(shù)見表1。
表1 仿真模型的參數(shù)
為了節(jié)省仿真時(shí)間，取電機(jī)一極為仿真模型并劃分網(wǎng)格，如圖1所示。
圖1 永磁同步電機(jī)模型
1.2 邊界定義
文獻(xiàn)［3］描述了永磁同步電機(jī)因鐵磁物質(zhì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣磁導(dǎo)率，電機(jī)定子軛邊緣雖有部分漏磁，但這部分衰減很快，且電機(jī)磁力線沿定子軛表面閉合，可取定子軛邊緣為零邊界，這在工程上近似合理。電機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)稱，磁場(chǎng)沿周向周期變化。具有周期性條件，在相鄰兩極中心線上，磁力線垂直穿過，極間幾何中心線法線方向變化率為零，故選取一個(gè)極距進(jìn)行仿真。
1.3 空載仿真
永磁同步電機(jī)空載仿真如圖2所示，從磁密云圖和空載反電勢(shì)波形看出，電機(jī)所含諧波較少。
圖2 永磁同步電機(jī)空載仿真
1.4 負(fù)載仿真
從圖3可以看出，電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)選擇較合理，為了深究其材料的利用率和單位質(zhì)量的出力，在不改變電機(jī)有效體積的條件下進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。
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