永磁同步電機(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(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)，我們經(jīng)常會(huì)聽(tīng)到永磁同步電機(jī)或者交流異步電機(jī)的說(shuō)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(chē)的電機(jī)種類(lèi)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(kāi)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(chē)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(chē)所采用的電機(jī)形式。
首先，我們先來(lái)了解一下純電動(dòng)汽車(chē)的工作原理：電池通過(guò)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(chē)輪并使車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng),最后通過(guò)與地面間的相互作用產(chǎn)生使汽車(chē)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(guò)電樞反應(yīng)，感應(yīng)三相對(duì)稱(chēng)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(xiàn)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(chēng)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(guò)控制電機(jī)的定子繞組輸入電流頻率，電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)速將最終被控制。
展開(kāi) 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(lái)大展身手、普遍開(kāi)來(lái)。特別是在無(wú)機(jī)房電梯的開(kāi)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(guān)。當(dāng)電梯負(fù)載變化時(shí)，永磁同步電機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)夾角來(lái)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(kāi)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(lái)的Y,Y2,Y3等電機(jī)。減少了更換過(guò)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(méi)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(guò)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(guò)0.95，大量使用永磁電機(jī)，可以省去無(wú)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(méi)有繞組損耗。轉(zhuǎn)子鐵耗也沒(méi)有，因此效率較普通電機(jī)高的多。
展開(kāi) 國(guó)產(chǎn)主流電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)盤(pán)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(lái)旗下第二款量產(chǎn)車(chē)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(chē)的相關(guān)信息：
目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)廠(chǎng)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(chē)型在國(guó)內(nèi)種類(lèi)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(chē)、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(mén)子、博世、大陸、博世等機(jī)械大廠(chǎng)，北汽新能源和比亞迪也開(kāi)發(fā)了自家的永磁同步電機(jī)。
展開(kāi) 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(lèi)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(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，定子上通過(guò)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(lái)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(wèn)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(lái)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(xiàn)性調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)呈現(xiàn)出良好的線(xiàn)性特性，可以按照經(jīng)典的線(xiàn)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(guò)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(xiàn)計(jì)算的開(kāi)關(guān)表中選取合適的空間電壓矢量，再通過(guò)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(kāi) 
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(chēng)盤(pán)式永磁電機(jī)，因其圓盤(pán)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(chē)公交車(chē)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(lèi)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(xiàn)如下：
圖2 Steel1008與50DW470 BH曲線(xiàn)
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(kāi) 永磁同步電機(jī)原理、特點(diǎn)以及應(yīng)用
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(lái)，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。因此，轉(zhuǎn)子看起來(lái)與定子繞組的電流頻率總是“不一致”，這也是其為什么叫異步電機(jī)的原因。
相比于永磁同步電機(jī)，異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是成本低，工藝簡(jiǎn)單；當(dāng)然其缺點(diǎn)就是其功率密度與轉(zhuǎn)矩密度要低于永磁同步電機(jī)。而特斯拉ModelS為何選用異步電機(jī)而不是永磁同步電機(jī)，除了控制成本這個(gè)主要原因之外，較大的ModelS車(chē)體能夠有足夠空間放的下相對(duì)大一點(diǎn)的異步電機(jī)，也是一個(gè)很重要的因素。
永磁同步電動(dòng)機(jī)怎樣產(chǎn)生動(dòng)力？
在交流異步電動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的形成要分兩步走：第一步是定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)先在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出電流;第二步是感應(yīng)電流再產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)。在楞次定律的作用下，轉(zhuǎn)子跟隨定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)，但又“永遠(yuǎn)追不上”，因此才稱(chēng)其為異步電動(dòng)機(jī)。如果轉(zhuǎn)子繞組中的電流不是由定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)感應(yīng)的，而是自己產(chǎn)生的，則轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)無(wú)關(guān)，而且其磁極方向是固定的，那么根據(jù)同性相斥、異性相吸的原理，定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就會(huì)拉動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并且使轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)及轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)“同步”旋轉(zhuǎn)。這就是同步電動(dòng)機(jī)的工作原理。
根據(jù)轉(zhuǎn)子自生磁場(chǎng)產(chǎn)生方式的不同，又可以將同步電動(dòng)機(jī)分為兩種：
一是將轉(zhuǎn)子繞組通上外接直流電（勵(lì)磁電流），然后由勵(lì)磁電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，進(jìn)而使轉(zhuǎn)子與定子磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)。這種由勵(lì)磁電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的同步電動(dòng)機(jī)稱(chēng)為勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)。
二是干脆在轉(zhuǎn)子上嵌上永久磁體，直接產(chǎn)生磁場(chǎng)，省去了勵(lì)磁電流或感應(yīng)電流的環(huán)節(jié)。
展開(kāi) 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)？
具體可以看下面的圖：
同步/異步電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)？
還是先聊同步電機(jī)，它的優(yōu)點(diǎn)很明顯，在同樣的重量和體積下，永磁同步電機(jī)能輸出更高的功率和扭矩。同理，在相同的功率和扭矩情況下，它的重量和體積小，為另一個(gè)極為重要的部件動(dòng)力電池留出足夠的空間和質(zhì)量。此外，永磁同步電機(jī)還擁有噪音較小的特點(diǎn)。
至于缺點(diǎn)，前面我說(shuō)過(guò)，永磁體依賴(lài)稀土，如果想要大的功率，就要大塊的永磁體，造價(jià)高；而且雖然叫“永磁”，但它在高溫之類(lèi)的惡劣環(huán)境下容易退磁。
至于異步電機(jī)，成本十分低廉，工藝簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維修方便等特點(diǎn)，能夠在復(fù)雜的工作環(huán)境中工作，也對(duì)周?chē)ぷ鳒囟鹊拇蠓茸兓斜容^強(qiáng)的適應(yīng)能力。
但在同樣的功率和扭矩下，異步電機(jī)所需要的體積和重量要遠(yuǎn)大于永磁同步電機(jī)。
特斯拉為啥喜歡用異步電機(jī)？
其實(shí)不光是特斯拉，很多歐洲品牌的電動(dòng)車(chē)都喜歡用異步電機(jī)，比如寶馬i3，但中國(guó)和日本品牌卻不是這樣，對(duì)于永磁同步電機(jī)還是愛(ài)的深沉的。
至于特斯拉等國(guó)外品牌放棄優(yōu)勢(shì)明顯的同步電機(jī)的原因，目前有幾種推論，一是異步電機(jī)更能適應(yīng)惡劣的環(huán)境，而特斯拉這種定位較高的車(chē)型可能會(huì)比家用車(chē)更多的經(jīng)歷激烈駕駛等狀況，那么異步電機(jī)不易退磁的特性就非常它們契合了。
第二個(gè)是永磁同步電機(jī)的核心材料稀土的問(wèn)題，對(duì)于我國(guó)和日本而言，我國(guó)擁有不錯(cuò)的稀土資源，，日本則是稀土產(chǎn)業(yè)的大國(guó)，世界銷(xiāo)量前三的釹鐵硼公司：住友特殊金屬公司、新越化學(xué)實(shí)業(yè)公司和TDK集團(tuán)都是日本公司，實(shí)力可見(jiàn)一斑。歐美國(guó)家可能就無(wú)法隨心所欲的使用稀土材料了。
展開(kāi) 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(mǎn)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(guò)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(lèi)型有繞組斷線(xiàn)、繞組過(guò)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(lái)說(shuō)，電機(jī)故障種類(lèi)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(xiàn)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(guò)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(kāi) 電機(jī)設(shè)計(jì)及電機(jī)仿真APP系列之——高速永磁同步電機(jī)仿真APP介紹
電機(jī)的各種工作狀態(tài)和參數(shù)變化。用戶(hù)可通過(guò)調(diào)整仿真參數(shù)，快速得到電機(jī)的響應(yīng)和性能參數(shù)，從而進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化和改進(jìn)。借助仿真APP，可大大減少電機(jī)設(shè)計(jì)迭代次數(shù)和成本，提高測(cè)試效率和準(zhǔn)確性。
對(duì)了，此APP非彼APP，不用下載安裝，直接瀏覽器（手機(jī)也可以）打開(kāi)，調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)（定轉(zhuǎn)子、定子槽尺寸等）就可以在線(xiàn)云端計(jì)算，非常方便哦。如果不符合要求，還可以個(gè)性化定制，資深電機(jī)設(shè)計(jì)仿真工程師幫你搞定。
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高速永磁同步電機(jī)作為一種先進(jìn)的電機(jī)技術(shù)，它具有高轉(zhuǎn)速、高效率、高功率密度等顯著特點(diǎn)。被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、新能源汽車(chē)、航空航天、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)需求的不斷增加，其性能將不斷優(yōu)化和提升，為各行各業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持。
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參數(shù)設(shè)置
仿真APP計(jì)算結(jié)果展示（部分）
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展開(kāi) 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
之前的幾篇已經(jīng)討論了永磁同步電機(jī)、逆變器、旋轉(zhuǎn)變壓器和許多與實(shí)時(shí)仿真相關(guān)的話(huà)題；至此，所有關(guān)于永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中的被控對(duì)象模型就都已經(jīng)討論完畢了。下面就開(kāi)始討論控制器模型。
關(guān)于整個(gè)系統(tǒng)文章的內(nèi)容請(qǐng)參考第一篇文章：
永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真系列文章——永磁同步電機(jī)模型（1）
這一篇主要討論多速率仿真、同步和異步、永磁同步電機(jī)控制器模型概述。
多速率仿真
通常情況下，在Simulink環(huán)境下搭建的電力電子控制系統(tǒng)的仿真模型，都是多速率的仿真模型。
新能源汽車(chē)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(chē)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(chē)市場(chǎng)，且市場(chǎng)占有率逐漸上升。電動(dòng)汽車(chē)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(guò)優(yōu)化電機(jī)功率密度，不僅滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(lái)風(fēng)摩損耗過(guò)高、軸承潤(rùn)滑及壽命、噪聲等問(wèn)題，因此通過(guò)提高轉(zhuǎn)矩密度來(lái)提高功率密度成為很多廠(chǎng)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(guò)E-mag模塊進(jìn)行電磁熱耦合分析。電機(jī)參數(shù)見(jiàn)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(xiàn)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(chēng)，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(xiàn)上，磁力線(xiàn)垂直穿過(guò)，極間幾何中心線(xiàn)法線(xiàn)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。
展開(kāi) 
【干貨】純電動(dòng)汽車(chē)永磁同步電機(jī)引起車(chē)內(nèi)嘯叫的分析及優(yōu)化！
摘 要：純電動(dòng)汽車(chē)永磁同步電機(jī)是影響整車(chē)的NVH性能主要激勵(lì)源之一，通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子的分析與優(yōu)化，能有效降低電機(jī)諧頻激勵(lì)，減小電機(jī)振動(dòng)，從而提高整車(chē)NVH舒適性。文章以一款純電動(dòng)車(chē)型為例，重點(diǎn)講述通過(guò)測(cè)試排查減速能量回收車(chē)內(nèi)嘯叫問(wèn)題，確認(rèn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)24階、48階激勵(lì)通過(guò)結(jié)構(gòu)和空氣傳遞到車(chē)內(nèi)，引起車(chē)內(nèi)中高頻嘯叫聲，最終優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子繞組得以改善，達(dá)到優(yōu)化車(chē)內(nèi)噪聲的目的，為純電動(dòng)汽車(chē)NVH性能開(kāi)發(fā)和優(yōu)化提供參考與借鑒。
關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車(chē)；驅(qū)動(dòng)電機(jī)；能量回收；嘯叫
前言
隨著世界環(huán)境問(wèn)題嚴(yán)峻化、國(guó)內(nèi)汽車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格化，新能源電動(dòng)汽車(chē)作為一種使用電能作為驅(qū)動(dòng)能源的現(xiàn)代交通工具，將作為全球汽車(chē)工業(yè)當(dāng)前和未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。純電動(dòng)汽車(chē)使用電機(jī)作為動(dòng)力源，是驅(qū)動(dòng)整車(chē)行駛的核心部件。而永磁同步電機(jī)[1]（PMSM）因具有高功率密度、高效率、良好的轉(zhuǎn)矩特性，以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、噪聲振動(dòng)低等特點(diǎn)，是目前純電動(dòng)汽車(chē)的主流選擇。驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)[2-3]將直接影響到車(chē)內(nèi)噪聲振動(dòng)舒適性。本文以某純電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中在減速能量回收工況車(chē)內(nèi)電磁嘯叫聲的優(yōu)化過(guò)程為例，考慮了驅(qū)動(dòng)電機(jī)高階諧頻激勵(lì)對(duì)整車(chē)NVH性能的影響，并對(duì)電機(jī)定子繞組進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到消除車(chē)內(nèi)高頻嘯叫聲的目的，旨在為純電動(dòng)汽車(chē)NVH性能開(kāi)發(fā)和優(yōu)化提供參考與借鑒。
1 問(wèn)題描述
該純電動(dòng)車(chē)型搭載的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包含永磁同步電機(jī)、單速比減速器以及三合一控制器，布置方式采用前置前驅(qū)，電機(jī)轉(zhuǎn)子為8磁極V型，定子為48槽單層繞組結(jié)構(gòu)。在減速能量回收工況，電機(jī)轉(zhuǎn)速由3500rpm（轉(zhuǎn)/分鐘）降到1300rpm期間，主觀(guān)評(píng)價(jià)車(chē)內(nèi)有明顯高頻嘯叫聲。對(duì)該工況下車(chē)內(nèi)噪聲進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖1-2所示。
展開(kāi) 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(shuō)了電刷會(huì)磨損甚至起火花，所以現(xiàn)在大多數(shù)汽車(chē)用的都是無(wú)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(wú)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(wèn)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(xiàn)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(shuō)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(chēng)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。
展開(kāi) 永磁同步電機(jī)降階模型抽取和矢量控制算法仿真
永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型
7 總結(jié)
通過(guò)對(duì)永磁同步電機(jī)降階模型抽取得到數(shù)據(jù)表，等效抽取的結(jié)果是基于有限元計(jì)算得到的，在控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真過(guò)程中只需通過(guò)查表的方法就能快速得到電機(jī)得性能，既保證了精度又保證了速度。在控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真過(guò)程中具有重要的意義。同時(shí)將電機(jī)模型與控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性聯(lián)合仿真將有助于提高仿真準(zhǔn)確度，為進(jìn)一步優(yōu)化電機(jī)本體及控制器策略提供了重要的參考意義。
考慮溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的永磁同步電機(jī)折返型冷卻水道設(shè)計(jì)
0 引言
永磁同步電機(jī)因具有功率密度高、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，成為新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的首選。隨著電機(jī)容量的不斷增加及其小型化和輕量化的發(fā)展，再加上新能源汽車(chē)用永磁同步電機(jī)的密閉式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行時(shí)散熱環(huán)境惡劣，電機(jī)溫升過(guò)高，成為制約新能源汽車(chē)用永磁同步電機(jī)向高功率密度、高效率發(fā)展的重要因素。
新能源汽車(chē)用永磁同步電機(jī)大都采用水冷方式對(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻，冷卻水道布置在機(jī)殼內(nèi)部，通過(guò)機(jī)殼內(nèi)部水道中的循環(huán)冷卻介質(zhì)帶走熱量，從而控制電機(jī)溫升。目前，新能源汽車(chē)用永磁同步電機(jī)冷卻水道的結(jié)構(gòu)主要有折返型和軸向螺旋型兩種。軸向螺旋型水道的水路平順，水道壓降小，但由于冷卻介質(zhì)從電機(jī)一端流入另一端流出，電機(jī)兩端的溫度梯度較大，不利于對(duì)電機(jī)整體的溫升控制。折返型水道的水路呈迷宮狀，不會(huì)在電機(jī)兩端產(chǎn)生溫度梯度，同時(shí)入水口與出水口可布置在電機(jī)同一端，方便水冷系統(tǒng)的布置，因而被廣泛應(yīng)用。
現(xiàn)有研究多采用基于積分形式守恒方程的有限體積法對(duì)電機(jī)的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)進(jìn)行仿真，從而研究電機(jī)的溫升，但并未對(duì)永磁同步電機(jī)常用的折返型水道的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行細(xì)化研究，對(duì)折返型水道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流體流動(dòng)特性、水道壓降以及電機(jī)溫升變化的影響的研究也還不夠深入。
本文對(duì)一臺(tái)額定功率68 kW的永磁同步電機(jī)的折返型水道結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。建立電機(jī)流-固耦合有限元模型，對(duì)電機(jī)溫度場(chǎng)、水道流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，并通過(guò)電機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的正確性。進(jìn)而通過(guò)仿真模型分析了水道內(nèi)冷卻水的流動(dòng)特性，綜合考慮分析入水口水道寬度與水道圓角半徑對(duì)水道壓降的影響，據(jù)此得到水道結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)低溫升的設(shè)計(jì)目標(biāo)，最后進(jìn)行電機(jī)溫升與水道壓降實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
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