同步磁阻電機
關注創建者：匿名 創建時間：2021-10-09
同步磁阻電機的視頻教程
什么是交流異步電機、永磁同步電機？
什么是交流異步電機、永磁同步電機？原來這么簡單—新能源電動汽車。 介紹了交流異步電機、永磁同步電機的工作原理與結構，定子旋轉磁場、轉子磁場的產生機理，以及永磁同步電機的優點。
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同步磁阻電機的實例教程
來源：杭州易泰達科技 作者：朱彤華
引言
近年由于稀土磁鋼的價格大幅度波動，在很大程度上影響了稀土永磁同步電機的推廣應用。通常，稀土磁鋼的價格占電機總價格的 20% 左右，減少甚至消除這部分成本能顯著降低電機的成本。另一方面，由于其他類型的電機，如直流電機，開關磁阻電機，感應電機等在控制上都有不同的弱點，難以取代同步電機在工業上的應用，因此，研發不使用稀土磁鋼的同步電機就提上了議事日程。
同步磁阻電機的結構特點
同步磁阻電機不使用稀土磁鋼，可以看成是永磁同步電機的一個特例，從永磁同步電機的轉矩公式可以看出：
te=p[ψf iq+(Ld-Lq)id iq ]
前一項是永磁轉矩， 后一項是磁阻轉矩，而同步磁阻電機是僅利用磁阻轉矩的電機， 其轉矩公式就是 :
te=p[(Ld-Lq)id iq ]
同步磁阻電機的定子結構和永磁同步電機的一樣，而轉子結構比較特殊，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，又由于電機內的磁場需要由定子電流產生，所以電機必須使用盡可能小的氣隙，減少勵磁電流，提高功率因數；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，因此經過分析，需要使用多層磁障的轉子結構來設計同步磁阻電機。
同步磁阻電機的控制及性能特點
同步磁阻電機可以采用多種控制方式，DTC 直接轉矩控制是其中的一種。DTC 是以電機的轉矩為控制目標，在控制中不使用計算量大的矢量變換，所以控制速度快， 對控制器 MCU 的要求低，動態性能好，同時對電機參數的敏感性降低，控制可靠性提高。
展開 同步磁阻電機是一種同步電動機，其轉矩是由于轉子的正交軸和直軸的磁導率（磁導率）不等而產生的，它沒有勵磁繞組或永磁體 。
同步磁阻電機的構造
磁阻電機的定子可以是分布式和集中式繞組，由框架和帶繞組的鐵芯組成。
同步磁阻電機
分布式繞組同步磁阻電機定子
磁阻電機的轉子分為三種主要類型：凸極轉子、軸向疊片轉子和橫向疊片轉子。
帶凸極轉子
軸向疊片轉子
橫向疊片轉子
同步磁阻電機的工作原理
通過定子繞組的交流電在電動機的氣隙中產生旋轉磁場。當轉子試圖通過施加的磁場建立其最具導磁性的軸（d 軸）以最小化磁路中的磁阻（磁阻）時，會產生扭矩。轉矩的幅度與直接 Ld 和正交 Lq 電感之間的差值成正比。因此，差異越大，產生的扭矩就越大。
同步電機的磁場線
可以借助下圖解釋主要思想。由各向異性材料組成的物體“a”沿d軸和q軸具有不同的電導率，而物體“b”的各向同性磁性材料在所有方向上具有相同的電導率。如果 d 軸和磁場線之間存在角度，則施加到各向異性物體“a”的磁場會產生扭矩。顯然，如果物體“a”的 d 軸與磁場線不重合，物體就會在磁場中引入畸變。在這種情況下，扭曲磁力線的方向將與物體的 q 軸重合。
在磁場中具有各向異性幾何形狀 (a) 和各向同性幾何形狀 (b) 的物體
具有各向異性幾何形狀的物體周圍的磁場線
在同步磁阻電機中，磁場由正弦分布的定子繞組產生。磁場以同步速度旋轉，可視為正弦曲線。在這種情況下，總會有一個扭矩旨在通過減少沿 q 軸的場失真（δ→0）來降低整個系統的勢能。如果角度δ保持不變，例如通過控制磁場，那么電磁能將不斷地轉化為機械能。定子電流負責磁化并產生試圖減少磁場失真的轉矩。
展開 3.2.2 電勵磁同步電機與同步磁阻電機區別：
1) 轉子結構不同，電勵磁是繞組線圈產生磁場；而磁阻同步電機的轉子沒有任何稀土和繞組，只有硅鋼片鐵芯。
2) 原理上類似，只是磁阻同步電機完全依靠磁阻轉矩產生扭轉的驅動力矩，能量來源于定子繞組產生的旋轉磁場，根據磁場能力（磁力線）總是盡力流過磁阻小的轉子磁路路徑，對應的在轉子中產生了同等極數的旋轉磁場，伴著定子旋轉磁場同步轉動，實現電能到機械能的轉化。
3.2.3 電機剖視圖、磁化曲線磁路圖。
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3.2.4 磁阻同步電機有其先天的劣勢：轉矩脈動大、影響NVH效果。如下圖是轉矩脈動示意圖。徑向磁拉力波動較大；這些需要通過幾何形狀優化，控制器控制策略優化，更好地降低轉矩脈動。
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四、電機結構介紹
4.1電勵磁同步電機: ZOE
1) 殼體：外鋁殼、內水道鋁殼
2) 主要零部件：定子、轉子、軸承、旋變器、溫度傳感器
3) 其他：漆包線、軸 、轉子鐵芯總成、集電環、電刷等等
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4.2 電勵磁同步電機: BMW IX3
1) 殼體：外鋁殼、內水道鋁殼
2) 主要部件：定子、轉子、軸承、旋變器、溫度傳感器
3) 其他：漆包線、軸、轉子鐵芯總成、集電環、電刷等等
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400Nm、 210kW、5075rpm，綜合效率大約 93%, 功率密度提高30%多。
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BMW IX3 繞線轉子, 6極、單齒集中繞組繞線，槽口很寬是為了繞線針進入槽中，上下來回繞線。
展開 本文以一臺實際使用的電動汽車用52 kW永磁同步電機為研究目標，針對由鐵氧體和釹鐵硼兩種永磁材料組成的混合式永磁同步電機的轉子磁路結構開展了相關研究。采用有限元方法，側重對比分析了“U”形、“C”形磁障結構下，不同磁障結構參數對電機輸出轉矩能力的影響。結合電動汽車驅動電機的性能要求，對比“C”+“一”、“C”+“V”等形式的磁路結構，得出雙層“C”+“V”形式的轉子磁路結構，混合使用鐵氧體和釹鐵硼兩種磁材，可以在基本滿足當前汽車驅動電機使用要求的情況下，明顯降低電機成本。
1 磁阻轉矩對電機性能的影響分析
通過電機學的原理性分析，可得到永磁同步電機在d,q,o坐標系下的轉矩表達式：
Tem=pψfiq+p(Ld-Lq)idiq
(1)
由式(1)可見，永磁同步電機的輸出轉矩有兩個分量:第一個分量是電機的永磁轉矩Tm，表征了電機永磁體勵磁磁鏈所產生的轉矩；第二個分量為電機的磁阻轉矩Tr，表征了因電機交直軸磁路結構不對稱所產生的轉矩。
對于永磁磁阻電機，增加多層磁障后，電機交直軸的磁阻將隨之改變，也就是電機的凸極率隨之改變，進而影響電機的磁阻轉矩占比。需要注意的是當交直軸電感的差值改變，而不是單純增加直軸電感或者減少交軸電感時，磁阻轉矩值才會改變。而電機的功率因數也將隨著交軸電感與直軸電感比值的增大而增大。
由式(1)的分析還可知，在保證電機輸出轉矩不變的情況下，如果通過改變電機磁路結構，來提升電機磁阻轉矩的比例，可以相應地降低永磁轉矩的比例，即減少電機永磁體用量。在保證電機轉矩密度不變的情況下，減少永磁體用量，提升磁阻轉矩在總輸出轉矩中的占比，并確保電機性能及退磁特性滿足電動汽車使用要求，即為本文研究的目標。
圖1展示了永磁磁阻電機的典型結構。
展開 與開關磁阻電機相比，同步磁阻電機在轉矩脈動、振動噪聲方面占據優勢，但其驅動電路需采用六橋臂逆變器，使同步磁阻電機控制成本更高、難度更大；在轉矩密度、效率及功率因數方面，同步磁阻電機較永磁同步電機存在差距；轉矩脈動過大問題也是限制同步磁阻電機在電動車驅動系統中應用的重要因素。
永磁磁阻電機是同步磁阻電機的一種改進形式。由于其轉矩密度和功率密度高、凸極比大、調速性能優異、效率高，且使用較少永磁體材料，成本低廉，近年來被廣泛應用于包含電動汽車在內的各個領域中。但永磁磁阻電機同樣存在轉矩脈動過大的問題。
至此，針對目前電動車用電機的稀土永磁成本過高的問題，本文提出了一種新型永磁磁阻電機，采用釹鐵硼和鐵氧體混合式磁鋼轉子結構。基于有限元仿真軟件JMAG，重點分析研究了新型永磁磁阻電機與原全釹鐵硼永磁同步電機在額定點轉矩、磁阻轉矩和凸極比上的差異。針對新型電機反電動勢諧波含量過高、轉矩脈動過大和轉矩輸出能力不足的問題，進一步提出一種切向混合式磁鋼轉子結構，分析優化了切向混合磁鋼比例和位置參數。最終得到的新型永磁磁阻電機同時具有較高輸出轉矩、低轉矩脈動、高凸極比和低廉的成本。
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這種電機結合了同步磁阻電機和內部永磁電機的優點，能夠在低速和高速應用中實現更理想的特性。</p><p>該電機通過在同步磁阻電機轉子結構中加入永磁體，提高了電機的功率因數，從而降低了電機定子的歐姆損耗。這種設計不僅提高了電機的效率，還降低了成本。
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電磁計算分析能夠準確預測開關磁阻電機的各項性能參數，如轉矩、轉速、效率、功率因數等。這些性能參數是電機設計和選型的重要依據。通過電磁計算分析
永磁電機的主動短路（Active Short Circuit，ASC）是一種控制策略，用于在特定情況下快速制動電機，并限制電機的回饋電壓。ASC通過將電機的三相繞組短路來實現制動操作。本文介紹了如何在Ansys Maxwell中實現永磁同步電機穩態及瞬態ASC主動短路仿真。
目錄
永磁同步電機ASC介紹
穩態ASC仿真
瞬態ASC仿真
ASC工況下的永磁體退磁分析
簡化設計流程，探索最新多體動力學建模分析平臺
新界面新體驗，簡化建模流程
全新的車輛模型庫和建模工具
擴展的專業工具箱
李臣熹
Altair 電磁應用工程師
▉ 主講題目：
引領創新，Altair 電機設計與電磁優化再升級
永磁同步電機與磁阻電機新增分析工具及
軸向磁通永磁同步電機仿真分析
01
案例背景
軸向磁通永磁同步電機也稱盤式永磁電機，因其圓盤式的結構，加大了磁場作用面積，使得效率更高，大多呈現直徑較大，軸向尺寸很薄的特點，應用在電梯領域、商用車公交車領域、工程機械領域、發電機組領域、增程器領域、軍工及航空航天領域等等。
02
案例功能特點
