勵磁同步電機的案例
直流勵磁同步電機和磁阻電機在新能源汽車中的應用
一、電機分類
目前車輛上常用的驅動電機種類有異步感應電機IM和永磁同步電機PMSM，其中中國市場以永磁電機為主。
業內今年新增加一個種類是BMW IX3的電勵磁同步電機，在寶馬沈陽工廠開始了批量生產，似乎誘惑了很多工程師，并且成了很多銷售人士的賣點。當然，電勵磁同步電機也不是新發明，雷諾ZOE就采用了電勵磁同步電機，只是沒有普及開來。
電勵磁同步電機的原理已經公開很久了，在工業電機產品領域也有很多應用，只是電動汽車這個領域剛剛有批量使用的案例。
但是這個并不新鮮的技術并不代表電勵磁同步電機沒有門檻、可以隨意任性設計和量產，在設計和制造技術上還是有很多挑戰，需要新的技術和不斷的嘗試。
2020年驅動視界白皮書中介紹了永磁同步電機PMSM和異步感應電機IM，這里就不做重復，這篇文章重點介紹電勵磁同步電機及其歐美研究中的磁阻電機等內容。
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表1：各種類型驅動電機性能對比
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以上對比的假設前提條件是驅動電機功率和扭矩相同，也就是在電機電氣性能一致的基礎上對比各項指標差異，△數量多少代表優劣，由于磁阻電機還沒有量產應用，數據只是單純意義上對比和參照。
至于采用什么種類的電機，各個國家和各個公司都有自己的設計方案，沒有絕對的好壞區別，更沒有正確錯誤之分，需要綜合考量以及SWOT分析結果，適合自己的才是最好的。
之所以不同國家和不同公司選取了不同類型的驅動電機，原因很多：
1) 國家資源分布的差異，如歐美國家稀土相對稀缺，而中國的儲量相對多些，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，增加高附加值環節的控制。
2) 各個公司產品布局的差異和整體設計的需求，以及改型換代、迭代的差異。
展開 電磁仿真設計RMxprt-6p72s電勵磁凸極同步電機
電機設計青年
仿真xiu專欄作者
電勵磁凸極同步電機即可作為電動機運行，也可作為發電機運行，其應用場合非常廣泛。在定子鐵芯上嵌放有三相電樞繞組，可使用扁導線也可使用圓導線，轉子鐵芯采用凸極結構，每個磁極上放置有勵磁繞組，與內置式永磁同步電機不同，電勵磁凸極同步電機的D軸磁路磁導率大于Q軸磁路磁導率，使得其D軸電感大于Q電感。本文采用RMxprt模塊，詳細說明其設計過程，如有不當歡迎批評指正。
新功能 | 解鎖Ansys Maxwell 2021 R1新版功能要點
多相電機的map圖計算
新版本中支持2~7相永磁電機，感應電機，同步磁阻電機和繞線轉子同步電機和2~8相的開關磁阻電機的map圖的計算。對于除開關磁阻電機以外的所有電機類型，用戶都可以使用命令行指定每個繞組的相移，建議第一個相移輸入“ 0”。
3. 同步磁阻電機Map計算
同步磁阻電機計算方式與永磁同步電機一樣，掃描變量為相電流的有效值、gamma角和轉速。支持周期性和半周期性TDM。出于穩定性考慮，在電動機模式下，gamma范圍為（45°~90°），在發電機模式下，gamma角范圍為（90°~135°）。
4. 開關磁阻電機Map計算
開關磁阻電機掃描變量是電流、gamma角和轉速。Toolkit目前支持2~8相的開關磁阻電機。用戶需要在ACT中輸入定子相數、轉子極數、電流、滯環控制下的導通寬度等參數。
5. 電勵磁同步電機Map計算
電勵磁同步電機掃描變量為定子電流、gamma角、轉速和勵磁電流。四個變量都掃描的話會導致計算時間非常長。改進的方法是在ACT腳本內部取消轉速掃描，以最大轉速的一半進行仿真，并用這個結果評估其他轉速下的結果。支持周期性和半周期性TDM計算。
6. 求解速度提升
新版本中ACT新增取消轉速掃描的功能，當使用該功能時軟件僅仿真參考轉速（最大轉速的一半），其他轉速下的性能將根據參考速度的仿真結果進行推導，取消轉速掃描后大大減少了仿真時間，提高仿真效率。該功能適用于永磁同步電機和同步磁阻電機。
7. 定轉子鐵耗分離
新版本中ACT新增定子和轉子鐵損分離的功能。
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多相電機的map圖計算
新版本中支持2~7相永磁電機，感應電機，同步磁阻電機和繞線轉子同步電機和2~8相的開關磁阻電機的map圖的計算。對于除開關磁阻電機以外的所有電機類型，用戶都可以使用命令行指定每個繞組的相移，建議第一個相移輸入“ 0”。
3. 同步磁阻電機Map計算
同步磁阻電機計算方式與永磁同步電機一樣，掃描變量為相電流的有效值、gamma角和轉速。支持周期性和半周期性TDM。出于穩定性考慮，在電動機模式下，gamma范圍為（45°~90°），在發電機模式下，gamma角范圍為（90°~135°）。
4. 開關磁阻電機Map計算
開關磁阻電機掃描變量是電流、gamma角和轉速。Toolkit目前支持2~8相的開關磁阻電機。用戶需要在ACT中輸入定子相數、轉子極數、電流、滯環控制下的導通寬度等參數。
5. 電勵磁同步電機Map計算
電勵磁同步電機掃描變量為定子電流、gamma角、轉速和勵磁電流。四個變量都掃描的話會導致計算時間非常長。改進的方法是在ACT腳本內部取消轉速掃描，以最大轉速的一半進行仿真，并用這個結果評估其他轉速下的結果。支持周期性和半周期性TDM計算。
6. 求解速度提升
新版本中ACT新增取消轉速掃描的功能，當使用該功能時軟件僅仿真參考轉速（最大轉速的一半），其他轉速下的性能將根據參考速度的仿真結果進行推導，取消轉速掃描后大大減少了仿真時間，提高仿真效率。該功能適用于永磁同步電機和同步磁阻電機。
7. 定轉子鐵耗分離
新版本中ACT新增定子和轉子鐵損分離的功能。
展開 
【討論】永磁同步電機相對于永磁直流電機好在哪，為什么現在的電動汽車都采用同步電機？
永磁同步電機是定子勵磁，不需要碳刷。而且控制自由度更高，同時控制相位和電壓，啟動性能很好。反過來傳統直流永磁電機是轉子勵磁，需要碳刷給轉子供電。而且控制只能控制電壓，適應性差。
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對于除開關磁阻電機以外的所有電機類型，用戶都可以使用命令行指定每個繞組的相移，建議第一個相移輸入“ 0”。
3. 同步磁阻電機Map計算
同步磁阻電機計算方式與永磁同步電機一樣，掃描變量為相電流的有效值、gamma角和轉速。支持周期性和半周期性TDM。出于穩定性考慮，在電動機模式下，gamma范圍為（45°~90°），在發電機模式下，gamma角范圍為（90°~135°）。
4. 開關磁阻電機Map計算
開關磁阻電機掃描變量是電流、gamma角和轉速。Toolkit目前支持2~8相的開關磁阻電機。用戶需要在ACT中輸入定子相數、轉子極數、電流、滯環控制下的導通寬度等參數。
5. 電勵磁同步電機Map計算
電勵磁同步電機掃描變量為定子電流、gamma角、轉速和勵磁電流。四個變量都掃描的話會導致計算時間非常長。改進的方法是在ACT腳本內部取消轉速掃描，以最大轉速的一半進行仿真，并用這個結果評估其他轉速下的結果。支持周期性和半周期性TDM計算。
6. 求解速度提升
新版本中ACT新增取消轉速掃描的功能，當使用該功能時軟件僅仿真參考轉速（最大轉速的一半），其他轉速下的性能將根據參考速度的仿真結果進行推導，取消轉速掃描后大大減少了仿真時間，提高仿真效率。該功能適用于永磁同步電機和同步磁阻電機。
7. 定轉子鐵耗分離
新版本中ACT新增定子和轉子鐵損分離的功能。當使用該功能時軟件分別識別定子和轉子中需要計算鐵心損耗的部件，并最終輸出兩張Map圖，分別顯示定子和轉子鐵心損耗。
展開 Magneforce在電機電磁分析中層的應用
Magneforce在電機電磁分析中層的應用
電機電磁分析是在電機初步設計方案的基礎上，利用電磁場有限元分析技術，對電機的電磁參數、特性曲線、損耗分布等多種電機參數進行精確分析的的計算方法。相比于傳統磁路法，有限元分析在各種電感和漏感的求解，永磁體的處理，鐵芯損耗的計算等多方面有顯著優勢。但是，單純使用電機有限元分析技術設計旋轉電機時，由轉子造成的氣隙網格畸變是最棘手的問題。為了解決氣隙網格畸變的問題又提出了場路相結合的分析方法，最典型的是場路相耦合的時步有限元法。時步有限元法將電機內部電磁場有限元方程、外電路方程和機械運動方程相結合，模擬轉子的實際運動，從而求出各個電磁參量隨時間的變化關系。該方法能充分考慮鐵磁材料的局限性，齒槽區域邊界的曲折性和材料分布的復雜性，是目前最為理想的電機設計方法之一。
有限元在線使用基于時步有限元法的Magneforce軟件進行電機設計和電磁分析。涉及電機種類包括感應電機、電勵磁同步電機、永磁同步電機、直流無刷電機、有刷直流電機、磁阻電機等主要類型。
典型問題的處理:
1、
在做電機電磁分析時最頭痛的問題莫過于繁瑣的前后有限元處理過程而我們采用的Magneforce軟件采用全自動的前后有限元前后處理以及參數化的建模方式，大大降低了分析的難度，縮短了分析的時間，提高了電機設計的效率。詳細資料請看Magneforce軟件介紹。
展開 關于永磁同步電機的10個知識 附永磁同步電機三個關聯參數轉矩系數Kt、反電勢系數Ke、磁鏈Phi之間
采用永磁同步電機因其自身結構緊湊，功能齊全，集曳引電機、曳引輪、電磁制動器、光電編碼器于一身，易于安裝，便于使用，使得其在行業內近十年來大展身手、普遍開來。特別是在無機房電梯的開發應用中，將永磁同步曳引電機安裝在電梯的井道里，既節約了機房的建造成本，又美化了建筑物外觀。當電梯負載變化時，永磁同步電機通過調節夾角來適應，其響應速度很快。
為了使電梯有良好的起、制動舒適性和平層準確度，在系統中加入了準確的轉子位置裝置和電壓電流檢測裝置，隨時確定電機磁場的大小、方向。位置檢測裝置采用轉子位置傳感器（光電編碼器或旋轉變壓器等）。轎廂負載檢測裝置可采用位置型、壓力型等多種形式，對電梯負載進行預先測量并計算，給出恰當方向和大小的力矩，可輸出開關量、模擬量（電壓）和頻率量（高頻抗干擾性強，能遠距離傳送）等。
永磁同步電機，準確的講，應該叫異步起動同步運轉的永磁電機。這種電機，使用中可以同尺寸代替原來的Y,Y2,Y3等電機。減少了更換過程的麻煩。與普通電機相比，永磁電機有其自己的特點：
1、轉速恒定，為同步轉速。轉速較普通電機稍高，比如普通電機4極轉速為1400n/min多轉，永磁同步電機轉速就是1500n/min，丟轉少。
2、功率因數高。永磁電機在正常運轉時，轉子轉速和定子磁場轉速一致，轉子磁極采用永磁磁鋼，沒有電流，定子上感應電流減小，因此功率因數高。可以通過合理的設計，可使其工作在滯后功率因數、單位功率因數和超前功率因數。一般滯后功率因數都可以達到和超過0.95，大量使用永磁電機，可以省去無功功率補償器等設備。
3、效率高，特別是運行效率高。永磁電機正常運轉時，由于轉子磁極采用永磁體--釹鐵硼磁鋼，靠永磁體的磁場就可以保證電機的正常運轉，因此轉子也就沒有繞組損耗。轉子鐵耗也沒有，因此效率較普通電機高的多。
展開 ANSYS 低頻軟件常見問題與解答
問題描述：圖中為電勵磁同步電機轉子沖片示意圖，紅線代表充磁方向，其中額部沿圓周方向充磁，磁極部分為圖示方向充磁。
解決方法
要統一定義充磁方向有難度，在邏輯上把轉子沖片分為8個部分（以類似的例子示例），不同部分賦予的材料名稱相同，但是充磁方向定義不同（以兩個不同的充磁方向為例）。
最終得到需要的充磁結果
1.1.3. 如何設置Halbach充磁方式？
打開永磁體材料編輯創建窗口
★ 修改坐標系為 Cylindrical,如1所示
★ 修改材料屬性，如2所示，此處p為極對數
Unit Vector R: COS(p*PHI)
Unit Vector Phi: -SIN(p*PHI)
1.1.4. 如何對磁滯材料建模？
方法一
★ 步驟一：輸入材料的起始磁化曲線
★ 步驟二：設置材料磁化屬性
★ 步驟三：添加材料的磁化曲線
方法二
★ 步驟二：輸入模型的初始退磁曲線
★ 步驟三：添加模型的退磁曲線
1.1.5. 如何Maxwell中把自定義材料生成庫文件?
Maxwell中可以自定義材料，并生成庫文件后可以供其它用戶使用。
打開Maxwell界面，點擊菜單Tools>Edit Configured Libraries>Materials，再點擊選項Add Material
填寫自定義材料名字，并輸入材料參數，點擊ok
展開 電動汽車直流電機的勵磁方式分為他勵和自勵，有什么區別嗎？
電動汽車直流電機的勵磁方式：由直流電機的工作原理和結構可知，由主磁極的勵磁磁動勢單獨建立的磁場是電機的主磁場，有時也稱為勵磁磁場。
勵磁方式是指勵磁繞組的供電、產生勵磁磁動勢而建立主磁場的方式。根據勵磁方式的不同，直流電機可以分為他勵和自勵兩類。
他勵
他勵電機的勵磁繞組與轉子電樞的電源分開，他勵直流電機能夠通過分別控制它的勵磁電流If和電樞電流Ia，來實現對他勵直流電機的控制。
他勵直流電機具有線性特性和穩定輸出特性，可以擴大其調速范圍，能夠實現在減速和制動時的再生制動，回收一部分能量。由其他直流電源單獨供給，而與電樞繞組無連接關系。
自勵
自勵直流電機的勵磁電流由自身供給，根據勵磁繞組與電樞繞組的連接關系，又可以分為并勵、串勵和復勵三種。
（1）并勵 勵磁繞組與電樞繞組并聯，勵磁繞組與轉子電樞的端電壓相同，為U，勵磁電流為If。
（2）串勵 勵磁繞組與電樞繞組串聯，串勵直流電機的勵磁電流和電樞電流相等，能獲得每單位電流的最高轉矩，具有啟動轉矩大、有較好的啟動特性以及較寬的恒功率調速范圍等特點，這種勵磁方式采用較少。
（3）復勵 復勵直流電機的主磁極上裝有兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組并聯，稱為并勵繞組；另一個與電樞繞組串聯，稱為串勵繞組。這兩個勵磁繞組若產生的電動勢方向相同，稱為積復勵，否則稱為差復勵，。
勵磁繞組所消耗的功率雖然僅占直流電機額定功率的1%～3%，但是直流電機的性能隨著勵磁方式的不同將產生很大差別。
展開 ANSYS知識庫| Maxwell相關建模問題（一）
問題描述：圖中為電勵磁同步電機轉子沖片示意圖，紅線代表充磁方向，其中額部沿圓周方向充磁，磁極部分為圖示方向充磁。
解決方法
要統一定義充磁方向有難度，在邏輯上把轉子沖片分為8個部分（以類似的例子示例），不同部分賦予的材料名稱相同，但是充磁方向定義不同（以兩個不同的充磁方向為例）。
最終得到需要的充磁結果
電機設計及電機仿真APP系列之——高速永磁同步電機仿真APP介紹
電機的各種工作狀態和參數變化。用戶可通過調整仿真參數，快速得到電機的響應和性能參數，從而進行針對性的優化和改進。借助仿真APP，可大大減少電機設計迭代次數和成本，提高測試效率和準確性。
對了，此APP非彼APP，不用下載安裝，直接瀏覽器（手機也可以）打開，調整各項參數（定轉子、定子槽尺寸等）就可以在線云端計算，非常方便哦。如果不符合要求，還可以個性化定制，資深電機設計仿真工程師幫你搞定。
小編整理了10款不同類型的電機仿真APP，介紹給大家，請查看：https://www.yqgqt.org.cn/post/1953876
下面給大家介紹一款好用的“高速永磁同步電機仿真APP”。
高速永磁同步電機作為一種先進的電機技術，它具有高轉速、高效率、高功率密度等顯著特點。被廣泛應用于工業、新能源汽車、航空航天、風力發電等領域。隨著技術的不斷進步和市場需求的不斷增加，其性能將不斷優化和提升，為各行各業的發展提供強有力的支持。
本APP可實現高速永磁同步電機仿真計算，得到電機的磁密云圖、磁鏈、反電動勢、電磁轉矩、護套渦流損耗、永磁體渦流損耗、鐵芯損耗等結果。
參數設置
仿真APP計算結果展示（部分）
立即體驗高速永磁同步電機仿真APP：高速永磁同步電機仿真 - Simapps Store - 工業仿真APP商店
更多仿真APP，盡在仿真APP商店Simapps Store - 工業仿真APP商店，歡迎體驗！
展開 Maxwell仿真的疑難問題解答（上）
問題描述：圖中為電勵磁同步電機轉子沖片示意圖，紅線代表充磁方向，其中額部沿圓周方向充磁，磁極部分為圖示方向充磁。
解決方法：要統一定義充磁方向有難度，在邏輯上把轉子沖片分為8 個部分（以類似的例子示例），不同部分賦予的材料名稱相同，但是充磁方向定義不同（以兩個不同的充磁方向為例）。
最終得到需要的充磁結果。
2. 如何設置 Halbach 充磁方式？
打開永磁體材料編輯創建窗口：
1）修改坐標系為 Cylindrical,如1所示
2）修改材料屬性，如2所示，此處 p 為極對數
Unit Vector R: COS(p*PHI)
Unit Vector Phi: -SIN(p*PHI)
3. 如何對磁滯材料建模？
步驟一：輸入材料的起始磁化曲線
步驟二：設置材料磁化屬性
步驟三：添加材料的磁化曲線
4. 如何實現磁鋼梯形充磁？
第一步：正常定義剩磁和矯頑力
第二步：用一個 pwl 函數，改變方向定義
函數為：-837999.999999998*pwl_periodic($aaa,3*phi/pi*180)
改變方向定義，其中，dataset 的定義為：
第三步，充磁設置完成，正常計算。計算結果如下：
5. Maxwell 求解域 region 尺寸參數化定義
在某些應用中，求解域 region 的空氣盒子大小對結果有比較明顯的影響，為了能夠快速定義一個合適的大小，可以把 region 的比例定義為一個變量，且施加邊界條件，參數化掃描 region 的比例值，邊界會自動更新，十分方便。
以求解永磁體對鐵磁材料的磁拉力計算為例：
正常定義模型和region，在region中定義變量 RGV。
設置參數化掃描，求解計算，查看結果。
展開 交流異步電機與永磁同步電機有何區別？
（永磁同步電機構成部件）
（永磁同步電機結構原理圖）
交流異步電機
異步電機是由定子繞組組成的旋轉磁場與轉子繞組中感應電流的磁場相互作用而產生電磁轉扭驅動轉子旋轉的交流電動機。
異步電機的轉子滯后于現場速度，所以它的轉子必須比磁場旋轉得更慢。轉子與定子旋轉磁場以相同的方向、不同的轉速旋轉，存在轉差率，這樣可以感應轉子電流，產生扭矩以驅動附加的負載，同時克服內部損耗。
當導體在磁場內切割磁感線時，在導體內產生感應電流，“感應電機”的名稱由此而來。感應電流和磁場的聯合作用向電機轉子施加驅動力。與永磁同步電機中使用永磁材料的轉子不同，異步電機的轉子則通常用鋁或銅來制造。
（交流異步電機旋轉磁場是由三個不同相位線圈產生的磁場矢量加和形成 ）
同步電機優點：
轉子無勵磁繞組，所以無轉子銅耗，因此效率較高；
高性能永磁材料提供勵磁，給定功率小，體積可以減小；
轉子轉動慣量小，故動態性能好；
低效率時較大的功率和轉矩輸出。
同步電機缺點
：成本高，可靠性低，加工工藝復雜，機械強度差，電動車性能受環境影響大。
異步電機優點：
無永磁高溫退磁問題，可以將峰值功率、額定功率、峰值功率工作時間延長。
電機特性受環境影響小；
自身就具有啟動高轉矩、高速轉矩調整；
異步電機缺點：轉子磁場來自定子勵磁，存在銅耗，能量轉化率比永磁同步電機低。
展開 應用于系統仿真中的電機多回路模型
緒論
隨著永磁電機本身設計以及其控制技術開發的日益成熟，并且永磁材料鋁鐵硼熱穩定性、耐腐蝕性的改善，使得永磁電機在工程上得到廣泛地使用。我們在設計永磁電機系統時，需要得到一個可以應用于系統仿真中的電機模型。現在廣泛使用的是電機 dq 模型或者電機有限元模型。但是前者難以真實地反應電機在重載、滿載或者故障時運行情況；而后者在仿真求解時間上難以令人滿意。因此本文提出在系統仿真中采用多回路電機模型的思路。
1、多回路電機數學模型
電機多回路理論是將電機看作由多個互相運動的回路組成的電路，我們可按一般的電路原則來列寫電機定子、轉子各個回路的電壓仿真以及轉動的運動方程。
A. 定子回路電壓方程
我們舉定子 A 相繞組為例子，列寫 A相繞組的電壓方程，如下：
其中，uA、ΨA、rA、iA 分別表示定子 A 相繞組的電壓、磁鏈、電阻以及電流值。
圖 1 定子回路電流和磁通的正方向
圖 2 繞組回路正方向
B. 定子回路磁鏈方程
然后我們再列寫定子的磁鏈方程：
其中 ψA 表示為 A 相繞組的磁鏈；Mw、iw 表示為繞組之間的電感與電流；n 表示一共有 n 個繞組回路；ψfmd 表示為永磁體的磁鏈值。定子繞組其他相還有轉子繞組也同樣列寫以上電壓、磁鏈方程。如果我們建模的不是永磁同步電機，而是電勵磁同步電機。這時，我們需要將勵磁繞組也進行等效，等效為相同的回路來列寫方程類似的電壓、磁鏈方程。
C. 勵磁繞組電壓方程
2、電機多回路模型在系統仿真中的應用
我們按照上述方程對永磁同步電機進行建模之后，就可以將該模型帶入到系統中參與系統的仿真。系統采用 Id=0 矢量控制。
然后對比在相同的電動機系統中，永磁機采用 dq 模型和多回路模型以及聯合仿真模型時，不同電機模型的轉矩曲線。
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