永磁同步電動機的案例
永磁同步電動機不同轉子結構的性能研究
在工程應用中，汽車用永磁同步電動機定子采用直槽結構，定轉子槽極配合為8極48槽，基于該種結構的永磁轉子對應不同的凸極比，其外特性如何、磁鋼用量多少、哪種形式轉子性能最優、是否符合高性價比要求，本文將針對這些熱點問題進行詳細的分析。
1 基本原理
永磁同步電動機的主要結構由定子(包括定子鐵心、線圈、機殼等)、永磁轉子(包括轉子鐵心、永磁體、轉軸等)、前后端蓋、軸承、接線盒以及反饋組件等多個主要零部件組成。
永磁同步電動機的電磁原理與他勵直流電動機類似。永磁同步電動機的旋轉控制采用旋轉坐標系的思想，將三相定子電流進行解耦，分解成專用于勵磁的直軸分量，以及專用于產生輸出轉矩的交軸分量，兩種分量互相獨立互不耦合。
對于永磁同步電動機來說，定子影響主要體現在定子繞組分布情況、定子槽數等，這與異步電機區別不大；而轉子的影響則體現在整個磁路上，不同結構的永磁轉子對電機性能影響極大。永磁轉子按結構一般分為表貼式和內置式兩種，內置式轉子結構相對復雜，本文以內置式轉子為研究點進行展開。
永磁同步電動機凸極比ρ一般指交直軸電感(或者是電抗)之比。即：
(1)
表貼式交直軸電感接近相等，其凸極比ρ=1；而內置式永磁同步電動機根據永磁體在轉子中的排布，形成多種不同凸極比的轉子結構，主要分為ρ>1和ρ<1兩種情況。
永磁同步電動機的基本向量關系如圖1所示。
圖1 永磁同步電動機基本向量圖
根據圖1的向量關系及永磁同步電動機的電磁原理，得到電磁轉矩Te的計算公式如下：
(2)
式中：p為極對數；β為弱磁角；ψf為永磁磁鏈；Ia為定子電流；
從式(2)中可以看出，內置式永磁同步電動機電磁轉矩由永磁轉矩和磁阻轉矩兩部分組成。永磁轉矩與弱磁角成余弦關系，且與勵磁磁鏈成正比；而磁阻轉矩與兩倍弱磁角成正弦關系，還與交直軸電感之差成正比。
展開 軸向磁通盤式永磁同步電動機噪聲解析計算方法
用解析方法來計算軸向磁通盤式永磁同步電動機的噪聲，使用ＭａｔＬａｂ編制計算程 序，并將解析計算結果和實驗結果進行分析比較。實驗表明了利用解析法計算軸向磁通盤式永磁 同步電動機噪聲的可行性。最后，利用所編程序通過改變計算極弧因數來降低電動機噪聲。
軸向磁通盤式永磁同步電動機噪聲解析計算方法.pdf
永磁同步電機振動噪聲機理 ￥6.5
永磁同步電動機的安裝外形尺寸符合IEC標準，可以直接替換三相異步電動機，防護等級可以做到IP54和IP55，個別廠家還生產防爆型永磁同步電動機。
一場“安靜”的革命：通過仿真分析電動機噪聲
一個多世紀以來，世界在電動機的幫助下不停地運轉。當人類社會享受到從電風扇到汽車等由電動機帶來的各種好處時，人們可能就會要求這些機器變得更加安靜。電動機發出的聲音是一種多物理場現象，因為電動機的電磁運作會通過機器和周圍的空氣傳送振動。借助 COMSOL Multiphysics? 軟件，我們可以模擬永磁同步電動機(permanent magnet synchronous motor，PMSM)在不同轉速下產生的聲學效應。
永磁同步電動機: 新技術降低昂貴的成本
永磁同步電機是一種交流電動機，與常見的直流無刷和交流感應電動機相比，它能提供更高的功率密度。例如，與 55 千克(121磅)的交流感應電動機相比，一個 20千克(44磅)的永磁同步交流電動機可以傳遞更多動力和扭矩，而且更加節能。
永磁同步電動機(PMSM)。圖片通過 Wikimedia Commons 在 CC BY-SA 4.0 下獲得許可。
永磁同步電動機的主要缺點是轉子永磁體的成本高。此外，交流電動機比直流電動機需要更加復雜的電源管理系統。然而，最新技術已經降低了交流電源和控制的成本，并且降低能耗的好處越來越多地超過了永磁同步電動機較高的初始成本。
從洗衣機等家用電器類應用，到風扇、水泵和壓縮機等暖通空調系統（HVAC）應用，永磁同步電動機的使用范圍正在擴大。許多電動和混合動力汽車包括 Nissan? LEAF?, Toyota? Prius?, BMW i3?, Chevrolet? Bolt, 以及一些 Tesla? 汽車，都是由永磁同步電動機驅動的。
寂靜之聲：安靜的環境中噪音更明顯
電動汽車明顯比內燃機驅動的汽車更安靜，這使得對噪聲、振動和聲振粗糙度（NVH）的管控更具挑戰性。
展開 
商用電動車用永磁同步電機電磁振動噪聲削弱方法
文獻*4針對電動汽車用內置式永磁同步電機展開了研究，采用定子斜槽、轉子磁極分段兩種方法進行仿真分析，分析出的結論對電磁振動及噪聲的削弱、轉矩脈動的抑制提供了重要參考。文獻*5中對轉子形狀，尤其是磁通屏障的幾何形狀進行了優化，以滿足減小電磁激振力的設計要求。文獻*6 設計并研發了一種新型兩段式磁極轉子結構，每段轉子上一個磁極的極弧寬度與其他磁極不同，受益于兩段轉子的交錯安裝，不等極弧寬度所引入的不平衡磁拉力被完全抵消，從而降低了電磁振動和噪聲。文獻*8 提出一種采用極寬調制技術，對電機轉子結構的形狀進行修改，抑制齒數階電磁力，從而降低電磁振動噪聲的方法。此外，還有一些有意義的研究致力于分析引入功率變換器對永磁同步電動機控制系統電磁振動和噪聲造成的影響。例如，文獻中通過采用軟開關技術來探討變換器對系統振動及噪聲特性的影響。
基于以上的分析，本文針對一臺250 kw商用電動車用永磁同步電機展開研究，推導出內置式永磁同步電機定子齒面受到徑向電磁力的解析式，歸納出定子齒所受徑向電磁力的來源、階次、頻率。利用Ansys仿真軟件歸納總結出電機的振動及噪聲特性，在原設計方案的基礎上對電機轉子結構進行了優化，以抑制振動噪聲，結合Ansys仿真軟件對優化前后兩種電機進行電磁仿真、模態分析、振動仿真、噪聲仿真，以驗證結構優化的合理性。
1永磁同步電機結構
如圖1所示為本文所研究商用電動車用永磁同步電機徑向示意圖。此電機為一臺雙＞ 型轉子內置式永磁同步電機，電機的主要參數如表1所示。
展開 永磁同步電機原理、特點以及應用
直流電動機按結構及工作原理可劃分：無刷直流電動機和有刷直流電動機。
有刷直流電動機可劃分：永磁直流電動機和電磁直流電動機。
電磁直流電動機劃分：串勵直流電動機、并勵直流電動機、他勵直流電動機和復勵直流電動機。
永磁直流電動機劃分：稀土永磁直流電動機、鐵氧體永磁直流電動機和鋁鎳鈷永磁直流電動機。
按結構和工作原理劃分：可分為直流電動機、異步電動機、同步電動機。
同步電機可劃分：永磁同步電動機、磁阻同步電動機和磁滯同步電動機。
異步電機可劃分：感應電動機和交流換向器電動機。
感應電動機可劃分：三相異步電動機、單相異步電動機和罩極異步電動機等。
交流換向器電動機可劃分：單相串勵電動機、交直流兩用電動機和推斥電動機。
按起動與運行方式劃分：電容起動式單相異步電動機、電容運轉式單相異步電動機、電容起動運轉式單相異步電動機和分相式單相異步電動機。
按用途劃分：驅動用電動機和控制用電動機。
永磁同步電機
所謂永磁，指的是在制造電機轉子時加入永磁體，使電機的性能得到進一步的提升。而所謂同步，則指的是轉子的轉速與定子繞組的電流頻率始終保持一致。因此，通過控制電機的定子繞組輸入電流頻率，電動汽車的車速將最終被控制。而如何調節電流頻率，則是電控部分所要解決的問題。
永磁同步電動機的特點
永磁電動機具有較高的功率/質量比，體積更小，質量更輕，比其他類型電動機的輸出轉矩更大，電動機的極限轉速和制動性能也比較優異，因此永磁同步電動機已成為現今電動汽車應用最多的電動機。
展開 電機行業要變天？發改委 + 35 項新標發布，2025 年這些企業將被淘汰
（6）GB 30253-2024 永磁同步電動機能效限定值及能效等級
實施日期：2025-10-01
適用范圍：本文件適用于連續工作制的一般用途或防爆用途永磁同步電動機，范圍如下：
a）50 Hz三相交流電源供電，電壓等級為1 140 V及以下，額定功率為0.55 kW～1 000 kW，極數為2極~16極的異步起動三相永磁同步電動機；
b）50 Hz三相交流電源供電，電壓為3kV（3.3kV）和6kV、10kV，冷卻方法為IC81W、IC86W、IC71W（IC3W7）、IC411、IC416、IC511、IC611、IC616、IC516、IC666，額定功率為200 kW~2000kW，極數為4極~12極的異步起動三相永磁同步電動機；
c）變頻電源供電，電壓為1140V及以下，額定功率為0.55 kW～1250kW，額定轉速為45r/min～6000r/min的變頻調速永磁同步電動機；
d）變頻電源供電，電壓為3kV（3.3kV）和6kV、10kV，冷卻方法為IC81W、IC86W、IC71W（IC3W7）、IC411、IC416、IC511、IC611、IC616、IC516、IC666，額定功率200kW及以上，額定轉速45r/min～3000r/min的變頻調速永磁同步電動機；
e）變頻電源供電，電壓為1140V及以下，額定功率為0.55 kW～110kW電梯用永磁同步電動機。
主要技術要求：本文件規定了永磁同步電動機的能效等級、技術要求和試驗方法。
展開 IGBT在新能源汽車中的應用
③控制驅動器采用不同的控制方法，由電流分配信號發生器和速度調節器對系統提供信號，經過乘法器邏輯控制單元的計算后產生控制信號，并與電流傳感器輸入的電流信號，共同保持轉子磁鏈與定子電流之間的確定關系，將電流頻率和相位變換信號分別輸入各自獨立的電流調節器中，然后輸出到PWM發生器中，控制逆變器換流IGBT開關元件的通斷，完成脈寬調制，為永磁同步電動機提供正弦波形的三相交流電，同時控制定子繞組的供電頻率、電壓和電流的大小，使永磁同步電動機產生恒定的轉矩和對永磁同步電動機進行調速控制。永磁磁阻同步電動機的控制系統如圖13所示。
圖13 永磁磁阻同步電動機的控制系統
3.永磁磁阻同步電動機的機械特性
高永磁磁阻同步電動機在牽引控制中采用矢量控制方法，在額定轉速以下恒轉矩運轉時，使定子電流相位領先一個β角，這樣，一方面可增加電動機的轉矩，另一方面由于β角領先產生的弱薄作用，使電動機額定轉速點增高，從而增大了電動機在恒轉矩運轉時的調速范圍，如β角繼續增加，電動機將運行在恒功率狀態。永磁磁阻同步電動機能夠實現反饋制動。圖14所示為永磁磁阻同步電動機的力學特性曲線。
四、IGBT在永磁無刷直流電動機控制中的應用
1.永磁無刷直流電動機的結構
永磁無刷直流電動機可以看作是一臺用電子換向裝置取代機械換向的直流電動機，永磁無刷直流電動機主要由永磁電動機本體、轉子位置傳感器和電子換向電路組成。無論是結構或控制方式，永磁無刷直流電動機與傳統的直流電動機都有很多相似之處：用裝有永磁體的轉子取代有刷直流電動機的定子磁極；用具有多相繞組的定子取代電樞；用由固態逆變器和軸位置檢測器組成的電子換向器取代機械換向器和電刷。
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2 、高效永磁同步電動機永磁同步電動機與感應電動機相比，不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數（可達到1，甚至容性），減少了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩定運行時沒有轉子銅耗，進而可以減小風扇（小容量電機甚至可以去掉風扇）和相應的風摩損耗，效率比同規格感應電動機可提高2～8個百分點。而且，永磁同步電動機在25%～120%額定負載范圍內均可保持較高的效率和功率因數，使輕載運行時節能效果更為顯著。這類電機一般都在轉子上設置起動繞組，具有在某一頻率和電壓下直接起動的能力。目前主要應用在油田、紡織化纖工業、陶瓷玻璃工業和年運行時間長的風機水泵等領域。
我國自主開發的高效高起動轉矩釹鐵硼永磁同步電動機在油田應用中可以解決“大馬拉小車”問題，起動轉矩比感應電動機大50%～100%，可以替代大一個機座號的感應電動機，節電率在20%左右。
紡織化纖行業中負載轉動慣量大，要求高牽入轉矩。合理設計永磁同步電動機的空載漏磁系數、凸極比、轉子電阻、永磁體尺寸和定子繞組匝數可以提高永磁電機的牽入性能，促使它應用于新型的紡織和化纖工業。
大型電站、礦山、石油、化工等行業所用幾百千瓦和兆瓦級風機、泵類用電機是耗能大戶，而目前所用電機的效率和功率因數較低，改用釹鐵硼永磁后不僅提高了效率和功率因數，節約能源，且為無刷結構，提高了運行的可靠性。目前1 120kW永磁同步電動機是世界上功率最大的異步起動高效稀土永磁電機，效率高于96.5%（同規格電機效率為95%），功率因數0.94，可以替代比它大1～2個功率等級的普通電動機。
3 、交流伺服永磁電動機和無刷直流永磁電動機現在越來越多地用變頻電源和交流電動機組成交流調速系統來替代直流電動機調速系統。在交流電動機中，永磁同步電機的轉速在穩定運行時與電源頻率保持恒定的關系，使得它可直接用于開環的變頻調速系統。
展開 新能源汽車驅動電機分類、結構及工作原理介紹
這就是同步電動機的工作原理。
永磁同步電動機有什么特點
永磁同步電動機具有較高的功率質量比，體積更小，質量更輕，輸出轉矩更大，電動機的極限轉速和制動性能也比較優異，因此永磁同步電動機已成為現今電動汽車應用最多的電動機。但永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時，其導磁性能可能會下降，或發生退磁現象，有可能降低永磁電動機的性能。
【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。
“新能源驅動電機電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合” 高級設計仿真培訓
“新能源驅動電機電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合”
高級設計仿真培訓
一、課程背景：
永磁驅動電機是新能源汽車行駛中的主要執行結構，驅動電機及其控制系統是新能源汽車的核心部件之一，其驅動特性決定了汽車行駛的主要性能指標，它是電動汽車的重要部件。電動汽車對驅動電動機主要有起動轉矩要大、恒功率區寬、調速范圍大、效率要高、能量回收率要高、尺寸要小、可靠性高等要求；同時需要電機要小型化、更安全可靠、更高效，成本要降低。因為永磁同步電動機功率密度大、調速性能好、體積更小，效率更高等特點，從而現下新能源汽車使用永磁同步電動機作為驅動電機最多。
我們知道電機內存在多種不同類型的多場耦合系統，涉及電磁、機械、電子、流體、熱場等多個學科相互影響。需要運行多場耦合系統，進行精確仿真，弄清各場的分布規律及其控制技術，在此基礎上對各種參數進行綜合分析比較和優化，這是新的電機研究方向。對現下電機設計工程師們提出更高的要求，原先的理論公式計算加經驗修正已經滿足不了當下的競爭需求，電機工程師們不僅僅需要理論分析能力，還得掌握仿真技能進行電機的電磁場、熱場、振動噪聲等性能分析，這可以說是新一代電機工程師必備技能。
利用Maxwell原理的有限元仿真軟件是工業界領先的電磁仿真軟件，能滿足電機工程師的仿真設計需求，提升高品質電機設計能力；電磁仿真軟件已集成到先進的仿真平臺WB中，WB獨特的項目圖形化界面把整個仿真過程緊密結合在一起，完成復雜的多物理場耦合分析，通過電磁場與電場、電磁場與熱場和電磁場與結構等物理場相互耦合分析驅動電機，得到其電磁場、熱場、振動等結果。為此宏新環宇信息化咨詢中心（http://hxhycae.com）特舉辦“新能源驅動電機電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合”高級設計仿真培訓。
展開 新能源驅動電機電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合
宏新環宇信息化咨詢中心
宏新環宇【2018】第（27）號
“新能源驅動電機電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合”
高級設計仿真培訓
一、課程背景：
永磁驅動電機是新能源汽車行駛中的主要執行結構，驅動電機及其控制系統是新能源汽車的核心部件之一，其驅動特性決定了汽車行駛的主要性能指標，它是電動汽車的重要部件。電動汽車對驅動電動機主要有起動轉矩要大、恒功率區寬、調速范圍大、效率要高、能量回收率要高、尺寸要小、可靠性高等要求；同時需要電機要小型化、更安全可靠、更高效，成本要降低。因為永磁同步電動機功率密度大、調速性能好、體積更小，效率更高等特點，從而現下新能源汽車使用永磁同步電動機作為驅動電機最多。
我們知道電機內存在多種不同類型的多場耦合系統，涉及電磁、機械、電子、流體、熱場等多個學科相互影響。需要運行多場耦合系統，進行精確仿真，弄清各場的分布規律及其控制技術，在此基礎上對各種參數進行綜合分析比較和優化，這是新的電機研究方向。對現下電機設計工程師們提出更高的要求，原先的理論公式計算加經驗修正已經滿足不了當下的競爭需求，電機工程師們不僅僅需要理論分析能力，還得掌握仿真技能進行電機的電磁場、熱場、振動噪聲等性能分析，這可以說是新一代電機工程師必備技能。
利用Maxwell原理的有限元仿真軟件是工業界領先的電磁仿真軟件，能滿足電機工程師的仿真設計需求，提升高品質電機設計能力；電磁仿真軟件已集成到先進的仿真平臺WB中，WB獨特的項目圖形化界面把整個仿真過程緊密結合在一起，完成復雜的多物理場耦合分析，通過電磁場與電場、電磁場與熱場和電磁場與結構等物理場相互耦合分析驅動電機，得到其電磁場、熱場、振動等結果。為此宏新環宇信息化咨詢中心（http://hxhycae.com）特舉辦“新能源驅動電機電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合”高級設計仿真培訓。
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宏新環宇信息化咨詢中心
宏新環宇【2018】第（27）號
“新能源驅動電機電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合”
高級設計仿真培訓
一、課程背景：
永磁驅動電機是新能源汽車行駛中的主要執行結構，驅動電機及其控制系統是新能源汽車的核心部件之一，其驅動特性決定了汽車行駛的主要性能指標，它是電動汽車的重要部件。電動汽車對驅動電動機主要有起動轉矩要大、恒功率區寬、調速范圍大、效率要高、能量回收率要高、尺寸要小、可靠性高等要求；同時需要電機要小型化、更安全可靠、更高效，成本要降低。因為永磁同步電動機功率密度大、調速性能好、體積更小，效率更高等特點，從而現下新能源汽車使用永磁同步電動機作為驅動電機最多。
我們知道電機內存在多種不同類型的多場耦合系統，涉及電磁、機械、電子、流體、熱場等多個學科相互影響。需要運行多場耦合系統，進行精確仿真，弄清各場的分布規律及其控制技術，在此基礎上對各種參數進行綜合分析比較和優化，這是新的電機研究方向。對現下電機設計工程師們提出更高的要求，原先的理論公式計算加經驗修正已經滿足不了當下的競爭需求，電機工程師們不僅僅需要理論分析能力，還得掌握仿真技能進行電機的電磁場、熱場、振動噪聲等性能分析，這可以說是新一代電機工程師必備技能。
利用Maxwell原理的有限元仿真軟件是工業界領先的電磁仿真軟件，能滿足電機工程師的仿真設計需求，提升高品質電機設計能力；電磁仿真軟件已集成到先進的仿真平臺WB中，WB獨特的項目圖形化界面把整個仿真過程緊密結合在一起，完成復雜的多物理場耦合分析，通過電磁場與電場、電磁場與熱場和電磁場與結構等物理場相互耦合分析驅動電機，得到其電磁場、熱場、振動等結果。為此宏新環宇信息化咨詢中心（http://hxhycae.com）特舉辦“新能源驅動電機電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合”高級設計仿真培訓。
展開 【11月15-18日 南京】“新能源電機磁場、磁熱、振動、噪聲多場耦合仿真”第二期培訓班
課程背景
眼新能源驅動電機是新能源汽車行駛中的主要執行結構，驅動電機及其控制系統是新能源汽車的核心部件之一，其驅動特性決定了汽車行駛的主要性能指標，它是電動汽車的重要部件。電動汽車對驅動電動機主要有起動轉矩要大、恒功率區寬、調速范圍大、效率要高、能量回收率要高、尺寸要小、可靠性高等要求；同時需要電機要小型化、更安全可靠、更高效，成本要降低。因為永磁同步電動機功率密度大、調速性能好、體積更小，效率更高等特點，從而現下新能源汽車使用永磁同步電動機作為驅動電機最多。
我們知道電機內存在多種不同類型的多場耦合系統，涉及電磁、機械、電子、流體、熱場等多個學科相互影響。需要運行多場耦合系統，進行精確仿真，弄清各場的分布規律及其控制技術，在此基礎上對各種參數進行綜合分析比較和優化，這是新的電機研究方向。對現下電機設計工程師們提出更高的要求，原先的理論公式計算加經驗修正已經滿足不了當下的競爭需求，電機工程師們不僅僅需要理論分析能力，還得掌握仿真技能進行電機的電磁場、熱場、振動噪聲等性能分析，這可以說是新一代電機工程師必備技能。
利用Maxwell原理的有限元仿真軟件是工業界領先的電磁仿真軟件，能滿足電機工程師的仿真設計需求，提升高品質電機設計能力；電磁仿真軟件已集成到先進的仿真平臺WB中，WB獨特的項目圖形化界面把整個仿真過程緊密結合在一起，完成復雜的多物理場耦合分析，通過電磁場與電場、電磁場與熱場和電磁場與結構等物理場相互耦合分析驅動電機，得到其電磁場、熱場、振動等結果。特舉辦“新能源電機電磁、磁熱、振動、噪聲多場耦合”設計仿真培訓。
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