电机知识整理Word格式.doc

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结构上与无刷直流电动机相似，但采用正弦波驱动，所以在具备BDCM优点的同时，还具有低噪声，体积小，功率密度大，转动惯量小，脉动转矩小，高控制精度的特点，特别适用于混合动力电动汽车电机驱动系统，以达到减小系统体积，改善汽车加速性能和行驶平稳度等目的；

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受到了全世界各大汽车生产厂家的重视，特别是日本在电动汽车用的PMSM及其控制方法上开展了很多研究，并取得了显著的成果。

l丰田Prius混联式混合动力电动汽车采用了额定功率为33kW的PMSM；

l日本Nissan公司生产的AltraEV使用了额定功率为62kW的PMSM；

lHonda公司的混合动力电动汽车Insight采用了额定功率为10kW的PMSM。

开关磁阻电动机（SRM）

结构简单牢固，没有换向器，转子上没有绕组和永磁体，只在定子上有集中绕组，维护修理容易，成本低，调速范围宽，转速可高达15000-20000r/min，控制灵活，并能故障运行；

运行时噪声、转矩纹波大，强非线性，功率变换器的结构复杂，过多的电流波动和电磁干扰噪声等严重的影响了它的运用，控制方法还不够成熟；

作为一种新型的电动机越来越受到人们的注意，并被认为是混合动力电动汽车驱动电机中最有潜力的电机之一。

SRM本身可以运行于极宽的恒功率区，转矩-速度特性适合于电动汽车，而且在很广的范围内保持高效率，更加适合电动汽车动力性能要求。

SRM目前的电动汽车上应用还较少。

l霍顿汽车公司的ECOmmodore；

l东风汽车的EQ6110HEV公交车；

l二汽集团开发的EQ6690型电动汽车采用SRMD。

混合动力电机的工作区域

汽车用电机传动系统的特性曲线如下图所示，这条特性曲线分为两个区域：

nI区：

恒转矩区，功率随转速的提高线性增加；

nII区：

恒功率区，转矩随着转速的提高呈双曲线衰减。

对于城市工况下和山区旅游用汽车，经常处于起动、停车，加速、减速的状态，转速小，但要求输出转矩的变化较大，需要克服惯性阻力，因此这种工况下的汽车绝大多数时间运行于恒转矩区中；

对于行驶于高速公路上的汽车而言，汽车行驶比较平稳，车速高，没有特别大的加、减速情况，转矩消耗比较小，主要用来克服行驶阻力，大多数时间运行于恒功率区

电机控制技术的发展

变压变频（VVVF）开环调速：

早期交流调速采用的控制方式，基频以下采用恒压频比控制，低速时通过提升电压来获得大转矩，基频以上采用弱磁升速。

开环调速方式导致动态性能很差，另外在某些速度段的振荡也影响了稳态性能，

由于实现简单，目前仍广泛应用于风机和泵类等对控制性能要求不高的场合。

滑差频率控制：

在VVVF开环调速之后出现，是一种基于电机稳态模型的速度闭环控制方式，可以获得比较好的稳态性能，在早期的一些轧钢、电力机车上得到了比较广泛的应用。

基于电机稳态模型的，在动态过程中转矩和磁链的变化并没有得到很好的控制，因此动态性能比较差，不能满足现代高性能调速的要求。

变频调速：

20世纪50年代中期，晶闸管的研究开创了电力电子发展的新时代，同时也使交流调速产生了一次飞跃，告别低效耗能的不能调速或串电阻、电磁离合器等调速方式；

其中：

1964年引入了在通信领域常用的脉宽调制（PWM）思想；

1971年提出了交流电机磁场定向控制原理和定子电压坐标变换，在此基础上发展起来的矢量控制是交流调速史上的一次质的飞跃。

矢量控制通过引入坐标变换，实现了交流电机的磁链和转矩的解祸，这样可以在保持磁场定向的情况下模仿直流电机进行转矩控制，使交流电机的动态性能可以与直流电机相媲美。

矢量控制使交流调速步入了高性能的调速时代，但却引出了新的问题，比如控制对电机参数的依赖比较大，如果预先没有准确辨识电机参数，或电机在运行过程中发生了变化，将导致磁场定向不准，并影响到转矩输出的动、静态性能。

1985年提出了直接转矩控制（DTC）的方法采用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算和控制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节（Band-Band控制）产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。

它不需要对转矩和磁链进行解祸，因此没有复杂的坐标变换，没有通常的PWM信号发生器。

他的控制思想简单，控制手法直接，信号处理的物理概念明确。

直接转矩控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内，且无超调，是一种具有高静动态性能的交流调速方法。

现代功率器件技术的发展是非常快速的。

上世纪80年代以来以GTO,BJT,MOSFET为代表的自关断器件得到了长足的发展，尤其是以IGBT,IGCT为代表的双极型复合器件的惊人发展，使得电力电子器件沿着大容量、高频、易驱动、低损耗和智能模块的方向推进。

伴随着器件的发展，高压大容量逆变器也日益高性能化。

以IGBT为例，耐压4500V和6500V的器件也开始商品化了。

微电子技术的发展也是惊人的，尤其是DSP技术，以TI,AD和Motorala为代表的DSP研发和生产公司已经使DSP的处理能力达到上百兆赫兹，这为复杂的高性能控制算法提供了坚实的基础。

矢量控制是一般应用永磁同步电机（PMSM）系统中采用的优良的控制方式。

为扩展电机速度范围，许多PMSM系统采用弱磁控制策略，或采用与之本质相同的相位超前控制策略。

目前高性能电动汽车用PMSM系统也采用矢量控制方式，采用弱磁控制策略扩展电动汽车的速度范围。

但采用上述一般的PMSM系统控制技术应用于电动汽车需要进一步解决一些特殊的技术难题，例如保证汽车快速起动的动力学性能:

提高车载蓄电池的有效利用以延长汽车一次充电续行里程:

系统可靠性和鲁棒性的保证等。

起动、加速等动力学性能的提高是加速电动汽车实用化的关键之一，直接转矩控制（DTC）与矢量控制相比具有更好的动态性能。

目前，感应电机驱动的电动汽车用DTC控制器已研制成功，但是永磁同步电机的直接转矩技术却还不是很成熟。

永磁同步电机直接转矩控制的发展现状

直接转矩控制（DTC）是继矢量控制之后出现的一种新型交流调速技术，由德国的Depenbrock教授在1985年提出，控制对象是感应电机。

DTC问世以来得到了国内外学者们的强烈关注，并发表了大量关于研究感应电机的DTC方法的论文。

目前感应电机的直接转矩控制技术已经日趋成熟，在德国己经进入了实用阶段，主要应用于大功率列车的主传动系统中。

基于直接转矩控制的通用变频器--ABB公司研制的ACS600也已经出现，同时也出现了大量关于感应电机驱动的电动汽车用直接转矩控制的相关研究。

永磁同步电机（PMSM）的直接转矩控制与感应电机相比，技术相对滞后。

主要原因在于：

由于转子结构的差异，Pu6`1M系统不能照搬感应电机的直接转矩控制理论，诸如零空间电压矢量对电机定子磁链与电机的输出转矩的作用等;

PMSM系统从矢量控制到直接转矩控制的简化程度远没有感应电机相应的简化程度大，因此PMSM的直接转矩控制还没有受到足够的重视。

近年来，国外学者开始将直接转矩控制技术引入到PMSM中，英国、意大利、芬兰、美国、日本、澳大利亚、加拿大等国家的学者在PMSM的直接转矩控制方式下的系统实现、弱磁、磁链选择、无位置传感控制、降低转矩脉动、定子电阻辨识等方面都进行了初步研究。

总的来讲，这方面的研究不多，更不够深入，没有出现实用化的成果。

国内在该方向上的研究很少，目前仅有南京航空航天大学、浙江大学、天津大学等几家单位刚刚开始相关的研究。

直接转矩控制技术的诸多特点决定了其在混合电动汽车的电机传动系统中有着非常实用的价值，将直接转矩控制用于混合动力电动汽车将能全面提高电动汽车各项性能。

永磁同步电机的特点

由于永磁材料的使用，使得永磁同步电动机有如下共同特点：

电机电磁转矩纹波系数小，运行转速平稳，动态响应快速，过载能力强。

同步电动机比异步电动机对电压和负载转矩的扰动具有更强的承受能力。

异步电动机负载转矩发生变化时，要求电机的转差也跟随变化，即电机的转速发生相应的变化，但是系统转动部分的转动惯量阻碍电机转速的相应变化，从而降低了电机响应的频率。

永磁同步电动机的负载转矩发生变化时，仅需要电机的功角适当改变，而转速维持在原来的同步逮不变，转动部分的转动惯量不会影响电机转矩的快速响应。

永磁同步电动机的瞬间最大转矩可以达到额定转矩的三倍以上，使得永磁同步电机非常适合在负载转矩变化较大的工况下运行。

高功率因数、高效率。

永磁同步电动机与异步电动机相比，根本不需要无功励磁电流，以致能够得到比异步电动机高很多的功率因数，进而得到相对更小的定子电流和定子铜耗，并且永磁同步电机在稳态运行时没有转子铜耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇容量甚至去掉风扇，从而减小甚至省去了相应的风摩损耗。

这样，它的效率比同规格的异步电动机可以提高2-8个百分点。

与电励磁同步电动机相比，永磁同步电动机省去了励磁功率，提高了效率，使得控制更为方便。

而且，永磁同步电动机在25%-120%额定负载范围内均可以保持较高的功率因数和效率，使轻载运行时节能效果更为显著，在长期的使用中可以大幅度地节省电能。

体积小、重量轻。

近些年来随着高性能永磁材料的不断应用，永磁同步电动机的功率密度得到很大提高，比起同容量的异步电动机来，体积和重盈都有较大的减少，使其适合应用在许多特殊场合。

结构多样化，应用范围广。

永磁同步电动机由于转子结构的多样化，产生了特点和性能各异的许多品种，从工业到农业，从民用到国防，从日常生活到航空航天，从简单电动工具到高科技产品，几乎无所不在.

可靠性高。

与直流电动机和电励磁同步电动机相比，没有电刷，结构简单，系统的可靠性自然要高。

一、永磁材料与永磁电机

1.永磁材料又称硬磁材料，经外部磁场饱和充磁以后，无需外部能量而能持续提供磁场的一种材料。

2.电机用永磁材料比较：

性能

铝镍钴

铁氧体

钐钴

钕铁硼

剩磁（T）

1.3

0.42

1.05

1.16

矫顽力（kA/m）

60

200

780

850

退磁曲线形状

弯曲

上部直线、下不弯曲

直线

直线（高温下弯曲）

剩磁温度系数（%/k）

-0.02

-0.18

-0.03

-0.12

抗腐蚀性能

强

易氧化

充磁

安装后充磁

充磁后安装

最高工作温度（℃）

550

300

150

加工性能

磨削、电火花加工

切片，磨削加工

电火花加工

加工性能好

价格

中等

低

很高

高

应用场合

仪器仪表类要求温度稳定性高的场合

性能、体积要求不高价格要求低的场合

高性能、耐高温，温度稳定性要求高

高性能、体积要求高温度要求低的场合

3.永磁体的选择应该满足以下条件：

l应能在指定的工作空间内产生所需要的磁场；

l所建立的磁场应该具有一定的稳定性；

l具有良好的耐腐蚀性；

l具有较好的力学特征，韧性好、抗压强度高、可加工；

l价格合理、经济性好

4.磁场是电机实现机电能量转化的基础。

永磁电机与电励磁电机相比，具有如下特点：

l取消了励磁系统损耗，提高了效率。

l取消了励磁绕组和励磁电源，结构简单、运行可靠。

l稀土永磁电机结构紧凑、体积小、重量轻。

l电机的尺寸和形状灵活多样。

5.各类永磁体的适用范围：

l铁氧体永磁适用于对电机体积、重量、性能要求不高，而对电机经济性要求高的场合，逐渐被钕铁硼永磁代替；

l铝镍钴永磁适用于对电机体积、重量、性能要求不高，但工作温度超过300℃或要求温度稳定性好且电机成本不高的场合，先应用已经很少；

l钕铁硼永磁适用于对电机体积、重量、性能要求很高，工作环境温度不高，对工作温度稳定性要求不高的场合；

l稀土永磁适用于对电机体积、重量、性能要求高，工作环境温度高，要求温度稳定性好，制造成本不是主要考虑因素的场合；

l粘结永磁适用于批量大、磁极形状复杂、电机性能要求不高的场合。

6.永磁体的设计

l永磁体的形状

对于表面式磁极结构，多采用瓦片形磁极；

对于内置式磁极结构，多采用矩形磁极。

l永磁体的结构

永磁体串联：

将多块永磁体的磁动势沿充磁方向串联，共同提供磁动势，磁路的磁动势为它们磁动势之和，而磁通为一块永磁体的磁通。

永磁体并联：

将多块永磁体的磁动势沿充磁方向并联，共同提供磁通，磁路的磁通为它们磁通之和，而磁动势为一块永磁体的磁动势。

7.磁场与磁路

l按永磁体所在位置分类：

旋转磁极式、旋转电枢式

l按使用永磁材料种类多少分类：

单一结构式、混合结构式

l按永磁体安置方式分类：

表面式、内置式

l按永磁体的形状分类：

瓦片形磁极、弧形磁极、环形磁极、爪极式磁极、星形磁极、矩形磁极

混合动力汽车用电机的简介与选择

在HEV上是以电动机驱动作为发动机驱动的辅助动力，但又必须对电池组的质量和整车的整备质量进行限制，以减轻HEV的总质量。

因此，一般电动－发电机只是在HEV发动机启动，车辆启动、加速或爬坡时起作用。

电动－发电机又是发动机的飞轮，起调节发动机输出功率作用。

电动－发电机还起发电机的作用，电动－发电机又是发动机的飞轮，起调节发动机输出功率作用。

电动－发电机还起发电机的作用，将发动机的动能转换为电能，储存到电池组中去。

在HEV下坡或制动时，将汽车惯性动能转换为电能，储存到电池组中去。

因此，HEV有了电动机的辅助作用，就可以使HEV达到节能和“超低污染”的要求。

电动机的种类很多，用途广泛，功率的覆盖面非常大。

但HEV所采用的电动机种类少，功率覆盖面也较小。

目前主要采用的交流电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机，不管是电机本身还是它们的控制装置，成本都比较高，但随着电动机的电子计算机控制和机电一体化的加速发展，很多新技术正逐步运用到混合动力汽车（HEV）的电动机上，一旦形成大规模批量生产，所用电机乃至整车的成本都会得到大大降低。

（1）混合动力汽车用电动机的发展概况

蒸汽机启动了18世纪第一次产业革命以后，19世纪末到20世纪上半叶电机又引起了第二次产业革命，使人类进入了电气化时代。

20世纪下半叶的信息技术引发了第三次产业革命，是生产和消费从工业化向自动化，智能化时代转变；

推动了新一代高性能电机驱动系统与伺服系统的研究与发展。

21世纪伊始，世界汽车工业又站在了革命的门槛上。

虽然，汽车工业是推动社会现代化进程的重要动力，然而，汽车工业的发展也带来了环境污染愈烈和能源消耗过多两大问题。

显然，加剧使用传统内燃机技术发展汽车工业，将会使这两大全球问题继续恶化。

于是，电动车（包括纯电动车，混合动力汽车，燃料电池电动车）概念的提出，将会是未来世界汽车工业发展的新方向，不过就当今世界科技水平来说，混合动力汽车的研究与开发相比其它两种形式更具有现实意义，应该作为这一新方向的第一步。

20世纪80年代前，几乎所有的电动车驱动电机均为直流电机，但随着电动车（混合动力汽车）性能的提高，其在高负载下转速的限制，体积大等缺点逐渐暴露，取而代之的是交流异步电机，永磁电机，开关磁阻电机以及新型的双凸极永磁电机，而上述电机在用于混合动力汽车上所表现出来的性能也是一个比一个优越。

目前，双凸极永磁电机的机理和设计控制理论还有待于进一步的研究与完善，不过它作为混合动力汽车的电动机有着潜在的巨大优势。

（2）混合动力汽车对电动机的基本要求

a.从日本汽车公司开发电动汽车的研究和实践认为，在采用大功率的电动机来驱动HEV时，与采用小功率的电动机比较，具有电阻小，效率高，比能耗低，动力性能好等优点。

但在目前的条件下，各种电池的比能量较小，理所当然地采用小功率的电动机，因而出现电阻大，效率低，比能耗高，动力性能差等问题。

b.混合动力汽车的电动机应具有较大范围内的调速性能，能够根据驾驶员对加速踏板和对制动踏板的控制，由中央控制器控制电动机与发动机之间动力的协调。

以获得所需要的起动、加速、行驶、减速、制动等所需的功率与转矩，使它们达到与内燃机汽车加速踏板同样的控制效果。

c.混合动力汽车应具有最优化的能量利用，电动机应具有高效率、低损耗，并在车辆减速时实现能量回收并反馈回蓄电池，这点在内燃机汽车上是不能实现的。

d.电动机的质量，各种控制装置的质量和冷却系统的质量等也要求尽可能小，因此，大功率的高速电动机具有高性能，质量小等优点，在混合动力汽车得到了广泛地应用。

另外，还要求电动机及控制装置在运转时的噪声要低。

e．各种电动机的电压，可以达到120～500V，对电气系统安全性和控制系统的安全性，都必须符合国家（或国际）有关车辆电气控制的安全性能的标准和规定，装置高压保护设备。

除此之外，还要求电动机可靠性好，耐温和耐潮性能强，能够在较恶劣的环境下长期工作，结构简单，适合大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便，价格便宜等。

（3）混合动力汽车所用电动机的选择策略

在确定混合动力汽车所采用的电动机时，首先应采用技术成熟，性能可靠，控制方便和价格便宜的现成的电动机。

一般情况下，电动机性能必须充分满足单独用电力驱动模式行驶工况时的要求。

电动机在低速时应具有大的转矩和超载能力。

在高速运转时，应具有大的功率和有较宽阔的恒功率范围。

有足够的动力性能来克服整车的各种阻力，保证其有良好的起动，加速性能和行驶速度及实现制动时的能量回收。

现在混合动力汽车上，主要采用能够实现变频、调速的高转速电动机，高速电机的转速可以达到1万～1.2万r/min，在高速运转时，有更大的功率和有较宽阔的恒功率范围，体积较小和质量较小，但要求装置高精度的高速轴衬，需要用高品质的材质来制作，并要保证高效率的冷却。

（4）双凸极永磁电动机的简介

传统的开关磁阻电机（SRM）虽然可靠性较高，结构十分简单，单位体积功率与异步电动机相当或略高一些，而且在宽广的调速范围内都具有相当高的效率，但是，从能量转换的观点看，SR电机在定子绕组的一个开关周期中，最多只有半个周期得到利用，电机实际运行时，为避免在电感下降区产生制动力矩，绕组电流的关断角不得不较多地提前于最大电感位置，半个周期都未能得到充分利用。

因此，SR电机仅获得“一半的利用率”，由此产生了换流问题和相对材料利用率低问题。

可以预见，如果能利用定子绕组整个开关周期，在电感下降区也能产生正向转矩，SR电机的单位体积功率必将大大提高，但传统结构的SR电机是难以实现的。

如果在SR电机中用永磁材料预先建立一个磁场，通过控制定子绕组的电流方向，使永磁体产生的磁场和绕组电流产生的磁场相互作用，就能实现在电感下降区产生正向转矩的设想。

我国稀土材料的储存量为世界第一，钕铁硼等高性能稀土永磁材料在电机领域中已得到广泛应用，大大提高了电机性能，但在SR电机上的实践才刚刚开始。

双凸极永磁电动机（Doublysalientpermanentmagnetmotor,简称DSPM），是随着功率电子学和微电子学的飞速发展在90年代刚刚出现的一种新型的机电一体化可控交流调速系统。

该系统由双凸极永磁电机、功率变换器、位置传感器和控制器四部分组成。

电机定转子结构外形与开关磁阻电机相似,呈双凸极结构,但它在转子（或定子）上放有永磁体,从而使运行原理和控制策略与开关磁阻电机有本质区别。

DSPM系统的主要优点是结构简单、控制灵活、动态响应快、调速性能好、转矩/电流比大,可实现各种特殊要求的转矩/转速特性,功率因数接近于1,效率高,是电工学科近年来继开关磁阻电机之后又一全新的研究方向。

DSPM电机作为一种应用前景看好的交流调速系统,是由美国著名电机专家T.A.Lipo等人于1992年首先提出的,并进行了初步的理论和实验研究,此后欧美一些国家也相继开展了对DSPM电机及其控制系统的研制工作,目前国际上对DSPM电机的研究仅停留在初步理论和样机实验阶段。

关于DSPM电机仍有大量的基础理论问题,包括电机参数计算,模型建立,分析方法,控制策略等有待深入探讨.

（5）双凸极永磁电动机的基本工作原理

a.永久磁体所产生的磁通：

由于存在永久磁体，对于每相绕组而言，在定子凸极对转子凸极时所产生的磁通为最大，而在定子凹槽对转子凸极时所产生的磁通为最小，按理想的情况，每相绕组的磁通将随转子位置的变化呈线性规律变化，同时每相绕组中的感应反电势为梯形波。

b．定子绕组所产生的磁通：

当定子绕组通电时，永久磁体的磁场与定子绕组的磁场共同作用产生电磁转矩，驱使电动机的转子转动。

如果在定子绕组单独通电时，不考虑永久磁体的磁场作用，则可以把永久磁体区域作为气隙，将对绕组的磁通回路带来较大的磁阻。

其结果是使得定子凸极对转子凸极时和定子凹槽对转子凸极时所产生的绕组电感变小，绕组电感变小为电动机相间快速换流提供了有利的条件。