Study on interior permanent magnet synchronous motors for hybrid electric vehicle traction drive application considering permanent magnet type and
temperature
Javad SOLEIMANI1,?,Abolfazl V AHEDI2,Abdolhossein EJLALI2,
Mohammadhossein Barzegari BAFGHI2
1Young Researchers and Elites Club,Hamedan Branch,Islamic Azad University,Hamedan,Iran 2Electrical Engineering Department,Iran University of Science&Technology,Tehran,Iran
Received:01.06.2011?Accepted:07.02.2013?Published Online:07.11.2014?Printed:28.11.2014
Abstract:Recently,interior permanent magnet synchronous motors(Interior-PMSMs)have become known as a good candidate for hybrid electric vehicle(HEV)traction drive application due to their unique merits.However,the dynamic and steady-state behaviors of these motors are quite dependent on the permanent magnet(PM)type,con?guration,and volume in rotor structures.This paper uses a novel structure of Interior-PMSMs for traction applications with fragmental buried rotor magnets in order to achieve low torque ripple,iron losses,and cogging torque.In this paper,?rst,the e?ect of the PM type on a d-q equivalent circuit model is examined.Next,the design and simulation of an Interior-PMSM for HEV traction drive application,in order to extract the output values of the motor and sensitivity analysis of the PM type,are done using a3-dimensional?nite element method model.We then present the back electromotive force, power factor,cogging torque,?ux density,torque per ampere diagram,PM volume,and constant power speed ratio value behavior of the designed Interior-PMSM with di?erent PMs in the rotor structure,and we discuss the e?ect of temperature variation on these output parameters.This study can help designers in the design approach of such motors.
Key words:Permanent magnet,Interior-PMSM,3D-FEM model,traction,temperature analysis
1.Introduction
The main features of interior permanent magnet synchronous motors(Interior-PMSMs)for hybrid electric vehicle(HEV)traction drive applications are simple construction with conventional3-phase stator windings, with low current density and a rotor with inner fragmental permanent magnets(PMs)[1–5].Interior-PMSMs have little volume,light weight,high e?ciency and power factor,and high reliability;these advantages make the Interior-PMSMs especially suitable for HEV applications[6,7].Interior-PMSMs use the hysteresis characteristics of magnetic materials;it is known that the e?ciency,back electromotive force(EMF),power factor,and torque behavior of these motors could be easily a?ected by the type,temperature[8–10],volume,and con?guration of PMs[11–15].In these studies,the e?ect of di?erent PMs on motors has been considered with a constant volume of PMs;therefore,the resultant back EMF will be variable and this strategy is not appropriate for the optimal design of di?erent motors.In this paper,the best designs with di?erent PMs are carried out by constant back EMF and a variation of the PM volume in all of the prototype designs,and the performance and temperature e?ects are also studied for prototype motors.Thus,the e?ect of di?erent PMs in the rotor structure on back ?Correspondence:jsoleimani@iauh.ac.ir
1517
EMF,power factor,cogging torque,?ux density,torque per ampere diagram,PM volume,and constant power speed ratio(CPSR)behavior of an Interior-PMSM,as well as the e?ect of the PM type on a d-q equivalent circuit model,are investigated.Meanwhile,the?nite element method(FEM)is implemented for accurate simulation.This3-dimensional FEM(3D-FEM)model has a high level of accuracy and gives better insight about the motor performance.Finally,the objective of this paper is to derive the performance characteristics of Interior-PMSMs and perform a sensitivity analysis of such motors at synchronous speeds based on the3D-FEM model.It is clear that the e?ect of increasing the temperature on the insulators and PM is greater than on other parts of the Interior-PMSM[15],but by choosing an F-class insulator,the damaging e?ect of increasing the temperature on the insulators will be decreased.This study discusses the e?ect of temperature variation on the hysteresis loop characteristics of PMs.Moreover,this model can be used in the design approach and precise analysis of an Interior-PMSM for HEV traction applications.
2.Structure and winding con?guration
As shown in Figure1a,an80-kW Interior-PMSM with8poles,48slots,and6slots per pole,for possible HEV application,is designed with3layers of fragmental buried rotor magnet in order to achieve the maximum torque per ampere,and all of these layers have a trapezoid structure,as shown in Figure1b,for reduced hot spots[5] (zones that have maximum?ux density).
In this machine,a kind of PM material in the rotor structure is used that has suitable reversible temperature coe?cients,as can be seen in Table1[10].Moreover,laminations of the soft magnetic material (permendur-24)for constructing the stator and rotor cores,and a kind of stainless steel with very low relative permeability in the shaft structure,are used.The permendur-24characteristics are given in Table2[16].
(a)(b)
Figure1.a)The8-pole,48-slot Interior-PMSM structure for traction application with3layers of fragmental buried rotor magnets;b)novel structure of the rotor.
1518
The stator slots are embedded with double-layer fractional-slot(5/6)windings,with18conductors per stator slot and each phase,and requiring8turns of the windings to achieve harmonic reduction.The current density in the windings is4.2A/mm2and the radius of each naked wire is2.936mm,using F-class insulators. The winding diagram and the terminal connection mode of the8-pole stator winding are shown in Figures2a and2b.Analysis of the model is performed at one-half pole by3D-FEM.
Table1.PM characteristics.
Parameters B r(T)H c(KA/m)rμT max(?C)T cure(?C)T c of B r T c of H c Prototype Bonded Sm2Co170.7416 1.180725–0.08–0.04No.1 Bonded Nd-Fe-B0.68460 1.25150340–0.1–0.6No.2 Sintered Sm2Co171820 1.05300750–0.08–0.3No.3 Sintered Nd-Fe-B 1.411500 1.07180310–0.1–0.6No.4
Table2.Soft magnetic material characteristics.
Parameters Saturation Remanence Initial Maximum
?ux density(T)(T)permeability permeability
Permendur24 2.34 1.52502000
(a)(b)
Figure 2.a)Winding diagram and b)stator terminal connection of the8-pole Interior-PMSM with double-layer distributed windings.
3.FEM model
As mentioned previously,a3D-FEM model,which gives better insight about the motor performance,is implemented in order to simulate the proposed motor.
1519
In order to have a high level of accuracy,the automatic mesh diagram is not used and a mesh diagram is designed manually,where the node congestion is higher around the air gap.The total number of nodes is about 190,000,which leads to high accuracy.Meanwhile,for boundary conditions,the homogeneous Dirichlet condition is adopted on the in?nite box that encompasses the motor.
This simulation is based on a circuit-coupled model using the phase voltage as input.Figure 3shows the circuit-coupled model used in this study,where for each phase,8coil windings are considered,and of those,4coils are sent to the current in the motor and 4coils return current from the midpoint of the winding in the star connection.The coil winding connection in each phase is exactly as illustrated in Figure 2b.
Figure 3.Circuit-coupled model used in the simulation.
4.PM volume
In this study,complex permeability (the rhombus shape hysteresis loop)is used.Figure 4helps to exploit this hysteresis loop.In order to choose an accurate volume of PM regarding the magnetic circuit that the PM material is in,an iteration method is used,which is illustrated by a ?owchart in Figure 5.In the ?rst iteration for each type of PM,the volume is obtained by:
V m =
c v .P out
F.B r .H c
.
(1)
Here,C v is a coe?cient that depends on the PM design in the rotor structure and is approximated at between 0.54and 3.1[5,9].From the ?nite element analysis,the back EMF in each phase can be obtained and checked with the amplitude of the input voltage in each phase,and this procedure continues until the convergence criterion is satis?ed.As can be observed from the simulation results,this procedure is also e?ective for choosing the PM volume with complex permeability.
5.PM hysteresis loop e?ect on d-q equivalent circuit model
Figure 6shows the d-q-0equivalent circuit model of a PMSM [5,17–21].It is proven that variation of the PM hysteresis loop characteristics has an e?ect on the equivalent magnetizing current and inductance of the excitation axis (d-axis).The magnetic circuit of a PM and its equivalent electrical circuit are shown in Figures 7a and 7b,respectively.The equations below show the e?ect of the PM on those terms:
P rc =
l m
μ0μr A m
,
(2)
1520
F0=H c.l m,(3) and the magnetic?ux of the PM is obtained by:
φr=B r A m.(4)
B(T)
B max
B r
H c
H m ax H(A/m)
Figure4.Inclined hysteresis loop approximation.
In t al volume for each type of PM us ng Eq. 2
Sett ng PM volume to motor
F n te element analys s
Calculate Back EMF per phase
Sett ng New volume
No Back EMF=RMS value
of nput voltage
Yes
End
Figure5.Flowchart for accurate volume of the PM selection.
Here,l m and A m,respectively,are the length and pole cross-section of the PM,andμ0andμr respectively denote the permeability of the free space and relative permeability of the PM.This equivalent electrical circuit is combined with the excitation axis of the d-q equivalent circuit model of PM synchronous machines.Variations of the PM remanent?ux density,coercive?eld strength,and relative permeability while considering the PM’s temperature variation are shown in Figures8a–8c,respectively.
6.Results and discussion
Based on the above aspects,?nite element simulation for the Interior-PMSM is performed.The simulation research is made for an8-pole Interior-PMSM prototype.The parameters of the Interior-PMSM prototype and the output quantities of the motor for a1.6-mm air gap are given in Table3.It must be noted that half of one pole is analyzed because of the magnetic symmetry of the motor.As seen in Figure9,node congestion becomes
1521
+ Vq -
q
rs d
Lls L'lkq r'lkq
'kq
Lmq
+ Vq -
d rs q
Lls L'lkd r'lkd
'kd
Lmd Lrc 'm
+ V os -
rs
Lls
os
(a)
(b)
(c)
Figure 6.The d-q-0equivalent circuit model of the PMSMs:a)q-axis,b)d-axis,c)0-sequence.
F o P rc
o
L rc
Figure 7.The PM’s equivalent circuits:a)magnetic circuit,b)electrical circuit.
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 50 100
b 150 200 250 300 350 H
c (A /m )
Temperature (°C)
Prot. 1
Prot. 2
Prot. 3 Prot. 4
0.2 0.4 0.6
0.8 1
1.2
1.4 0
50
100
150 200 250 300
c 350
μr
Temperature (°C)
Prot. 1
Prot. 2 Prot. 3 Prot. 4
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 0
50
100
150 200 250 300
350
B r (T )
Temperature (°C)
Prot. 1 Prot. 2 Prot. 3 Prot. 4
a
Figure 8.E?ect of temperature variation on the PM hysteresis loop characteristics:a)remanent ?ux density,b)coercive ?eld strength,c)relative permeability.
1522
higher near the air gap in order to ensure accuracy of the simulation.Based on the FEM model,the simulation of all of the prototypes for real dimensions is performed and the output characteristics are extracted.
Table3.Motor features.
Quantity Value Quantity Value
Rated voltage(V)900Outer diameter of the stator(mm)734
Rated power(Kw)80Inner diameter of the stator(mm)498
Frequency(Hz)50Stator stack height(mm)560
Speed(rpm)750Type of winding Concentric with consequent poles Phase connection Y Number of turns per slot20
Pole pairs4Core material(stator and rotor)Permendur-24
Number of stator slots48Air gap length(mm) 1.6
Figure9.Mesh diagram of the simulated machine.
Figure10shows the distribution of the?ux in prototype No. 3.As discussed in the above sections,in this study,?ux lines are circumferential at the center of the pole and the distances between the PM and air gap for all of the Interior-PMSM designs.Figure11shows the isovalue diagram of the?ux density at the rated power for prototype No.3.For all of the prototypes in this study,the maximum?ux density is less than the saturation?ux density of the permendur and close to the saturation point of this material,but the?ux density value of each prototype is di?erent.
The air gap?ux density over a prede?ned path(for4poles)is shown in Figure12a at the rated power for prototype No.3and this prede?ned path is shown in Figure12b.
The back EMF for one phase of prototype No.3is shown in Figure13,where the RMS value of the back EMF per phase must be equal to the RMS value of the input voltage per phase.Now,by changing the type of PM and temperature,the variation of the output quantities is investigated.
From Eq.(1),it is obvious that B r and H c reduction leads to higher volume of the PM.In this study, for this motor,using bonded Sm2Co17(motor prototype No.1),10,636cm3of the rotor volume must be PM,
1523
Arrows 1.959 1.844 1.729 1.614 1.498 1.383 1.268 1.153 1.037 922.098E-3 806.836E-3 691.574E-3 576.311E-3 461.049E-3 345.787E-3 230.525E-3 115.262E-3 0.00
B n T e s l a
Figure 10.Distribution of the ?ux at the rated current.
Isovalues B n T e s l a
1.959 1.837 1.714 1.592 1.469 1.347 1.225 1.102 979.641E-3 857.187E-3 734.732E-3 61
2.278E-3 489.823E-3 367.369E-3 244.915E-3 122.460E-3 5.959E-3
Figure 11.Isovalues of the ?ux density at the rated
current.
F l u x d e n s t y (T )
Pos t on (degree)
(a)
(b)
Figure 12.a)Air gap ?ux density diagram over the path (for 4poles);b)air gap path belonging to a pole.
1524
and using bonded Nd-Fe-B (motor prototype No.2),11,914cm 3of this kind of PM must be used in the rotor structure to attain the required back-EMF.If sintered Sm 2Co 17is used (motor prototype No.3),7488cm 3of this kind of PM must be used,and,?nally,using sintered Nd-Fe-B (motor prototype No.4),the minimum volume of the PM (5980cm 3)of the rotor volume must be used to attain the required back-EMF.
Table 4demonstrates the variations of the power factor versus the PM type,and the damaging e?ect of increasing the temperature on the power factor is also shown in this diagram.
B a c k E M F (V )
T me (s)
Figure 13.Back EMF for phase a.
Figure 14demonstrates the variations of the cogging torque versus the PM type,as well as the e?ect of increasing the temperature on the cogging torque.Figure 14also shows that with this structure (trapezoid-form fragmental buried magnet),the cogging torque for all of the prototypes is less than 2.4%of the rated torque,but the cogging torque in conventional Interior-PMSMs is about 5%of the rated torque.By increasing the volume of the PM,the cogging torque will be increased.
Table 4.Variation of the power factor versus the PM temperature.
Parameters 25?C 85?C 155?C 175?C 300?C Prototype No.194%91.9%---Prototype No.293.7%88.8%87.3%--Prototype No.396.5%93.5%91.2%88%83.5%Prototype No.
4
98%97%95.2%94.5%-
The cogging torque is the consequence of the interaction (magnetic attraction)between the rotor-mounted PMs’?eld and the stator teeth,which produces reluctant variations on the rotor position;it is stator current-independent.It manifests itself by the rotor’s tendency to align with the stator in a number of stable positions (where the permeance of the PMs’magnetic circuit is maximized),even when the machine is unexcited,resulting in a pulsating torque,which does not contribute to the net e?ective torque.Optimizing the cogging torque to a low value can allow a low torque ripple and harmonic reduction to be obtained [12–14].
The torque per ampere diagrams for all of the prototypes are shown in Figure 15,where by increasing the inductance of the excitation axis that is achieved by increasing of the volume of the PM in the rotor structure,the torque per ampere diagram will be improved.
The e?ect of di?erent PM types and temperatures on the torque per rated current is shown in Figure 16,where with improvement of the PM hysteresis loop characteristics,the inductance of the excitation axis and torque per ampere will be increased.The variation of the excitation axis inductance by the PM hysteresis loop characteristics variation can be proven through Eqs.(2)–(4)and Figures 6–8.Figure 17shows the CPSR diagram for prototype No.3,and the CPSR is obtained by (see [1,5,12]):
CP SR =
ωmax
ωrated
.(5)1525
0 5 10 15 20 25 0
50
100
150 200 250 300
350
C o g g n g t o r q u e (N m )
Temperature (°C)
Prot. 1 Prot. 2 Prot. 3 Prot. 4 0 500 1000 1500 2000 2500 0
10
20
30
40 50 60 70 80 90 100
T o r q u e p e r a m p e r
Current (A)
bon-sm bon-nd s n-sm s n-nd
Figure 14.Cogging torque variations versus the temper-ature of the PM.
Figure 15.Torque per ampere diagram at 25?C.
0 200 400 600 800 1000 1200 0
50
100
150 200 250 300
350
E l e c t r o m a g n e t c t o r q u e (N m )
Temperature (°C)
P1 P2 P3 P4 0
200 400 600 800 1000 1200
1
1.5
2 2.5
3 3.5 4
T o r q u e (N m )
Speed (rps)
CPSR D agram
Figure 16.E?ect of temperature and PM type on the steady-state torque value.
Figure 17.CPSR versus PM type.
CPSR is quite dependent on the ?eld weakening operation in Interior-PMSMs,i.e.the ?eld weakening operation will be improved by increasing the inductance of the excitation axis [5].By analysis of the CPSR diagram,it can be seen that the CPSR in all of the cases is up to 4and the performance of the machine in the constant power area of this diagram shows the advantage of this novel structure.
7.Conclusion
In this paper,for an accurate analysis of the Interior-PMSM and to perform the sensitive analysis for this motor,a ?nite element analysis model is used.A hysteresis loop in an inclined rhombus shape is adapted for the analysis of the hysteresis loop.A simulation based on the real dimensions of a typical Interior-PMSM is performed.The back EMF,power factor,cogging torque,?ux density,torque per ampere diagram,and CPSR are then presented considering di?erent PM types.Furthermore,the e?ect of temperature variation on the PM hysteresis loop characteristics is investigated and the variation of these output quantities versus the PM temperature is extracted.All of the simulation results verify the improvement of the Interior-PMSM performance using sintered Nd-Fe-b materials,such as a)less volume of the PM and cogging torque,b)best torque per ampere diagram,and c)good power factor.Unfortunately,the temperature analysis shows the damaging e?ect of increasing the temperature on di?erent parameters of the machine,such as the machine’s power factor,steady-state torque value,etc.These are speci?c when Nd-Fe-b materials are in use.In other words,it can be observed that B r increases or μr decreases will improve the motor output characteristics like electromagnetic torque per ampere,linkage ?ux between the rotor and stator,power factor,etc.,but the cogging torque and torque ripple will be increased.1526
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. . . . 第一章永磁同步电机的原理及结构 1.1永磁同步电机的基本工作原理 永磁同步电机的原理如下在电动机的定子绕组中通入三相电流，在通入电流后就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场，由于在转子上安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁极的同性相吸异性相斥的原理，在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转，最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等，所以可以把永磁同步电机的起动过程看成是由异步启动阶段和牵入同步阶段组成的。在异步启动的研究阶段中，电动机的转速是从零开始逐渐增大的，造成上诉的主要原因是 其在异步转矩、永磁发电制动转矩、 矩起的磁阻转矩和单轴转由转子磁路不对称而引等一系列的因素共同作用下而引起的，所以在这个过程中转速是振荡着上升的。在起 动过程中，质的转矩，只有异步转矩是驱动性电动机就是以这转矩来得以加速的，其 他的转矩大部分以制动性质为主。在电动机的速度由零增加到接近定子的磁场旋转转速时，在永磁体脉振转矩的影响下永磁同步电机的转速有可能会超过同步转速，而出现转速的超调现象。但经过一段时间的转速振荡后，最终在同步转矩的作用下而被牵入同步。 1.2永磁同步电机的结构 永磁同步电机主要是由转子、端盖、及定子等各部件组成的。一般来说，永磁同步电机的最大的特点是它的定子结构与普通的感应电机的结构非常非常的相似，主要是区别于转子的独特的结构与其它电机形成了差别。和常用的异步电机的最大不同则是转子的独特的结构，在转子上放有高质量的永磁体磁极。由于在转子上安放永磁体的位置有很多选择，所以永磁同步电机通常会被分为三大类：内嵌式、面贴式以及插入式，如图1.1所示。永磁同步电机的运行性能是最受关注的，影响其性能的因素有很多，但是最主要的则是永磁同步电机的结构。就面贴式、插入式和嵌入式而言，各种结构都各有其各自的优点。
一、 概述 众所周知，直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。优良的控制特性使直流电动机在70年代前的很长时间里，在有调速、控制要求的场合，几乎成了唯一的选择。但是，直流电动机的结构复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电动机常常还装有换向极，以改善电机的换向性能。直流电机的转子上安放电枢绕组和换向器，直流电源通过电刷和换向器将直流电送入电枢绕组并转换成电枢绕组中的交变电流，即进行机械式电流换向。复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。 在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简便。但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因素低，轻载时尤甚，这大增加了线路和电网的损耗。长期以来，在不要求调速的场合，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无形中损失了大量电能。 过去的电力拖动中，很少彩同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。人们亦知道变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题，但在70年代以前，变频电源是可想而不可得的设备。所以，过去的电力拖动中，很少看到用同步电动机作原动机。在大功率范围内，偶尔也有同步电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。 自70年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用，主要的原因有： 1、高性能永磁材料的发展 永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴1：5，第二代钐钴2：17和第三钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。它们不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈而需涂复处理。经过这几年的不断改进提高，这些缺点大多已经克服，现钕铁硼永磁材料最高的工作温度已可达180℃，一般也可达150℃，已足以满足绝大多数电机的使用要求。表1是各种永磁材料性能比较。 表1各种永磁材料的性能比较 永磁材料剩磁（T）Br(T) 矫顽力HcB(KA/m) 内禀矫顽力Hcj(KA/m) 最大磁能积(BH)m（KJ/m3）剩磁可逆温度系数αB(%C) 居里温度Tc8(C) 中等水平钕铁硼`` 1.26 967 955 310 -0.12 350 较高水平的钐钴1.00 746 766 210 -0.03 850
交流永磁同步电机结构与工作原理 2。1。1交流永磁同步电机得结构 永磁同步电机得种类繁多,按照定子绕组感应电动势得波形得不同,可以分为正 弦波永磁同步电机（PMSM）与梯形波永磁同步电机（BＬＤC）【261.正弦波永磁同步电机 定子由三相绕组以及铁芯构成，电枢绕组常以Y型连接，采用短距分布绕组;气隙场 设计为正弦波，以产生正弦波反电动势；转子采用永磁体代替电励磁,根据永磁体在 转子上得安装位置不同，正弦波永磁同步电机又分为三类:凸装式、嵌入式与内埋式。 本文中采用得电机为凸装式正弦波永磁同步电机,结构如图2一l所示，定子绕组一 般制成多相,转子由永久磁钢按一定对数组成，本系统得电机转子磁极对数为两对, 则电机转速为n=60ｆ/p，f为电流频率,Ｐ为极对数。
图2一l凸装式正弦波永磁同步电机结构图 目前,三相同步电机现在主要有两种控制方式,一种就是她控式（又称为频率开环 控制)；另一种就是自控式(又称为频率闭环控制）[27】。她控式方式主要就是通过独立控 N＃l－部电源频率得方式来调节转子得转速不需要知道转子得位置信息,经常采用恒压 频比得开环控制方案。自控式永磁同步电机也就是通过改变外部电源得频率来调节转子 得转速，与她控式不同，外部电源频率得改变就是与转子得位置信息就是有关联得，转子
转速越高，定子通电频率就越高，转子得转速就是通过改变定子绕组外加电压(或电流） 频率得大小来调节得。由于自控式同步电机不存在她控式同步电机得失步与振荡问 题,并且永磁同步电机永磁体做转子也不存在电刷与换向器,降低了转子得体积与质 量，提高了系统得响应速度与调速范围，且具有直流电动机得性能，所以本文采用了 自控式交流永磁同步电机.当把三相对称电源加到三相对称绕组上后,自然会产生同 步速得旋转得定子磁场，同步电机转子得转速就是与外部电源频率保持严格得同步,且 与负载大小没关系. 2。1.２交流永磁同步电机得工作原理 本系统采用得就是自控式交直交电压型电机控制方式，由整流桥、三相逆变电路、 控制电路、三相交流永磁电机与位置传感器构成，其结构原理图如图2-2所示.在 图2-2中，50HZ得市电经整流后,由三相逆变器给电机得三相绕组供电，三相对称 电流合成得旋转磁场与转子永久磁钢所产生得磁场相互作用产生转矩，拖动转子同步
电动汽车用永磁同步电机浅析 摘要：本文首先介绍了目前常用的电动机类型；然后着重介绍电动汽车用永磁同步电机在设计制造过程中可能会遇到的关键技术问题，还介绍了一些目前应用比较广泛的永磁同步电机的控制策略。 关键词：电动汽车；永磁同步电机；关键技术；控制策略 Superficial Analysis of Permanent Magnet Synchronous Motor in Electric Vehicle Abstract：The article first introduces the type of motors used commonly now,then introduce the key technology problem in the design and manufacture of permanent magnet synchronous motors,and also describes some control strategies of the permanent magnet synchronous motors. Key words：electric vehicle; permanent magnet synchronous motor;key technology;control strategy 0引言 当今环保和能源问题备受关注，为解决这些问题，电动汽车呈现加速发展的趋势；同时电动汽车容易实现智能化，有助于改进和提高车辆的安全和使用性能。电动汽车对其驱动系统的要求是转矩控制能力良好,转矩密度高,运行可靠性及在整个调速范围内的效率尽可能高,从而保证车辆具有良好的动力性能和操控性,同时在车载动力电池未能取得突破的情况下,延长车辆的续驶里程。研究并开发出高水平的电机驱动控制系统,对提高我国电动汽车驱动系统水平及电动汽车的产业化具有重要意义[1]。 随着永磁材料性能的提高和成本的降低,永磁同步电动机以其高效率、高功率因数和高功率密度等优点,正逐渐成为电动汽车驱动系统的主流电机之一。 1概述 永磁电动机既具有交流电动机的无电刷结构、运行可靠等优点,又具有直流电动机的调速性能好的优点,且无需励磁绕组,可以做到体积小、控制效率高,是当前电动汽车电动机研发与应用的热点。永磁电动机驱动系统可以分为无刷直流电动机(BLD-CM)系统和永磁同步电动机(PMSM)系统[2]。永磁同步电动机(PMSM)系统具有高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性以及低噪声的特点,通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能,提高电动机的调速范围,因此在电动汽车驱动
电机行业专用术语中英文对照 geared-down motor 齿轮减速发动机 gear-type hydraulic motor 齿轮式液压马达 gear-type motor 齿轮液压电动机 gear-within-gear motor 内啮合齿轮马达 general-purpose motor 通用电动机 generator-motor set 发电机电动机组 gimbal servo motor 万向伺服电动机 gimbaled motor 悬挂式电动机 gimbaling rocket motor 万向架支座火箭发动机glass reinforced plastic motor lifeboat 玻璃钢机动救生艇 governor motor 调节马 达 ; 调速电动机 ; 调速器电动机 ; 调速器用电动机 ; 调整机用电动机 graduation of the motor currents 电动机电流级加法 gramophone motor 唱机电动机 grinding head motor for woodworking 木工专用磨头电动机 grinding head motor 磨头电动机 grinding wheel drive motor 砂轮电机 gunmetals motor carriage 机械化炮车 gyro motor 陀螺马达 hand motor 手电动机 harmonic motor 谐波电动机 haulage motor 电机车 head motor 头部发动机 heat-pipe motor 热管冷却电动机 heat-resistant motor 耐热电动机 ; 高温电动机 heavy motor truck 重型载货汽车 hele-shaw motor 径向活塞式液压电动机 ; 径向活塞式液压电动机 hermetic motor 密封式电动机 ; 密封式电动机 ; 密封型电动机hermetically sealed motor 密封式电动机 hermetically-sealed motor 密封型电动机heteropolar d.c. linear motor 多极直流直线电动机 high capacity motor 高功率电动机high frequency motor generator 高频电动发电机 high power motor 大功率电动机 high slip motor 高转差率电机 high speed low-noise synchronous motor 高速低噪音异步电动机 high torque ac motor 大转矩交流电动机 high torque and low speed motor 大转矩低速电动机 high torque motor 高启动转矩电机 high voltage motor 高压交流电动机 high voltage wound asynchronous motor 高压卷线异步电动机 high-capacity motor 大型电动机 ; 高功率电动机 high-compression motor 高压缩发动机 high-output three-phase induction motor 高功率三相感应电动机 high-slip induction motor 高滑差感应电动机 high-slip motor 高滑率电机 high-speed motor 高速电动机 high-speed servo motor 高速伺服电动机 high-tension motor 高压电动机 high-voltage motor 高压电动机 high-voltage synchronous motor 高压同步电动机hoisting motor 升降电动机 home motor 家用电动机 homopolar motor 单极电动机horizontal induction motor 卧式感应电动机 horizontal motor 卧式电动机 horizontal-type motor 卧式发电机 horse motor 马拉传动装置 horse-drawn motorized duster 马拉机动喷粉机 ; 马拉式机动喷粉机 hot mill motor 热轧电动机 hot motor part detection 发动机发热部分探测 hot motoring method 热机马达法 hydraulic control motor 液压控制马达 hydraulic motor drive 液力马达传动 hydraulic motor sae stall pressure 液压马达的 sae 制动压力 hydraulic motor 水力发动机 ; 液压发动机 ; 液压马达 ; 油压马达hydraulic slave motor 液压马达 hydraulic stepping motor 液压步进马达 hydraulic traversing electric motor 液压方向机电动机 hydraulic-powered wiper motor 液压式风窗刮水器的液力驱动器 hydro-electric motor 水力发动机 hydro-motor jig 流体传动跳汰机 hydro-motor 水压发动机 ; 液压发动机 ; 液压马达 ; 射水发动机 hysteresis motor 磁滞电动机 ; 磁滞式电动机 hysteresis synchronous motor 磁滞式同步电动机 ; 磁滞同步电动机 igniter motor 点火发动机 immersed torque motor 湿式力矩电动机 ; 湿式力矩马达 immersible motor 浸入型电动机 ; 潜水电动机 impulse motor 脉冲电动机 ; 脉冲马达 impulse stepping motor 脉冲步进电动机 increased-safety motor 增安型电动机independent motor drive 单独电动机传动 individual drive motor 单独传动电动机individual-drive motor 单独传动电动机 induction motor controller 感应电动机控制器induction motor 感应电动机 ; 异步电动机 induction-motor meter 感应式电度表
高压永磁同步电动机应用与研究 目前工业领域中采用的高压中、大功率异步电动机普遍存在效率偏低、功率因数差等浪费电能现象。为实现中、大功率电动机高效节能目标，高效永磁同步电动机的研发和应用已成为国内外发展的必然趋势。高效永磁同步电动机理论分析、实验室试验和国家权威机构检测成功后，对现场应用尚无完整的试验研究数据，缺少通过试验和监测手段对高效永磁同步电动机进行经济效益分析。本文通过在张家口发电厂首次应用，并通过严格试验得出相关研究数据和分析结果。 标签：高效永磁同步电动机现场方案试验研究结果分析 引言 在工业、建筑以及公用设施领域中电动机是重要的原动力设备，也是电能消耗的最大用户，和节电潜力的最大用户。2012年我国各类电动机总装机容量约为5亿千瓦，其中异步电动机的装机容量占全国电动机装机容量的90%，约占全国用电量的60%，占工业用量的75%，系统用电效率比国外先进水平低5%-15%，相当于每年浪费电能约1500亿千瓦时。 目前工业领域中采用的高压中、大功率异步电动机普遍存在效率偏低、功率因数差等浪费电能现象。而高效永磁同步电动机能否达到高效节能目标，现场应用前景如何，已经引起国内各大企业关注。2013年工业和信息化部印发（2013年工业节能与绿色发展专项行动实施方案）提出，选择电机在能效提升和绿色发展方面要取得突破。本文将通过在张家口发电厂首次应用和现场试验进行分析。为企业应用永磁同步电动机提供参考。 一、高压永磁同步电动机概述 1.高压永磁同步电动机的发展历程 电机属于电磁装置，其工作原理是通过磁场实现电能与机械能间的不断转换。在电机的工作过程中，气息磁场是必不可少的。获得磁场的方法有两种，其中一种是通过电流得到。该种电机叫做电励磁电机，这种电机需要具备专门用来产生电流磁场的绕组，同时，为了保证电流的正常流动还需要为电机提供不间断的能量供应。另一种方法是通过永磁体来获得磁场，这可以大大简化电机的结构，同时，因为永磁体一旦磁化（充磁）之后就永久具有磁性，不再需要外界供给能量，这也大大的减少了能量的损耗。 高压永磁同步电动机就是通过永磁体获得磁场的电动机，永磁体材料的发展促进了此种电动机的发展。稀土钴和钕铁硼永磁分别在20世纪60年代和80年代出现，这两种永磁材料的出现极大的促进的电动机的发展，因为这两种材料具有特别适用于电机装置的特性，包括高剩磁密度、高矫顽力、线性退磁曲线以及高磁能积。
永磁同步电动机 这些年永磁同步电动机得到较快发展，其特点是功率因数高、效率高，在许多场合开始逐步取代最常用的交流异步电机，其中异步起动永磁同步电动机的性能优越，是一种很有前途的节能电机。 永磁同步电动机的定子结构与工作原理与交流异步电动机一样，多为4极形式，三相绕组按3相4极布置，通电产生4极旋转磁场。下图是有线圈绕组的定子.如下示意图1。 图1定子铁芯与绕组 如下图2是电机机座与定子。 图2机座与定子
永磁同步电动机与普通异步电动机的不同是转子结构，转子上安装有永磁体磁极，图3左就是一个安装有永磁体磁极的转子，永磁体磁极安装在转子铁芯圆周表面上，称为凸装式永磁转子。磁极的极性与磁通走向图3右，这是一个4极转子。 图3凸装式永磁转子 根据磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用磁引力拉动转子旋转，于是永磁转子就会跟随定子产生的旋转磁场同步旋转。 图4左是另一种安装有永磁体磁极的转子，永磁体磁极嵌装在转子铁芯表面，称为嵌入式永磁转子。磁极的极性与磁通走向见图右，这也是一个4极转子。 图4嵌入式永磁转子铁芯1
图5右是一种嵌入式永磁转子，永磁体嵌装在转子铁芯内部，为防止永磁体磁通短路，在转子铁芯开有空槽或在槽内填充隔磁材料。磁极的极性与磁通走向见下右图，这也是一个4极转子。 图5嵌入式永磁转子铁芯2 下图6为装上转轴的嵌入式永磁转子 图6嵌入式永磁转 转子铁芯两侧装上风扇然后与定子机座组装成整机，见下图7。
图7永磁同步电动机剖面图 这种永磁同步电动机不能直接通三相交流的起动，因转子惯量大，磁场旋转太快，静止的转子根本无法跟随磁场旋转。这种永磁同步电动机多用在变频调速场合，启动时变频器输出频率从0开始上升到工作频率，电机则跟随变频器输出频率同步旋转，是一种很好的变频调速电动机。 通过在永磁转子上加装笼型绕组，接通电源旋转磁场一建立，就会在笼型绕组感生电流，转子就会像交流异步电动机一样起动旋转。这就是异步起动永磁同步电动机，是近些年开始普及的节能电机。如下图8为永磁转子铁芯 图8笼型绕组永磁转子铁芯 笼型转子有焊接式与铸铝式：在转子每个槽内插入铜条，铜条与转子铁芯两侧的铜端环焊接形成笼型转子；与普通交流异步电动机一样采用铸铝式转子，将熔化的铝液直接注入转子槽内，并同时铸出端环与风扇叶片，是较廉价的做法，下图9是一个铸铝式笼型转子。
完美格式整理版 第一章永磁同步电机的原理及结构 1.1永磁同步电机的基本工作原理 永磁同步电机的原理如下在电动机的定子绕组中通入三相电流，在通入电流后就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场，由于在转子上安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁极的同性相吸异性相斥的原理，在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转，最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等，所以可以把永磁同步电机的起动过程看成是由异步启动阶段和牵入同步阶段组成的。在异步启动的研究阶段中，电动机的转速是从零开始逐渐增大的，造成上诉的主要原因是 其在异步转矩、永磁发电制动转矩、 矩起的磁阻转矩和单轴转由转子磁路不对称而引等一系列的因素共同作用下而引起的，所以在这个过程中转速是振荡着上升的。在起 动过程中，质的转矩，只有异步转矩是驱动性电动机就是以这转矩来得以加速的，其 他的转矩大部分以制动性质为主。在电动机的速度由零增加到接近定子的磁场旋转转速时，在永磁体脉振转矩的影响下永磁同步电机的转速有可能会超过同步转速，而出现转速的超调现象。但经过一段时间的转速振荡后，最终在同步转矩的作用下而被牵入同步。 1.2永磁同步电机的结构 永磁同步电机主要是由转子、端盖、及定子等各部件组成的。一般来说，永磁 同步电机的最大的特点是它的定子结构与普通的感应电机的结构非常非常的相似，主要是区别于转子的独特的结构与其它电机形成了差别。和常用的异步电机的最大不同则是转子的独特的结构，在转子上放有高质量的永磁体磁极。由于在转子上安放永磁体的位置有很多选择，所以永磁同步电机通常会被分为三大类：内嵌式、面贴式以及插入式，如图1.1所示。永磁同步电机的运行性能是最受关注的，影响其性能的因素有很多，但是最主要的则是永磁同步电机的结构。就面贴式、插入式和嵌入式而言，各种结构都各有其各自的优点。
几种常用电动汽车的驱动系统的比较及永磁同步电动机的相对优势 2012年1月30日 电动汽车用永磁同步电机的发展分析 彭海涛，何志伟，余海阔 (华南理工夫学电力学院，广州510640) 摘要：简要的比较了几种常用电动汽车的驱动系统，并指出了永磁同步电动机的优势。在各类驱动电机中，永磁同步电机能量密度高，效率高、体积小、惯性低、响应快，有很好的应用前景，介绍了电动车驱动用永磁同步电机的目前研究状况以及目前的研究热点和发展趋势。关键词：电动汽车；永磁同步电机；弱磁控制；控制策略；应用 中圈分类号：TM351, TM341 文献标志码：A 文章编号：1001—6848[2010)06-0078-04 O引言 电动汽车具有低噪声、零排放、高效、节能及能源多样他和综合利用等显著优点，成为各国开发的主流。电动汽车的发展有赖于技术的进步，尤其是需要进一步提高其驱动系统的性能。电动汽车对其驱动系统的要求是转矩控制能力良好，转矩密度高，运行可靠性及在整个调速范围内的效率尽可能高，从而保证车辆具有良好的动力性能和操控性，同时在车载动力电池未能取得突破的情况下，延长车辆的续驶里程。研究并开发出高水平的电机驱动控制系统，对提高我国电动汽车驱动系统水平及电动汽车的产业化具有重要意义[2]。 随着永磁材料性能的提高和成本的降低，永磁同步电动机以其高效率、高功率因数和高功率密度等优点，正逐渐成为电动汽车驱动系统的主流电机之一。 1电动汽车用电动机及驱动系统比较 电气驱动系统作为现代电动汽车的核心，主要包括：电动机、功率电子元器件及控制部分。评价电动车的电气驱动系统实质上主要就是对不同电动机及其控制方式进行比较和分析。目前正在应用或开发的电动车用电动机主要有直流电动机(DCM)、感应电动机(IM)、永磁电动机(PM)、开关磁阻电动机(SRM)网类。下面分别对几种电气驱动系统进行简要分析和说明，其总体比较见表l。 1.1直流电动机驱动系统 在电动汽车领域最早使用的就是直流电动机。直流电动机结构简单，易于控制，具有良好的电磁转矩控制特性，但是由于采用机械换向结构，维护困难，并产生火花，容易对无线电产
电机英文专业术语总结
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电机零配件中英文对照表 Part Chinese Description English Description REMARK No. 图纸 中文描述英文描述备注 编号 定子片STATOR LAMINATION 转子片ROTOR LAMINATION 定子FRAME-STATOR-COIL 定子铁芯STATOR CORE 定子铁芯STATOR-CORE INTERLOCKED 定子铁芯STATOR CORE ASSEMBLY 转子铁芯INTERLOCKED ROTOR CORE 铸铝端盖END FRAME CAST 铸铝端盖END-FRAME MACHINED 压铸端盖END FRAME CASTING 铁端盖END FRAME-STAMPING 后盖END COVER 端盖COVER BRACKET / BRKT CSTG OP/ENCL 铸铝转子ROTOR CORE 铸铝转子cast-aluminum rotor 铸铝转子ROTOR-CORE (SPECIAL) 铸铝转子ROTOR CORE CAST/MACH. 轴SHAFT SHAFT(SINGLE FLAT) 机壳MAIN FRAME 槽楔SLOT-PEG / WEDGE 槽绝缘纸SLOT-LINER /SLOT LINER 槽绝缘INSULATION SLOT 绝缘材料INSULATION MATERIAL 保护器THERMOSTAT / PROTECTOR 热保护器THERMOSTAT-ASSEMBLY
[单体]电池cell 原电池primary cell 蓄电池secondary cell 电池battery 燃料电池fuel cell 锂电池lithium cell 熔融盐电池molten salt cell 碱性电池alkaline cell 固体电解质电池solid electrolyte cell 非水电解质电池non aqueous cell 指示电池pilot cell OEM电池OEM battery 替换电池replacement battery 储备电池reserve cell 应急电池emergency battery 缓冲电池buffer battery; back-up battery 电压标准电池standard voltage cell 韦斯顿电压标准电池 Weston standard voltage cell 激活activation 未激活的inactivated 全密封电池hermetically /sealed cell
极板plate 涂膏式极板pasted plate 极群plate group 负极板negative plate 正极板positive plate 管式极板tubular plate 极群组plate pack 极板对plate pair 隔离物spacer 隔板(plate)separator 阀valve 电池外壳cell can 电池槽cell case 电池盖cell lid 电池封口剂lid sealing compound 整体电池monobloc battery 整体槽monobloc container 边界绝缘体edge insulator 外套jacket [单体电池]电极(cell)electrode 端子terminal 端子保护套terminal protector；terminal cover
第一章永磁同步电机的原理及结构 1.1永磁同步电机的基本工作原理 永磁同步电机的原理如下在电动机的定子绕组中通入三相电流，在通入电流后 就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场，由于在转子上安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁极的同性相吸异性相斥的原理，在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转，最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等，所以可以把永磁同步电机的起动过程看成是由异步启动阶段和牵入同步阶段组成的。在异步启动的研究阶段中，电动机的转速是从零开始逐渐增大的，造成上诉的主要原因是 其在异步转矩、永磁发电制动转矩、 矩起的磁阻转矩和单轴转由转子磁路不对称而引等一系列的因素共同作用下而引起的，所以在这个过程中转速是振荡着上升的。在起 动过程中，质的转矩，只有异步转矩是驱动性电动机就是以这转矩来得以加速的，其 他的转矩大部分以制动性质为主。在电动机的速度由零增加到接近定子的磁场旋转转速时，在永磁体脉振转矩的影响下永磁同步电机的转速有可能会超过同步转速，而出现转速的超调现象。但经过一段时间的转速振荡后，最终在同步转矩的作用下而被牵入同步。 1.2永磁同步电机的结构 永磁同步电机主要是由转子、端盖、及定子等各部件组成的。一般来说，永磁同步电机的最大的特点是它的定子结构与普通的感应电机的结构非常非常的相似，主要是区别于转子的独特的结构与其它电机形成了差别。和常用的异步电机的最大不同则是转子的独特的结构，在转子上放有高质量的永磁体磁极。由于在转子上安放永磁体的位置有很多选择，所以永磁同步电机通常会被分为三大类：内嵌式、面贴式以及插入式，如图1.1所示。永磁同步电机的运行性能是最受关注的，影响其性能的因素有很多，但是最主要的则是永磁同步电机的结构。就面贴式、插入式和嵌入式而言，各种结构都各有其各自的优点。
永磁同步伺服电机（PMSM）驱动器原理 来源：开关柜无线测温 https://www.doczj.com/doc/ae3463361.html, 摘要：永磁交流伺服系统以其卓越的性能越来越广泛地应用到机器人、数控等领域，本文对其驱动器的功能实现 做了简单的描述，其中包括整流部分的整流过程、逆 变部分的脉宽调制（PWM）技术的实现、控制单元相应 的算法等三个部分。 关键词： DSP 整流逆变 PWM 矢量控制 1 引言 随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、永磁材料技术、交流可调速技术及控制技术等支撑技术的快速发展，使得永磁交流伺服技术有着长足的发展。永磁交流伺服系统的性能日渐提高，价格趋于合理，使得永磁交流伺服系统取代直流伺服系统尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域成了现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。永磁交流伺服系统具有以下等优点：（1）电动机无电刷和换向器，工作可靠，维护和保养简单；（2）定子绕组散热快；(3)惯量小，易提高系统的快速性；（4）适应于高速大力矩工作状态；（5）相同功率下，体积和重量较小，广泛的应用于机床、机械设备、搬运机构、印刷设备、装配机器人、加工机械、高速卷绕机、纺织机械等场合，满足了传动领域的发展需求。 永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已经进入了全数字的时代。全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等确定，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加的可靠。现在，高性能的伺服系统，大多数采用永磁交流伺服系统其中包括永磁
同步交流伺服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。伺服驱动器有两部分组成：驱动器硬件和控制算法。控制算法是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分，也是在技术垄断的核心。 2 交流永磁伺服系统的基本结构 交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其结构组成如图1所示。其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等等。我们的交流永磁同步驱动器其集先进的控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于高精度、高性能要求的伺服驱动领域，还体现了强大的智能化、柔性化是传统的驱动系统所不可比拟的。 目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，事项数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。 图1 交流永磁同步伺服驱动器结构 伺服驱动器大体可以划分为功能比较独立的功率板和控制板两个模块。如图2所示功率板（驱动板）是强电部，分其中包括两个单元，一是功率驱动单元IPM用于电机的驱动，二是开关电源单元为整个系统提供数字和模拟电源。 控制板是弱电部分，是电机的控制核心也是伺服驱动器技术核心控制算法的运行载体。控制板通过相应的算法输出PWM信号，
硕士学位论文 二0一五 年 六 月 作者姓名 指导教师 学科专业 控制工程 电动汽车用永磁同步电机控制系统设计 Design of permanent magnet synchronous motor control system for electric vehicle
摘要 本文在开始先介绍了研究电动汽车的背景及其意义，并介绍了电动汽车在国内外的发展现状，然后从电动汽车的燃油经济性，驱动性，安全性及舒适度，三个方面分析了电动汽车比其他燃料汽车存在的优越性。电动机是电动汽车的核心部件，本文中从其驱动方式把电动机分为四大类，直流有刷电动机，永磁同步电动机，永磁无刷直流电动机和开关磁阻电动机。本章从工作原理与性能方面分析了，这四种电动机各存在的优点和不足。从中得出永磁同步电动机是电动汽车比较理想的选择。本文刚开始介绍了永磁同步电动机PMSM的三种不同的控制方式，恒压频比控制，矢量控制，直接转矩控制，并从三者之间比较得出，PMSM采用直接转矩控制DTC的方式有着比其他两者更好的稳定性。 随后从永磁同步电动机PMSM的结构及其特点，分析了其优越性，并建立数学模型，根据空间矢量坐标关系推导出PMSM的在各坐标系下DTC的原理。本章分析了定子磁链与电磁转矩的估算和滞环控制，通过其原理研究了开关表控制的方式，并对PMSM的直接转矩控制DTC的Matlab/Simulink仿真，最终得出了DTC 较其它控制方式的稳定性。 其次分析了永磁同步电机PMSM的直接转矩控制DTC存在的诸多缺点，并提出基于SVM技术的SVPWM的控制方式，即空间矢量调制DTC控制策略，通过Matlab/Simulink仿真，得出SVPWM比PMSM DTC有着更好的稳定性。 TI公司推出的TMS320F2812 DSP芯片的控制系统设计，从硬件电路的设计和软件的设计，两个方面研究了该芯片。DSP硬件方面包含了智能模块的自保护特性，并设计了检测电路，保护电路，驱动电路和CAN通信等模块，软件系统方面分析了，其初始化流程图，接收流程图等。 关键词：永磁同步电机；直接转矩控制；DSP；SVPWM
高压永磁同步电动机应用与研究 摘要：目前工业领域中采用的高压中、大功率异步电动机普遍存在效率偏低、功率因数差等浪费电能现象。为实现中、大功率电动机高效节能目标，高效永磁同步电动机的研发和应用已成为国内外发展的必然趋势。高效永磁同步电动机理论分析、实验室试验和国家权威机构检测成功后，对现场应用尚无完整的试验研究数据，缺少通过试验和监测手段对高效永磁同步电动机进行经济效益分析。本文通过在张家口发电厂首次应用，并通过严格试验得出相关研究数据和分析结果。 关键词：高效永磁同步电动机试验研究结果分析现场方案 引言 在工业、建筑以及公用设施领域中电动机是重要的原动力设备，也是电能消耗的最大用户，和节电潜力的最大用户。2012年我国各类电动机总装机容量约为5亿千瓦，其中异步电动机的装机容量占全国电动机装机容量的90%，约占全国用电量的60%，占工业用量的75%，系统用电效率比国外先进水平低5%-15%，相当于每年浪费电能约1500亿千瓦时。 目前工业领域中采用的高压中、大功率异步电动机普遍存在效率偏低、功率因数差等浪费电能现象。而高效永磁同步电动机能否达到高效节能目标，现场应用前景如何，已经引起国内各大企业关注。2013年工业和信息化部印发(2013年工业节能与绿色发展专项行动实施方案)提出，选择电机在能效提升和绿色发展方面要取得突破。本文将通过在张家口发电厂首次应用和现场试验进行分析。为企业应用永磁同步电动机提供参考。 一、高压永磁同步电动机概述 1、高压永磁同步电动机的发展历程 电机属于电磁装置，其工作原理是通过磁场实现电能与机械能间的不断转换。在电机的工作过程中，气息磁场是必不可少的。获得磁场的方法有两种，其中一种是通过电流得到。该种电机叫做电励磁电机，这种电机需要具备专门用来产生电流磁场的绕组，同时，为了保证电流的正常流动还需要为电机提供不间断的能量供应。另一种方法是通过永磁体来获得磁场，这可以大大简化电机的结构，同时，因为永磁体一旦磁化(充磁)之后就永久具有磁性，不再需要外界供给能量，这也大大的减少了能量的损耗。 高压永磁同步电动机就是通过永磁体获得磁场的电动机，永磁体材料的发展促进了此种电动机的发展。稀土钴和钕铁硼永磁分别在20世纪60年代和80年代出现，这两种永磁材料的出现极大的促进的电动机的发展，因为这两种材料具有特别适用于电机装置的特性，包括高剩磁密度、高矫顽力、线性退磁曲线以及高磁能积。 我国专家学者自主开发的高效高压永磁同步电动机，采用实心转子磁极铁芯和启动笼复合结构，消弱了齿谐波，减少了转子表面损耗，提高了电机效率。同时，非均匀气隙和优化通风散热，有效的控制了电机温升。该种电机同异步电机相比各项指标显著提供，额定负载效率大于96%，功率因数大于0.98，综合节电率在8%-15%。 2、高压永磁同步电动机的优点
关于1.5KW永磁同步电机控制器的初步方案 基于永磁同步电机自身的结构特点，要实现对转速及位置的伺服控制，采用矢量控制算法结合SVPWM技术实现对电机的精确控制，通过改变电机定子电压频率即可实现调速，为防止失步，采用自控方式，利用转子位置检测信号控制逆变器输出电流频率，同时转子位置检测信号作为同步电机的启动以及实现位置伺服功能的组成部分。 矢量控制的基本思想是在三相永磁同步电动机上设法模拟直流 电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分量分解成产生磁通的励磁电流分量id和产生转矩的转矩电流iq分量，并使两分量互相垂直，彼此独立。当给定Id=0，这时根据电机的转矩公式可以得到转矩与主磁通和iq乘积成正比。由于给定Id=0，那么主磁通就基本恒定，这样只要调节电流转矩分量iq就可以像控制直流电动机一样控制永磁同步电机。 根据这一思想，初步设想系统的主要组成部分为：主控制板部分，电源及驱动板部分，输入输出部分。 其中主控制板部分即DSP板，根据控制指令和位置速度传感器以及采集的电压电流信号进行运算，并输出用于控制逆变器部分的控制信号。 电源和驱动板部分主要负责给各个部分供电，并提供给逆变器部分相应的驱动信号，以及将控制信号与主回路的高压部分隔离开。 输入输出部分用来输入控制量，显示实时信息等。
原理框图如下： 基本控制过程：速度给定信号与检测到的转子信号相比较，经过速度控制器的调节，产生定子电流转矩分量Isq_ref，用这个电流量作为电流控制器的给定信号。励磁分量Isd_ref由外部给定，当励磁分量为零时，从电机端口看，永磁同步电机相当于一台他励直流电机，磁通基本恒定，简化了控制问题。另一端通过电流采样得到三相定子电流，经过Clarke变换将其变为α-β两相静止坐标系下的电流，再通过park 变换将其变为d-q两相旋转坐标系下电流Isq，Isd，分别与两个调节器的参考值比较，经过控制器调节后变为电压信号Vsd_ref和Vsq_ref，再经过park逆变换，得到Vsa_ref和Vsb_ref作为SVPWM的控制信
induction machine 感应式电机horseshoe magnet 马蹄形磁铁magnetic field 磁场 eddy current 涡流 right-hand rule 右手定则 left-hand rule 左手定则 slip 转差率 induction motor 感应电动机 rotating magnetic field 旋转磁场winding 绕组 stator 定子 rotor 转子 induced current 感生电流 time-phase 时间相位 exciting voltage 励磁电压 solt 槽 lamination 叠片 laminated core 叠片铁芯 short-circuiting ring 短路环squirrel cage 鼠笼 rotor core 转子铁芯 cast-aluminum rotor 铸铝转子 bronze 青铜 horsepower 马力 random-wound 散绕 insulation 绝缘 ac motor 交流环电动机 end ring 端环 alloy 合金 coil winding 线圈绕组 form-wound 模绕 performance characteristic 工作特性frequency 频率 revolutions per minute 转/分motoring 电动机驱动 generating 发电 per-unit value 标么值 breakdown torque 极限转矩breakaway force 起步阻力overhauling 检修 wind-driven generator 风动发电机revolutions per second 转/秒number of poles 极数 speed-torque curve 转速力矩特性曲线plugging 反向制动 synchronous speed 同步转速percentage 百分数 locked-rotor torque 锁定转子转矩full-load torque 满载转矩 prime mover 原动机 inrush current 涌流 magnetizing reactance 磁化电抗line-to-neutral 线与中性点间的stator winding 定子绕组 leakage reactance 漏磁电抗 no-load 空载 full load 满载 Polyphase 多相(的) iron-loss 铁损 complex impedance 复数阻抗 rotor resistance 转子电阻leakage flux 漏磁通 locked-rotor 锁定转子 chopper circuit 斩波电路separately excited 他励的compounded 复励 dc motor 直流电动机 de machine 直流电机 speed regulation 速度调节 shunt 并励 series 串励 armature circuit 电枢电路 optical fiber 光纤 interoffice 局间的 waveguide 波导波导管 bandwidth 带宽 light emitting diode 发光二极管silica 硅石二氧化硅regeneration 再生, 后反馈放大coaxial 共轴的,同轴的 high-performance 高性能的 carrier 载波 mature 成熟的 Single Side Band(SSB) 单边带coupling capacitor 结合电容propagate 传导传播 modulator 调制器 demodulator 解调器