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新能源純電動汽車永磁同步電機介紹

永磁同步電機具有高效、高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性及低振動噪聲的特點，通過合理設(shè)計永磁磁路結(jié)構(gòu)能獲得較高的弱磁性能，在電動汽車驅(qū)動方面具有很高的應用價值，受到國內(nèi)外電動汽車界的高度重視，是最具競爭力的電動汽車驅(qū)動電機系統(tǒng)之一。

一、永磁同步電機的結(jié)構(gòu)

永磁同步電機分為正弦波驅(qū)動電流的永磁同步電機和方波驅(qū)動電流的永磁同步電機。這里介紹的主要是三相正弦波驅(qū)動的永磁同步電機。

永磁同步電機的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-81所示，和傳統(tǒng)電機一樣，主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成。

定子與普通電機基本相同，由電樞鐵芯和電樞繞組構(gòu)成。電樞鐵芯一般采用0.5mm硅鋼沖片疊壓而成，對于具有高效率指標或頻率較高的電機，為了減少鐵耗，可以考慮使用0.35mm的低損耗冷軋無取向硅鋼片。電樞繞組則普遍采用分布、短距繞組;對于極數(shù)較多的電機，則普遍采用分數(shù)槽繞組;需要進一步改善電動勢波形時，也可以考慮采用正弦繞組或其他特殊繞組。

轉(zhuǎn)子主要由永磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)軸等構(gòu)成。其中永磁體主要采用鐵氧體永磁和釹鐵硼永磁材料;轉(zhuǎn)子鐵芯可根據(jù)磁極結(jié)構(gòu)的不同，選用實心鋼，或采用鋼板或硅鋼片沖制后疊壓而成。

與普通電機相比，永磁同步電機還必須裝有轉(zhuǎn)子永磁體位置檢測器，用來檢測磁極位置，并以此對電樞電流進行控制，達到對永磁同步電機驅(qū)動控制的目的。

按照永磁體在轉(zhuǎn)子上位置的不同，永磁同步電機的磁極結(jié)構(gòu)可分為表面式和內(nèi)置式2種。

(1)表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)　表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵芯的外表面上，永磁體提供磁通的方向為徑向。表面式結(jié)構(gòu)又分為凸出式和嵌入式兩種，如圖1-82所示。對采用稀土永磁材料的電機來說，由于永磁材料的相對回復磁導率接近1，所以表面凸出式轉(zhuǎn)子在電磁性能上屬于隱極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu);而嵌入式轉(zhuǎn)子的相鄰兩永磁磁極間有著磁導率很大的鐵磁材料，故在電磁性能上屬于凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

表面凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本較低、轉(zhuǎn)動慣量小等優(yōu)點，在矩形波永磁同步電機和恒功率運行范圍不寬的正弦波永磁同步電機中得到了廣泛應用。此外，表面凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的永磁磁極易于實現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計，使其成為能使電機氣隙磁密波形趨近于正弦波的磁極形狀，可顯著提高電機乃至整個傳動系統(tǒng)的性能。

表面嵌入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可充分利用轉(zhuǎn)子磁路不對稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，提高電機的功率密度，動態(tài)性能較凸出式有所改善，制造工藝也較簡單，常被某些調(diào)速永磁同步電機所采用，但漏磁系數(shù)和制造成本都較凸出式大。

(2)內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)　內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體外表面與定子鐵芯內(nèi)圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，極靴中可以放置鑄鋁籠或銅條籠，起阻尼或啟動作用，動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能好，廣泛用于要求有異步啟動能力或動態(tài)性能高的永磁同步電機。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁體受到極靴的保護，其轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的不對稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩也有助于提高電機的過載能力或功率密度，而且易于弱磁擴速。

徑向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機的磁鋼放在磁通軸的非對稱位置上或同時利用徑向和切向充磁的磁鋼，以產(chǎn)生高磁通密度。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是漏磁系數(shù)小，轉(zhuǎn)軸上不需采取隔磁措施，極弧系數(shù)易于控制，轉(zhuǎn)子沖片機械強度高，安裝永磁體后轉(zhuǎn)子不易變形等。

切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子有較大的慣性，漏磁系數(shù)較大，制造工藝和成本較徑向式有所增加。其優(yōu)點是一個極距下的磁通由相鄰兩個磁極并聯(lián)提供，可得到更大的每極磁通。尤其當電機極數(shù)較多、徑向式結(jié)構(gòu)不能提供足夠的每極磁通時，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢就顯得更為突出。此外，采用該結(jié)構(gòu)的永磁同步電機的磁阻轉(zhuǎn)矩可占到總電磁轉(zhuǎn)矩的40%，對提高電機的功率密度和擴展恒功率運行范圍都是很有利的。

混合式結(jié)構(gòu)集中了徑向式和切向式的優(yōu)點，但結(jié)構(gòu)和制造工藝都比較復雜，制造成本也比較高。

二、永磁同步電機的工作原理

永磁同步電機的工作原理如圖1-84所示，圖中n 為電機轉(zhuǎn)速，n 0 為同步轉(zhuǎn)速，T 為轉(zhuǎn)矩，θ 為功率角。電機的轉(zhuǎn)子是一個永磁體，N、S極沿圓周方向交替排列，定子可以看成是一個以速度n 0 旋轉(zhuǎn)的磁場。電機運行時，定子存在旋轉(zhuǎn)磁動勢，轉(zhuǎn)子像磁針在旋轉(zhuǎn)磁場中旋轉(zhuǎn)一樣，隨著定子的旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)。

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