电动汽车的永磁同步电机「电动汽车永磁同步电机好不好」

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永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM）具有高效、高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性及低振动噪声的特点，通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能，在电动汽车驱动方面具有很高的应用价值，受到国内外电动汽车界的高度重视，是最具竞争力的电动汽车驱动电机系统之一。

1.永磁同步电动机的结构与特点

1)．永磁同步电动机结构

永磁同步电动机分为正弦波驱动电流的永磁同步电动机和方波驱动电流的永磁同步电动机。这里介绍的主要是以三相正弦波驱动的永磁同步电动机。

永磁同步电动机的结构示意图：

表面嵌入式转子结构：

内置式转子结构：

2)．永磁同步电动机的特点

优点：

（1）用永磁体取代绕线式同步电动机转子中的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，以电子换向实现无刷运行，结构简单，运行可靠；

（2）永磁同步电动机的转速与电源频率间始终保持准确的同步关系，控制电源频率就能控制电动机的转速；

（3）永磁同步电动机具有较硬的机械特性，对于因负载的变化而引起的电动机转矩的扰动具有较强的承受能力；

（4）永磁电动机转子为永久磁铁无需励磁，因此电动机可以在很低的转速下保持同步运行，调速范围宽；

（5）永磁同步电动机与异步电动机相比，不需要无功励磁电流，因而功率因数高，定子电流和定子铜耗小，效率高；

（6）体积小、重量轻。

（7）结构多样化，应用范围广。

缺点：

（1）由于永磁同步电动机转子为永磁体，无法调节，必须通过加定子直轴去磁电流分量来削弱磁场，这会增大定子的电流，增加电动机的铜耗；

（2）永磁电动机的磁钢价格较高。

2.永磁同步电动机的运行原理与特性

1)．电枢反应

永磁同步电动机带负载时，气隙磁场是永磁体磁动势和电枢磁动势共同建立的。电枢磁动势对气隙磁场有影响，电枢磁动势的基波对气隙磁场的影响称为电枢反应。

电枢反应不仅使气隙磁场波形发生畸变，而且还会产生去磁或增磁作用，因此，气隙磁场将影响永磁同步电动机的运行特性。

2)．电压方程式

忽略磁饱和效应的影响，永磁同步电动机的电压方程式为

式中，

为电枢端电压；

为励磁电动势；

为电枢电流；

为电枢电流在d轴的分量；

为电枢电流在q轴的分量；

为电枢绕组电阻；

为直轴同步电抗；

为交轴同步电抗。

3)．功率与转矩

当永磁同步电动机具有滞后功率因数并考虑电枢电阻的影响，电动机从电网输入的电功率为

式中，

为电动机的功率角。 电动机的电磁功率为：

式中，

为电动机的电枢绕组铜耗。如果忽略电枢电阻的影响，则

上式的前半部分称为基本电磁功率，由永磁磁场与电枢磁场相互作用产生；后半部分因凸极效应产生，称为附加电磁功率或磁阻功率。

永磁同步电动机的功角特性和矩角特性：

电磁功率与功率角的关系称为永磁同步电动机的功角特性。

4)．运行特性

永磁同步电动机的运行特性主要是机械特性和工作特性。

永磁同步电动机机械特性为平行于横轴的直线，调节电源频率来调节电动机转速时，转速将严格地与频率成正比例变化。

永磁同步电动机的工作特性是指当电源电压恒定时，电动机的输入功率、电枢电流、效率、功率因数等随输出功率变化的关系。

永磁同步电动机的机械特性：

永磁同步电动机的工作特性：

3.永磁同步电动机的数学模型

假定：

（1）磁路不饱和，电动机电感不受电流变化影响，不计涡流和磁滞损耗；

（2）忽略齿槽、换相过程和电枢反应的影响；

（3）电动机的反电动势是正弦的；

（4）电动机各相绕组电阻相等；

（5）转子上无阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用。

静止三相坐标系(ABC)模型：

三相绕组的静止坐标系(ABC)电压方程为：

通过坐标变换，可以将永磁同步电动机在ABC三相静止坐标系下的电压电流量变换到转子坐标系下。由此可以得：

电磁转矩方程为：

式中，

为电动机磁极对数；

为永磁体产生的磁链；

，

直交流电感；

，

为直交流电流。定子电流空间矢量 ；

与定子磁链空间矢量

同相， 且定子磁链与永磁体产生的气隙磁场间的空间角度为

，则

下式代入上式得到：

由上式可以看出，永磁同步电动机输出转矩中包含两个分量，第一项是由两磁场互相作用所产生的电磁转矩，第二项是由凸极效应引起，并与两轴电感参数的差值成正比的磁阻转矩。

4.永磁同步电动机的控制

1).恒压频比开环控制(VVVF )

VVVF的控制变量为电动机的外部变量即电压和频率。控制系统将参考电压和频率输入到实现控制策略的调制器中，最后由逆变器产生一个交变的正弦电压施加在电动机的定子绕组上，使之运行在指定的电压和参考频率下。

2)．矢量控制

永磁同步电动机矢量控制策略与异步电动机矢量控制策略有些不同。由于永磁同步电动机转速和电源频率严格同步，其转子转速等于旋转磁场转速，转差恒等于零，没有转差功率，控制效果受转子参数影响小。因此，在永磁同步电动机上更容易实现矢量控制。

永磁同步电动机矢量控制系统框图

3)．直接转矩控制

实际系统中，开关信号是由转矩和定子磁链的给定值与反馈值的偏差经滞环比较得到。而转矩和定子磁链的给定值是由电磁转矩和定子磁链估算模型计算得到的。

PMSM直接转矩控制系统结构

4)．智能控制

采用智能控制方法的永磁同步电机控制系统，在多环控制结构中，智能控制器处于最外环充当速度控制器，而内环电流控制、转矩控制仍采用PI控制、直接转矩控制这些方法。