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      3. 淺談電動汽車電機-永磁同步電機(PMSM)

        2024-04-19 08:37:04·  來源:TechPlus工坊
         


        PMSM 永磁同步電機是一種廣泛應用于電動汽車的永磁電機。PMSM 電機的效率比感應電機高出 15%,是功率密度最高的牽引電機。


        1  什么是永磁同步電機PMSM?


        永磁同步電機是交流同步電機的一種,其磁場由產生正弦反向電磁場的永磁體激發。它包含與感應電機相同的轉子和定子,但轉子使用永磁體來產生磁場。因此,轉子上無需纏繞磁場繞組。它也被稱為三相無刷永磁正弦波電機。


        永磁同步電機原理


        與傳統電機相比,永磁同步電機效率高、無刷、速度快、安全、動態性能高。它能產生平穩的扭矩,噪音低,主要用于機器人等高速應用領域。它是一種三相交流同步電機,與外加交流電源同步運行。


        轉子不使用繞組,而是安裝永久磁鐵來產生旋轉磁場。由于沒有直流電源,這類電機非常簡單,成本也較低。它包含一個安裝有 3 個繞組的定子和一個安裝有永久磁鐵以產生磁場磁極的轉子。向定子提供三相輸入交流電源即可開始工作。


        圖片


        永磁同步電機的工作原理與同步電機類似。它依靠旋轉磁場在同步速度下產生電動勢。當定子繞組通過三相電源通電時,氣隙之間會產生旋轉磁場。


        當轉子磁極以同步速度保持旋轉磁場,轉子連續旋轉時,就會產生扭矩。由于這些電機不是自啟動電機,因此有必要提供變頻電源。


        2  PMSM電機的結構


        PMSM 電機的定子:


        與普通交流感應電機一樣,電力通過定子繞組提供。PMSM 定子繞組通常分布在多個槽上,以接近正弦分布,從而產生正弦波形的反向電動勢波形。


        PMSM 電機的轉子:


        永磁同步電機的結構與基本同步電機相似,唯一不同的是轉子。轉子沒有任何磁場繞組,但永磁體用于產生磁場磁極。PMSM 中使用的永磁體由釤鈷和介質、鐵和硼組成,因為它們具有較高的磁導率。


        最廣泛使用的永磁體是釹硼鐵,因為其成本低廉且易于獲得。在這種類型中,永磁體安裝在轉子上。根據永磁體在轉子上的安裝方式,永磁同步電機的結構可分為兩種。


        如果磁鐵安裝在電機轉子的表面,則 PMSM 電機稱為表面安裝式永磁電機Surface-mounted Permanent Magnet(SPM)。


        如果磁鐵安裝在轉子內部,則 PMSM 電機稱為內部安裝永久磁鐵同步電機Interior Permanent Magnet (IPM)。帶有內部永磁(IPM)轉子的電機可提供極高的效率。


        IPM SM 電機的結構


        3  PMSM控制原理


        PMSM 驅動器是用于永磁同步電機的經典矢量控制驅動器。該驅動器采用基于矢量控制方法的閉環速度控制。閉環配置提供速度反饋。通過反饋,驅動器可跟蹤轉子的準確位置,提供真正的無級調速范圍,包括零轉速時的全扭矩。


        PMSM 電機需要在轉子軸上安裝位置傳感器。電機最常用的傳感器是編碼器和旋轉變壓器。



        這些永磁驅動器使用電機數據和電流測量值來計算轉子位置;數字信號處理器 (DSP) 的計算相當精確。在每個采樣間隔內,與時間和速度相關的三相交流系統被轉換為旋轉的雙坐標系統,其中每個電流都以兩個矢量之和的形式進行表達和控制。


        根據矢量控制策略,得出了與指令轉矩相對應的定子電流參考直交和正交 (dq) 分量。然后利用定子電流的參考 dq 分量,獲得逆變器所需的柵極驅動信號。


        該驅動器的主要優勢在于其快速的動態響應。機器中轉矩和磁通之間固有的耦合效應可通過解耦控制(定子磁通定向)進行管理,從而實現轉矩和磁通的獨立控制。然而,由于其計算復雜性,這種驅動器的實施需要快速計算處理器或 DSP。


        4  PMSM的優點和缺點


        優點


        PMSM 具有很強的過載能力。PMSM 的功率密度高于感應電機。


        與感應電機相比,效率更高,尺寸更?。ㄓ来烹姍C的尺寸僅為大多數交流電機的三分之一,這使得安裝和維護更加容易)。


        PMSM 能夠在低速時保持全扭矩。


        PMSM 電機使用磁鐵產生轉子磁場,而不是像感應電機那樣使用定子電流的磁化分量。這些磁鐵幾乎不消耗功率,因此與交流感應電機和勵磁同步電機不同,轉子的銅損耗可以忽略不計。


        與感應電機相比,PMSM 的轉子電氣損耗低,散熱少。此外,由于不像感應電機那樣需要磨損機械集電極和電刷,因此摩擦小,耐用性高。


        PMSM 的維護成本低、耐用性和可靠性高。對于無刷和機械開關而言,定期維護的成本大大降低,并且消除了在特殊環境中產生火花的風險。


        PMSM 電機以更高的功率因數運行,從而提高了整個系統的功率因數。功率因數的提高還能降低系統壓降和電機終端的壓降。


        提供平穩的扭矩和動態性能 


        缺點


        與感應電機相比,這類電機非常昂貴


        由于不是自啟動電機,因此啟動困難。


        我們需要一個復雜的控制系統來控制定子電流。


         
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