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新能源純電動(dòng)汽車(chē)永磁同步電機介紹
永磁同步電機具有高效、高控制精度、高轉矩密度、良好的轉矩平穩性及低振動(dòng)噪聲的特點(diǎn)，通過(guò)合理設計永磁磁路結構能獲得較高的弱磁性能，在電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)方面具有很高的應用價(jià)值，受到國內外電動(dòng)汽車(chē)界的高度重視，是最具競爭力的電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)電機系統之一。
一、永磁同步電機的結構
永磁同步電機分為正弦波驅動(dòng)電流的永磁同步電機和方波驅動(dòng)電流的永磁同步電機。這里介紹的主要是三相正弦波驅動(dòng)的永磁同步電機。
永磁同步電機的結構示意圖如圖1-81所示，和傳統電機一樣，主要由定子和轉子兩大部分構成。
定子與普通電機基本相同，由電樞鐵芯和電樞繞組構成。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(wú)取向硅鋼片。電樞繞組則普遍采用分布、短距繞組;對于極數較多的電機，則普遍采用分數槽繞組;需要進(jìn)一步改善電動(dòng)勢波形時(shí)，也可以考慮采用正弦繞組或其他特殊繞組。
轉子主要由永磁體、轉子鐵芯和轉軸等構成。其中永磁體主要采用鐵氧體永磁和釹鐵硼永磁材料;轉子鐵芯可根據磁極結構的不同，選用實(shí)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子永磁體位置檢測器，用來(lái)檢測磁極位置，并以此對電樞電流進(jìn)行控制，達到對永磁同步電機驅動(dòng)控制的目的。
按照永磁體在轉子上位置的不同，永磁同步電機的磁極結構可分為表面式和內置式2種。
(1)表面式轉子磁路結構 表面式轉子磁路結構中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉子鐵芯的外表面上，永磁體提供磁通的方向為徑向。表面式結構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(lái)說(shuō)，由于永磁材料的相對回復磁導率接近1，所以表面凸出式轉子在電磁性能上屬于隱極轉子結構;而嵌入式轉子的相鄰兩永磁磁極間有著(zhù)磁導率很大的鐵磁材料，故在電磁性能上屬于凸極轉子結構。
表面凸出式轉子結構具有結構簡(jiǎn)單、制造成本較低、轉動(dòng)慣量小等優(yōu)點(diǎn)，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，表面凸出式轉子結構中的永磁磁極易于實(shí)現最優(yōu)設計，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(zhù)提高電機乃至整個(gè)傳動(dòng)系統的性能。
表面嵌入式轉子結構可充分利用轉子磁路不對稱(chēng)性所產(chǎn)生的磁阻轉矩，提高電機的功率密度，動(dòng)態(tài)性能較凸出式有所改善，制造工藝也較簡(jiǎn)單，常被某些調速永磁同步電機所采用，但漏磁系數和制造成本都較凸出式大。
(2)內置式轉子磁路結構 內置式結構的永磁體位于轉子內部，永磁體外表面與定子鐵芯內圓之間有鐵磁物質(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(dòng)作用，動(dòng)態(tài)和穩態(tài)性能好，廣泛用于要求有異步啟動(dòng)能力或動(dòng)態(tài)性能高的永磁同步電機。內置式轉子內的永磁體受到極靴的保護，其轉子磁路結構的不對稱(chēng)性所產(chǎn)生的磁阻轉矩也有助于提高電機的過(guò)載能力或功率密度，而且易于弱磁擴速。
徑向式轉子結構的永磁同步電機的磁鋼放在磁通軸的非對稱(chēng)位置上或同時(shí)利用徑向和切向充磁的磁鋼，以產(chǎn)生高磁通密度。該結構的優(yōu)點(diǎn)是漏磁系數小，轉軸上不需采取隔磁措施，極弧系數易于控制，轉子沖片機械強度高，安裝永磁體后轉子不易變形等。
切向式轉子結構的轉子有較大的慣性，漏磁系數較大，制造工藝和成本較徑向式有所增加。其優(yōu)點(diǎn)是一個(gè)極距下的磁通由相鄰兩個(gè)磁極并聯(lián)提供，可得到更大的每極磁通。尤其當電機極數較多、徑向式結構不能提供足夠的每極磁通時(shí)，這種結構的優(yōu)勢就顯得更為突出。此外，采用該結構的永磁同步電機的磁阻轉矩可占到總電磁轉矩的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。
混合式結構集中了徑向式和切向式的優(yōu)點(diǎn)，但結構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 為電機轉速，n 0 為同步轉速，T 為轉矩，θ 為功率角。電機的轉子是一個(gè)永磁體，N、S極沿圓周方向交替排列，定子可以看成是一個(gè)以速度n 0 旋轉的磁場(chǎng)。電機運行時(shí)，定子存在旋轉磁動(dòng)勢，轉子像磁針在旋轉磁場(chǎng)中旋轉一樣，隨著(zhù)定子的旋轉磁場(chǎng)同步旋轉。
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