《高性能永磁同步電動(dòng)機(jī)》課件

高性能永磁同步電動(dòng)機(jī)高效節(jié)能、功率密度大動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制精度高目錄1基本概念與原理定義、發(fā)展歷史、優(yōu)勢(shì)和比較2結(jié)構(gòu)與模型構(gòu)造特點(diǎn)、數(shù)學(xué)模型3控制策略與設(shè)計(jì)控制方法、性能指標(biāo)、應(yīng)用領(lǐng)域制造與發(fā)展趨勢(shì)第一部分：永磁同步電動(dòng)機(jī)概述高性能高效率、高功率因數(shù)永磁體提供恒定磁場(chǎng)同步原理轉(zhuǎn)子與磁場(chǎng)同速旋轉(zhuǎn)永磁同步電動(dòng)機(jī)的定義基本定義轉(zhuǎn)子由永磁體構(gòu)成轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步工作特點(diǎn)無需勵(lì)磁電流高功率密度主要分類表貼式內(nèi)嵌式永磁同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷史1早期階段20世紀(jì)初期鐵氧體永磁材料2發(fā)展階段20世紀(jì)60-70年代稀土永磁材料出現(xiàn)3成熟階段20世紀(jì)80年代至今高性能永磁體應(yīng)用4智能化階段21世紀(jì)數(shù)字控制與集成化永磁同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)高效率無轉(zhuǎn)子銅耗高功率密度體積小、質(zhì)量輕低溫升散熱性能好快速響應(yīng)動(dòng)態(tài)性能優(yōu)越永磁同步電動(dòng)機(jī)與其他電機(jī)類型的比較電機(jī)類型效率功率密度控制復(fù)雜度成本永磁同步電機(jī)非常高高中等高異步電機(jī)中等中等低低直流電機(jī)低低低中等開關(guān)磁阻電機(jī)高中等高低第二部分：永磁同步電動(dòng)機(jī)的基本原理磁場(chǎng)產(chǎn)生永磁體與定子電流磁場(chǎng)相互作用定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)矩生成磁場(chǎng)合成產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩機(jī)械運(yùn)動(dòng)電磁能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能電磁感應(yīng)原理電流通過導(dǎo)體定子繞組通電產(chǎn)生磁場(chǎng)形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁場(chǎng)相互作用轉(zhuǎn)子永磁體受力產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)同步轉(zhuǎn)速概念ns同步轉(zhuǎn)速ns=60f/pf電源頻率單位：赫茲(Hz)p極對(duì)數(shù)磁極對(duì)的數(shù)量0轉(zhuǎn)差率永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)差為零永磁體磁場(chǎng)與定子磁場(chǎng)相互作用定子磁場(chǎng)產(chǎn)生三相電流形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)1轉(zhuǎn)子永磁場(chǎng)永磁體提供恒定磁場(chǎng)2磁場(chǎng)耦合兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用3力矩生成產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩4轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)制磁場(chǎng)相互作用定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁場(chǎng)兩個(gè)磁場(chǎng)間存在角度差電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式Te=3p/2·λf·iqλf：永磁體磁鏈iq：q軸電流轉(zhuǎn)矩控制方法通過調(diào)節(jié)電流大小改變磁場(chǎng)角度第三部分：永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)定子結(jié)構(gòu)鐵芯和繞組轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁體布置外殼和冷卻系統(tǒng)機(jī)械保護(hù)和散熱定子結(jié)構(gòu)定子鐵芯疊壓硅鋼片構(gòu)成定子槽放置繞組導(dǎo)線定子繞組三相對(duì)稱分布絕緣系統(tǒng)保證電氣安全轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)表貼式轉(zhuǎn)子永磁體貼附于轉(zhuǎn)子表面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，氣隙磁密高內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子永磁體嵌入轉(zhuǎn)子內(nèi)部機(jī)械強(qiáng)度高，可實(shí)現(xiàn)弱磁控制混合式轉(zhuǎn)子結(jié)合兩種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)提高整體性能永磁體材料及其特性繞組配置分布式繞組減小諧波，提高效率集中式繞組端部短，銅耗小分?jǐn)?shù)槽繞組減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)整數(shù)槽繞組制造簡(jiǎn)單，成本低第四部分：永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型坐標(biāo)變換理論三相靜止坐標(biāo)系a、b、c三相兩相靜止坐標(biāo)系α-β坐標(biāo)系兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q坐標(biāo)系電壓方程d軸電壓方程ud=Rs·id+pψd-ωe·ψqud：d軸電壓分量Rs：定子電阻q軸電壓方程uq=Rs·iq+pψq+ωe·ψduq：q軸電壓分量ωe：電角速度磁鏈方程d軸磁鏈方程ψd=Ld·id+ψfLd：d軸電感ψf：永磁體磁鏈q軸磁鏈方程ψq=Lq·iqLq：q軸電感iq：q軸電流氣隙磁鏈ψg=√(ψd2+ψq2)綜合反映磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)矩方程基本轉(zhuǎn)矩方程Te=3p/2·[ψf·iq+(Ld-Lq)·id·iq]永磁轉(zhuǎn)矩分量Tem=3p/2·ψf·iq磁阻轉(zhuǎn)矩分量Ter=3p/2·(Ld-Lq)·id·iq第五部分：永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制策略優(yōu)化控制最優(yōu)效率或功率控制高級(jí)控制弱磁控制、MTPA控制矢量控制基于磁場(chǎng)定向的控制矢量控制原理電流測(cè)量獲取三相電流信息坐標(biāo)變換三相電流轉(zhuǎn)換為d-q分量電流控制獨(dú)立控制d軸和q軸電流4PWM調(diào)制生成變頻器控制信號(hào)Id=0控制控制原理保持d軸電流為零只通過q軸電流控制轉(zhuǎn)矩控制特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)適用于非凸極電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程Te=3p/2·ψf·iq轉(zhuǎn)矩與q軸電流成正比最大轉(zhuǎn)矩每安培控制MTPA原理最大化轉(zhuǎn)矩/電流比1電流軌跡最優(yōu)id、iq組合2計(jì)算方法求解非線性方程3應(yīng)用條件主要用于凸極電機(jī)4弱磁控制恒轉(zhuǎn)矩區(qū)基速以下，最大轉(zhuǎn)矩控制過渡區(qū)開始施加負(fù)d軸電流3弱磁區(qū)增大負(fù)d軸電流，減弱氣隙磁場(chǎng)深度弱磁區(qū)接近電壓和電流極限最大功率控制功率最大化同時(shí)考慮電壓和電流約束電流軌跡優(yōu)化在約束條件下尋找最優(yōu)電流效率平衡兼顧損耗和功率輸出應(yīng)用場(chǎng)景電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第六部分：高性能永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)整體設(shè)計(jì)目標(biāo)高效率、高功率密度低振動(dòng)噪聲、高可靠性關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)磁路優(yōu)化熱管理技術(shù)分析方法有限元分析多物理場(chǎng)耦合分析磁路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)繞組設(shè)計(jì)線徑、匝數(shù)、連接方式絕緣系統(tǒng)溫度等級(jí)、耐壓等級(jí)端部連接接線盒設(shè)計(jì)、導(dǎo)線排布傳感器布置溫度、位置傳感器安裝位置熱設(shè)計(jì)損耗分析銅耗、鐵耗、機(jī)械損耗冷卻方式自然冷卻、風(fēng)冷、水冷溫度分布熱點(diǎn)識(shí)別與控制材料選擇高導(dǎo)熱材料應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)軸承設(shè)計(jì)壽命計(jì)算、潤(rùn)滑方式1外殼結(jié)構(gòu)防護(hù)等級(jí)、散熱性能2轉(zhuǎn)子平衡動(dòng)平衡測(cè)試與調(diào)整3振動(dòng)控制共振頻率避開、減振措施4第七部分：永磁同步電動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)95%+效率高效能量轉(zhuǎn)換0.9+功率因數(shù)良好的電網(wǎng)互動(dòng)性10+轉(zhuǎn)矩密度單位體積轉(zhuǎn)矩(Nm/L)5+功率密度單位質(zhì)量功率(kW/kg)效率功率因數(shù)功率因數(shù)定義有功功率與視在功率比值反映能量利用效率影響因素磁路設(shè)計(jì)控制策略提高措施優(yōu)化磁路合理控制d軸電流轉(zhuǎn)矩密度功率密度定義單位質(zhì)量或體積的輸出功率計(jì)算功率密度=額定功率/質(zhì)量提升方法高性能材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)應(yīng)用意義減輕設(shè)備重量，節(jié)省空間第八部分：永磁同步電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)變頻器電能轉(zhuǎn)換與控制控制器執(zhí)行控制算法傳感器位置和電流檢測(cè)變頻器選型參數(shù)要求選擇原則功率等級(jí)大于電機(jī)額定功率留20%裕量電壓等級(jí)匹配電機(jī)額定電壓考慮電網(wǎng)波動(dòng)電流等級(jí)大于電機(jī)額定電流考慮峰值電流開關(guān)頻率高于電機(jī)控制需求通常8-16kHz控制性能支持矢量控制高性能應(yīng)用必須PWM控制技術(shù)SPWM正弦脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，諧波較多SVPWM空間矢量脈寬調(diào)制利用率高，諧波少DPWM不連續(xù)脈寬調(diào)制減小開關(guān)損耗電流檢測(cè)與反饋電流傳感器霍爾電流傳感器或分流電阻信號(hào)調(diào)理放大、濾波、保護(hù)電路A/D轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)轉(zhuǎn)數(shù)字信號(hào)數(shù)字處理坐標(biāo)變換、控制算法位置傳感器技術(shù)第九部分：高性能永磁同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域交通運(yùn)輸電動(dòng)汽車、軌道交通工業(yè)領(lǐng)域機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床民用領(lǐng)域家用電器、智能設(shè)備能源領(lǐng)域風(fēng)力發(fā)電、泵與風(fēng)機(jī)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力和再生制動(dòng)電機(jī)控制器根據(jù)駕駛需求控制電機(jī)電池系統(tǒng)儲(chǔ)存和提供電能傳動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)與車輪的機(jī)械連接工業(yè)自動(dòng)化機(jī)器人多軸聯(lián)動(dòng)，精準(zhǔn)定位數(shù)控機(jī)床高精度加工設(shè)備紡織設(shè)備高速運(yùn)行，精確控制家用電器變頻空調(diào)節(jié)能、精確溫控低振動(dòng)、低噪音滾筒洗衣機(jī)智能控制洗滌過程高效低噪變頻冰箱溫度穩(wěn)定能耗降低30%航空航天1執(zhí)行機(jī)構(gòu)舵機(jī)、起落架驅(qū)動(dòng)2泵系統(tǒng)燃油泵、液壓泵3電推進(jìn)飛行器電力推進(jìn)系統(tǒng)4環(huán)境控制艙內(nèi)空氣循環(huán)系統(tǒng)第十部分：永磁同步電動(dòng)機(jī)的制造工藝1原材料準(zhǔn)備硅鋼片、銅線、永磁體2定子加工沖片、疊壓、繞組3轉(zhuǎn)子加工磁鋼安裝、平衡校準(zhǔn)4裝配測(cè)試組裝、檢驗(yàn)、出廠定子制造工藝鐵芯沖片精密沖壓硅鋼片鐵芯疊壓壓裝并固定硅鋼片繞組制作自動(dòng)或手工繞線絕緣處理真空浸漆或環(huán)氧灌封轉(zhuǎn)子制造工藝1轉(zhuǎn)子鐵芯制作沖壓疊裝或精密鑄造2永磁體加工切割、打磨至精確尺寸3永磁體安裝粘接、嵌入或套裝4轉(zhuǎn)子平衡靜平衡和動(dòng)平衡調(diào)整永磁體充磁技術(shù)充磁前準(zhǔn)備磁體安裝固定充磁夾具設(shè)計(jì)充磁方法脈沖充磁多極充磁充磁設(shè)備大功率脈沖電源專用充磁線圈裝配工藝定轉(zhuǎn)子組合精確同軸配合軸承安裝壓裝或熱裝工藝端蓋固定確保軸向定位接線與密封防塵防水處理第十一部分：永磁同步電動(dòng)機(jī)的測(cè)試與檢驗(yàn)電氣測(cè)試絕緣、性能測(cè)試機(jī)械測(cè)試振動(dòng)、噪聲測(cè)試熱性能測(cè)試溫升、散熱測(cè)試3耐久性測(cè)試壽命、可靠性測(cè)試4電氣性能測(cè)試負(fù)載百分比效率功率因數(shù)機(jī)械性能測(cè)試振動(dòng)測(cè)試測(cè)量不同轉(zhuǎn)速下振動(dòng)值分析振動(dòng)頻譜噪聲測(cè)試聲壓級(jí)測(cè)量噪聲頻譜分析轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)測(cè)試測(cè)量轉(zhuǎn)矩波動(dòng)評(píng)估平穩(wěn)性溫升測(cè)試可靠性測(cè)試加速壽命測(cè)試