• 但由于弱磁调速范围小，功率密度低，所以与其他转 子结构相比在电动车驱动力一面没有优势。
• 1997年本田汽车公司PLUS电动车的驱动电机采用了这 种结构的永磁同步电机。日前可在矩形波永磁同步电 动机的恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电机中 应用。比较适合用作汽车的电子伺服驱动：如汽车电 子动力力一向盘的伺服电机。
图5-57 交流永磁电驱动系统 a)交流永磁电驱动系统 b)永磁电机控制器内部结构
二、永磁同步电机的结构
正弦波永磁同步电动机驱动系统的基本组成框图
二、永磁同步电机的结构
• 模拟结构图
A⊕
Z⊙
B⊕
b g
r
r g
b
⊙Y
⊕C
定子绕组一般制成三相绕组。三相绕组 沿定子铁心对称分布，在空间互差120度 电角度，通入三相交流电时，产生旋转 磁场。
4、可靠性高： 由于永磁同步变频调速电机参数不受电机极数的限
制，便于实现电机直接驱动负载，省去噪音大，故障率 高的减速箱，增加了机械传动系统设计的可靠性和灵活 性。
永磁同步电机相比交流异步电机优势
5、体积小，功率密度大： 电机效率的增高，相应地损耗降低，电机温升减小，
则在采用相同绝缘等级的情况下，电机的体积可以设计 的更小；电机结构的灵活性，可以省去电机内许多无效 部分，如绕组端部，转子端环等，相应体积可以更小。
行线性变换，实现电机数学模型的解耦 。
q
B
us
isq
s
us ：定子电压 is ：定子电流
is isd
C
d
s ：定子磁链矢量
r
f
0
A
A、B、C ：定子三相静止坐标系
f r
：转子磁链矢量 ：转子角位置
、 ：定子两相静止坐标系 ：电机转矩角
d、q ：转子两相坐标系
1、永磁同步电机的数学模型
假设： 1)忽略电动机铁心的饱和；
（2）表面插入式结构
• 可充分利用转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩， 提高电动机的功率密度，动态性能较凸出式有所改善。 制造工艺也较简单。但漏磁系数和制造成本都大。
• 这种结构型式的永磁同步电动机为丰田汽车公司的蓄 电池电动车RAV4所采用。本田汽车公司PLUS电动车 的第一代驱劝电机也采用了这种结构。
无刷直流电动机(BLDCM)系统具有转矩大、功率密度高、 位置检测和控制方法简单的优点, 但是由于换相电流很难达 到理想状态, 因此会造成转矩脉动、振动噪声等问题。对于 车速要求不太高的电动汽车驱动领域,BLDCM系统具有一定的 优势, 得到了广泛的重视和普遍应用。
永磁同步电动机( PMSM)系统具有高控制精度、高转矩 密度、良好的转矩平稳性以及低噪声的特点, 通过合理设计 永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能, 提高电动机的调速范 围, 因此在电动车驱动方面具有较高的应用价值, 已经受到 国内外电动汽车界的高度重视, 并在日本得到了普遍的应用 , 是一种比较理想的电动汽车驱动系统。
永磁同步电机相比交流异步电机优势
2、功率因数高： 由于永磁同步电机在设计时，其功率因数可以调节，甚至
可以设计成功率因数等于1，且与电机极数无关。 电机的功率因数高有以下几个好处：
a、功率因数高，电机电流小，电机定子铜耗降低，更 节能；
b、功率因数高，电机配套的电源，如逆变器，变压器 等，容量可以更低，同时其他辅助配套设施如开关， 电缆等规格可以更小，相应系统成本更低。
转子采用永磁体，目前主要以钕铁硼作 为永磁材料。 采用永磁体简化了电机的 结构，提高了可靠性，又没有转子铜耗， 提高电机的效率。
⊙X
二、永磁同步电机的结构
• 实物结构图
转子磁铁
定子绕组 霍尔传感器
二、永磁同步电机的结构
贴面转子结构
（1）表面凸出式结构
• 表面凸出式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设 计，使之成为能使电动机气隙磁密波形趋近于正弦波 的磁极形状。可显著提高电动机乃至整个传动系统的 性能；具有结构简单、制造成本较低、转动惯量小、 动态响应快、转矩脉动低等优点。
永磁无刷电动机可以分为： 由方波驱动的无刷直流电动机系统((BLDCM) 由正弦波驱动的无刷直流电动机系统(PMSM)
PMSM和BDCM每相励磁磁场强度波形 a)PMSM b)BLDCM
一、永磁同步电机的分类
永磁电动机驱动系统可以分为无刷直流电动机(BLDCM) 系统和永磁同步电动机(PMSM)系统。
如果三相绕组是Y形联结不带零线，则有
iA iB iC 0
于是
3
i i
2 1
2
0 2
iA iB
2
iA
iB
3 1 6
0
1 2
i i
（1）PMSM电机的FOC控制策略
（2）Park（2s/2r）变换
q
(Fs )is
1
两个交流电流 i、i和两个
i iq
iq cos
60
O N2i
60
C
N3iC
N 3 ：三相绕组每相绕组匝数 N 2 ：两相绕组每相绕组匝数
A 各相磁动势为有效匝数与电流 的乘积，其相关空间矢量均位 于有关相的坐标轴上。
（1）PMSM电机的FOC控制策略
设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与相 总磁动势与二相总磁动势相等时，两套绕组瞬时磁 动势在 轴上的投影都应相等，因此
N2i N3iA N3iB cos 60 N3iC cos 60
N3
(iA
1 2
iB
1 2
iC
)
N2i N3iB sin 60 N3iC sin 60
3 2
N3 (iB
iC
)
i i
N3 N2
1 0
1 2 3 2
1 2
3 2
iA iB iC
（1）PMSM电机的FOC控制策略
c、由于永磁同步电机功率因数高低不受电机极数的限 制，在电机配套系统允许的情况下，可以将电机的 极数设计的更高，相应电机的体积可以做得更小， 电机的直接材料成本更低。
永磁同步电机相比交流异步电机优势
3、电机结构简单灵活：
由于异步电机转子上需要安装导条、端环或转子绕 组，大大限制了异步电机结构的灵活性，而永磁同步电 机转子结构设计更为灵活。
第六章 永磁电机驱动系统的组成和工作原理
一、永磁无刷电机的分类 二、永磁同步电机的结构 三、永磁同步电机的工作原理 四、永磁同步电机的数学模型及控制系统
一、永磁同步电机的分类
永磁电动机既具有交流电动机的无电刷结构、运行可靠等优点, 又具有直流电动机的调速性能好的优点, 且无需励磁绕组, 可以做到 体积小、控制效率高, 是当前电动车用电动机研发与应用的热点。
n0
同步
S
θ
电动机状态
三、永磁同步电机的工作原理
• 三相同步电机的可逆运行
N n0 n0
S
θ
电动机状态
N n0 S n0
N S 理想空载状态
N n0 n0
S
θ
发电机运行
四、永磁同步电机的数学模型及控制系统
1、PMSM的数学模型
为了简化和求解数学模型方程，运用坐标变换理论,通 过对同步电动机定子三相静止坐标轴系的基本方程进
id
d
直流电流id、iq，产生同样
的以同步转速1 旋转的合
成磁动势 Fs
s
O i
id sin
iq sin
d、q 轴和矢量 FS (is )都以
转速 1 旋转，分量 id、iq
的长短不变。 轴与 d 轴
的夹角 随时间变化
（1）PMSM电机的FOC控制策略
由图可见，i、i 和 id、iq 之间存在下列关系
FOC中需要测量的量为：定子电流、 转子位置角
（1）PMSM电机的FOC控制策略
2、FOC特点 以转子磁场定向 系统动态性能好，控制精度高 控制简单、具有直流电机的调速性能 运行平稳、转矩脉动很小
（1）PMSM电机的FOC控制策略
3、坐标变换
（1）Clarke（3s/2s）变换
B
N3iB N 2 i
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。
（1）PMSM电机的FOC控制策略
1、工作原理 定子电流经过坐标变换后转化为两相 旋转坐标系上的电流 ids 和 iqs ，从而 调节转矩 Te和实现弱磁控制。
6、起动力矩大、噪音小、温升低 ： a、永磁同步电机在低频的时候仍能保持良好的工作状态，
低频时的输出力矩较异步电机大，运行时的噪音小； b、转子无电阻损耗，定子绕组几乎不存在无功电流，因
而电机温升低，同体积、同重量的永磁电机功率可提高 30%左右；同功率容量的永磁电机体积、重量、所用材 料可减少30%。
a）内置径向式 b）内置切向式 c）内置混合式 内置式转子结构
调速永磁同步电动机结构示意图
l－转轴 2－轴承 3－端盖 4－定子绕组 5－机座 6－定子铁心 7，8－永磁体 9－转子铁心 10—风扇 11—风罩 12－位置、速度传感器 13，14－电缆 15－专用变频驱动器
永磁同步电机结构
自行车电机
考虑变换前后总功率不变，可得匝数比应为 N3 2
N2 3
可得
i i
2
1
3 0
1 2 3 2
1 2
3 2
iA iB iC
坐标系变换矩阵： C3/2
2
1
3 0
1 2 3 2
1 2
3 2
C2/3
1
2 3
1 2
1 2
0
3