永磁同步电机研究一、绪论目前，在电动汽车电驱动系统中，永磁同步电动机(PMSM)系统以其高技、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受到国外电动汽车界的高度重视，是更具竞争力的电动汽车驱动电机系统。

而且，中国拥有占世界80％储量的稀土资源，发展永磁电机作为电动汽车牵引电机具有得天独厚的优势。

PMSM：permanent magnet synchronous motor是指根据电机的反电动势进行区分定义的电机：正弦反电势的永磁同步电机。

以前采用的交流传动需要一个变速齿轮机构来将电机的转距传递到轮轴上，而采用永磁同步电机可以将电机整体地安装在轮轴上，形成整体直驱系统，即一个轮轴就是一个驱动单元，省去了一个齿轮箱优点：（1）PMSM起动牵引力大（2）PMSM本身的功率效率高以及功率因素高；（3）PMSM直驱系统控制性能好；（4）PMSM发热小，因此电机冷却系统结构简单、体积小、噪声小；（5）PMSM允许的过载电流大，可靠性显著提高；（6）在高速范围中电机噪声明显降低；（7）系统传动损耗明显降低，系统发热量小；（8）系统采用全封闭结构，无传动齿轮磨损、无传动齿轮噪声，免润滑油、免维护；（9）整个传动系统重量轻，簧下重量也比传统的轮轴传动的轻，单位重量的功率大；（10）由于电机采用了永磁体，省去了线圈励磁，理论可节能10%以上；（11）由于没有齿轮箱，可对装向架系统随意设计：如柔式装向架、单轴转向架，使列车动力性能大大提高。

二、电动汽车电机的性能要求:汽车行驶的特点是频繁地启动、加速、减速、停车等。

在低速或爬坡时需要高转矩，在高速行驶时需要低转矩。

电动机的转速范围应能满足汽车从零到最大行驶速度的要求，即要求电动机具有高的比功率和功率密度。

电动汽车电动机应满足的主要要求可归纳为如下10个方面:(1) 高电压。

在允许的范围内，尽可能采用高电压，可以减小电动机的尺寸和导线等装备的尺寸，特别是可以降低逆变器的成本。

工作电压由THS的274 V提高到THS B的500 V;在尺寸不变的条件下，最高功率由33 kW提高到50 kW,最大转矩由350 N"m提高到400ON"m。

可见，应用高电压系统对汽车动力性能的提高极为有利。

(2)转速高。

电动汽车所采用的感应电动机的转速可以达到8 000一12 000r/min，高转速电动机的体积较小，质量较轻，有利于降低装车的装备质量。

(3)质量轻，体积小。

电动机可通过采用铝合金外壳等途径降低电动机的质量，各种控制装置和冷却系统的材料等也应尽可能选用轻质材料。

电动汽车驱动电动机要求有高的比功率(电动机单位质量的输出功率)和在较宽的转速和转矩范围内都有较高的效率，以实现降低车重，延长续驶里程;而工业驱动电动机通常对比功率、效率及成本进行综合考虑，在额定工作点附近对效率进行优化。

(4)电动机应具有较大的启动转矩和较大范围的调速性能，以满足启动、加速、行驶、减速、制动等所需的功率与转矩。

电动机应具有自动调速功能，以减轻驾驶员的操纵强度，提高驾驶的舒适性，并且能够达到与内燃机汽车加速踏板同样的控制响应。

(5)电动汽车驱动电动机需要有4一5倍的过载，以满足短时加速行驶与最大爬坡度的要求，而工业驱动电动机只要求有2倍的过载就可以了。

(6)电动汽车驱动电动机应具有高的可控性、稳态精度、动态性能，以满足多部电动机协调运行，而工业驱动电动机只要求满足某一种特定的性能。

(7)电动机应具有高效率、低损耗，并在车辆减速时，可进行制动能量回收。

(8)电气系统安全性和控制系统的安全性应达到有关的标准和规定。

电动汽车的各种动力电池组和电动机的工作电压可以达到300 V以上，因此必须装备高压保护设备以保证安全。

(9)能够在恶劣条件下可靠工作。

电动机应具有高的可靠性、耐温和耐潮性，并在运行时噪声低，能够在较恶劣的环境下长期工作。

(10)结构简单.适合大批量生产，使用维修方便.价格便宜等。

三、电动汽车电机的国内外研究现状电动汽车的动力驱动机构经历了直流电动机、交流感应电动机和特种专用电动机的发展过程。

其中，早期的动力驱动机构均是采用直流电动机，随着电力电子技术、计算机应用技术的进步和实用化进程的推进，以交流电动机为核心的交流驱动系统开始引起人们的广泛重视。

直流电动机以其优良的驱动和控制性能等优点，最早在电动汽车中广泛应用。

其中，直流电动机中应用最广的是直流串励电动机，其次是直流并励电动机。

20世纪80年代以前的电动汽车，大都采用直流串励电动机与晶体管斩波器作为驱动器。

这种方式在低速时有很大的转矩输出。

通常采用晶体管斩波器脉宽调制方式，其最高转速可达4000--6000转／min，低速平稳性好。

直流电机驱动要解决的问题是效率问题。

由于直流电动机的效率及可靠性问题、物理体积庞大以及由于换向器的存在而导致的低速平稳性等问题，同时研究表明，采用直流电动机驱动的系统回转部分的惯性是相同容量的交流电动机的3～5倍。

因此，目前，直流电动机已很少作为电动汽车驱动机构而被考虑采用。

交流感应电动机以其结构简单、体积小以及可靠性高等特点，随着电力电子技术、计算机控制技术的进步和实用化，人们已开始考虑并逐步实施感应电动机驱动在电动汽车上的应用。

另外，普通感应电动机的运行效率比永磁电机和开关磁组电机低，特别是低速运行时效率更低。

永磁电机具有更高能量密度、体积小、重量轻、结构简单、效率高、控制灵活等特点。

在电动汽车中有极好的应用前景。

永磁无刷电机系统分为两类：一类是方波驱动的无刷直流电动机系统(BDCM)；另一类是永磁同步电动机系统(PMSM)，也称之为正弦波驱动的无刷直流电动机系统。

永磁无刷电动机能量密度高于电磁式、磁阻式电机，目前的研究多集中于提高电机转矩／重量比方面。

典型的永磁无刷电动机系统是一种准解耦矢量控制系统。

永磁同步电动机的磁性能受温度、震动等的影响，过载能力受控制器的限制。

近年来，电动汽车应用方波驱动的无刷直流电动机系统的越来越多，而采用永磁同步电动机系统的电动汽车也为数不少。

在电动汽车的直接驱动方面，这两种电机较其它各种电机具有更明显的优势。

传统的交流电机均采用正弦波电源，考虑到方波电机可比正弦波电机产生更大的转矩(例如，准方波电机要比正弦波电机多输出大约10％的转矩)，方波电机的研制和应用引起人们的注意，如开关磁阻电机。

开关磁阻电机结构简单、坚固，转子上没有绕组、磁钢或滑环，可以高速运行，效率较高。

既具有异步电动机矢量控制系统的高效率、高可靠性，又具有直流调速系统的良好控制特性。

但开关磁阻电动机具有严重的非线性。

因而，许多工作集中于非线性基础上的电磁转矩和铁耗的精确求解上。

对于开关磁阻电动机的转矩、转速控制，一般在低速时采用电流斩波控制，或称之为电流滞环控制，以获得恒转矩特性；在高速时，采用角度位置控制。

从目前电动汽车驱动机构及系统的发展趋势来看，目前和未来的电动汽车电驱动模式向着交流电动机驱动方向发展。

(1)特种结构永磁转子的永磁同步电动机：采用新型结构的永磁转子，使永磁同步电机更适合高速的运行；能产生更大的转矩、易实现弱磁控制、承受高速旋转时的机械力。

(2)采用混合励磁方式的同步电机：这种同步电动机一方面可以提高永磁电机弱磁控制恒功率运行特性，另一方面，在混合电动汽车上，还可以作发电机使用。

混合励磁同步电机综合了直流励磁同步电机和永磁同步电机两种电机的优点。

特点是：特别适合于需要恒功率调速的场合，可以作混合电动汽车的发电机运行；体积小；效率比异步电动机高。

四、电动汽车驱动机构电机驱动系统包括电子控制器、功率转换器、电动机、机械传动装置和车轮，其功用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。

五、永磁同步电机的永磁转子的选择转子采用永磁体代替电励磁，根据永磁体在转子上的安装位置不同，正弦波永磁同步电机又分为三类：凸装式、嵌入式和内埋式为了提高电机的磁阻转矩、提高弱磁扩速能力及机械强度，电动汽车用PMSM 宜选用双层永磁体的内置式磁体结构。

为增大PMSM的转矩密度，应加大永磁体用量，显然径向矩形磁体结构是不适宜的。

在其它磁体结构如瓦片型结构、V型结构、U型结构及切向结构中，v型结构及切向结构可看作U型结构的特例，因此电动汽车用PMSM的磁体结构型式认为只有瓦片型结构及U型结构。

如图2(a)瓦片型结构（b)U型结构图2 电动汽车用PMSM转子结构型式(1)与瓦片式磁体结构相比，U型磁体结构在弱磁能力方面占有优势。

同时，U型磁体结构还具有明显的制造成本和价格优势，具有更宽余的永磁体摆放空间，这对于电动汽车用调速PMSM多用永磁体增大漏磁系数的设计原则是有利的。

(2)u型结构的凸极率特别是在低速大转矩时的凸极率小于瓦片式结构，且U 型结构的机械强度要比瓦片式结构差。

(3)在抑制转矩脉动方面，通常通过对电机结构进行优化设计来实现。

例如：采用不均匀气隙，在转子上分布圆形孔洞，优化定子齿形，优化磁极形状等等。

图2为一种新型永磁体形状设计。

磁桥宽度保持不变，随着角度θ变小，转矩脉动和齿槽转矩减小。

图2标准模型与修改后的模型电动汽车驱动用PMSM的磁体结构应根据实际应用工况综合考虑电机的弱磁能力、抗失磁能力、机械强度及磁阻转矩的利用等方面的具体情况进行选择。

有了高性能永磁材料，还要充分、合理地利用永磁体。

用永磁体的矩形结构替代通常的瓦片形结构，能降低永磁体的加工用时与用量。

自起动永磁同步电动机所需的永磁体体积为永磁体的主要尺寸确定永磁体有 3 个主要尺寸: 磁化方向长度hM 、磁化宽度bM、以及轴向长度L M。

通常而言，永磁体的L M取为永磁电机电枢的轴向长度（因为L M 过长与过短都无实际意义。

），所以设计永磁体尺寸时可只考虑另外两个尺寸hM 和bM 。

当永磁电机转子永磁体采用内置径向式磁路结构时，永磁体尺寸的预估计算公式为(3-6)，本设计中所采用的就是内置径向式转子磁路结构。

当永磁电机转子永磁体采用内置切向式磁路结构时，永磁体尺寸的预估计算公式为:式中，K s ——电机的饱和系数，其值为1.05～1.3；K a ——与转子结构有关的系数0.7～1.2；b m0 ——永磁体空载工作点；δ——气隙长度(mm)；σ0 ——空载漏磁系数；Bδ1——气隙磁密基波幅值(T)；τ1 ——极距(mm)；L ef ——铁心长度(mm)；B r ——剩余磁感应强度(T)；KΦ——气隙磁通波形系数；L M ——轴向长度(mm)。

气隙长度选取永磁同步电动机的气隙长度是一个十分重要的尺寸参数，虽然其对永磁电机无功电流的影响没有对感应电机的无功电流的影响那样敏锐，可其对永磁电机的直、交轴电抗有很大的影响。

而且，气隙长度的大小还在很大程度上影响着永磁电机的装配工艺与永磁电机的杂散损耗。