永磁电动机的性能与效率提升方向及控制系统

1.永磁电动机的类型

永磁电动机有永磁无刷直流电动机和永磁同步电动机两种类型。这两种永磁电动机在结构上和工作原理上大致相同，转子都是永久磁铁，定子通过对称交流电来产生转矩，定子电枢多采用整矩集中绕组。它们的同步特性的区别主要表现在电波曲线形状上。永磁同步电动机（PSM）具有正弦波电流，如图1-9a所示。永磁无刷直流电动机（PM BDC）具有矩形脉冲波电流，如图1-9b所示。永磁式电动机的电波曲线形状是由电动机的类型及其控制系统来确定的。

图1-9 永磁电动机的同步特性

2.永磁电动机的结构

按永久磁铁在永磁电动机上布置可分为：内部永磁型（Interior Permanent Magent，IPM）、表面永磁型（Surface Permanent Magnet，SPM）和镶嵌式永磁型（Insettype，ISPM）等几种结构形式。将永磁磁极按N极和S极的顺序排列组成永磁电动机的磁性转子。

（1）磁性转子的结构

①内部永磁型转子。内部永磁型转子的磁路可分为：径向型磁路（图1-10a）、切向型磁路（图1-10b）和混合型磁路（图1-10c）。

径向型磁路磁性转子磁漏小，而且不需要隔离环，但它每个磁极的有效面积约为切向型内部永磁转子的一半。为了提高径向型内部永磁转子的有效面积，多采用截面形状，如图1-10a所示。

②表面永磁型转子。图1-10d所示为表面永磁型转子结构，表面永磁型转子的应用正在逐渐增多。图1-11所示为表面永磁型转子永磁电动机的横截面示意图。

图l-l0 永久磁铁的磁路结构形式

图1-11 表面永磁型转子永磁电动机的横截面示意图

③混合式永磁型转子。混合式永磁型转子（图1-12）可以用嵌入永久磁铁中的励磁绕组来对磁通量进行控制，进而改变永磁电动机的机械特性。

（2）磁极的数量

一般感应电动机的磁极数量增多以后，电动机在同样的转速下，工作频率随之增加，定子的铜耗和铁耗也相应增加，将导致功率系数急剧下降。磁阻电动机的磁极数量增多以后，会使电动机输出的最大转矩与最小转矩值差距很大，对磁阻电动机的性能影响较大。独立励磁电动机的磁极数量增多以后，将无法达到额定的转矩。而永磁电动机的磁极增加一定数量以后，不仅对电动机的性能没有明显的影响，还可以有效地减小永磁电动机的尺寸和质量。

永磁电动机的气隙直径和有效长度取决于电动机的额定转矩、气隙磁通密度、定子绕组的线电流密度等参数变化的影响。气隙磁通密度主要受磁性材料的磁性限制，因此需要采用磁能密度高的磁性材料。另外，在气隙磁通密度相同的条件下增加磁极的数量，就可以减小电动机磁极的横截面面积，从而使得电动机转子铁心的直径减小。图1-13所示为一个4极永磁转子铁心与一个16极永磁转子铁心的尺寸比较，后者的横截面面积要小于前者，因此可以减轻电动机的质量。增加磁通密度、改进磁路结构、减弱电枢反应和提高电动机的转速的研究，是提高永磁电动机性能和效率的主要途径。

图1-12 混合式永磁型转子的结构

图1-13 4极永磁转子铁心与一个16极永磁转子铁心的尺寸比较(www.xing528.com)

3.永磁无刷直流电动机

（1）永磁无刷直流电动机的结构

在直流电动机的转子上装置永久磁铁，转子采用径向永久磁铁做成的磁极，将磁铁插入转子内部，或将瓦形磁铁固定在转子表面上，转子上不再用电刷和换向器为转子输入励磁电流，所以电动机的转子磁路是各向均匀的，转子上不再用励磁绕组、集电环和电刷等来为转子输入励磁电流，因此称为永磁无刷直流电动机。

（2）永磁无刷直流电动机的性能

永磁无刷直流电动机在工作时，直接将方波电流输入永磁无刷直流电动机的定子中，控制永磁无刷直流电动机运转。矩形脉冲波电流可以使电动机获得较大的转矩，永磁无刷直流电动机的优点是效率高、转矩大、高速操作性能好、无电刷、结构简单牢固、免维护或少维护、尺寸小、质量轻。输出转矩与转动惯量比值大于相类似的三相感应电动机。永磁电动机在材料的电磁性能、磁极数量、磁场衰退等多方面的性能都优于其他种类的电动机。若输出的波形不好，则会发生较大的脉动转矩和冲击力，影响电动机的低速性能，电流损耗大，工作噪声大。

因为电流反馈控制的无刷直流电动机具有近似正弦气隙磁通密度和正弦定子反馈电流，所以它要比同样尺寸的永磁同步电动机的输出功率高出15%。在相同转速的情况下，电流反馈控制的无刷直流电动机输出的转矩要比永磁同步电动机高15%。但无刷直流电动机的损耗、噪声和转矩波动，都比永磁同步电动机大，给无刷直流电动机的使用带来一定影响。

4.永磁磁阻同步电动机

（1）永磁磁阻同步电动机的结构

永磁磁阻同步电动机是将永久磁铁取代他励同步电动机的转子励磁绕组，电动机的定子与普通同步电动机一样。转子采用径向永久磁铁做成的磁极，做成多层永磁磁极，形成可同步旋转的磁极，这种电动机被称为永磁磁阻同步电动机。图1-14所示为两层6极永磁磁阻同步电动机的定子和转子。永磁磁阻同步电动机具有高效率（达97%）和高比功率（远远超过1kW/kg）的优点，输出转矩与转动惯量比都大于相类似的三相感应电动机，在高速转动时有良好的可靠性，平稳工作时电流损耗小。永磁磁阻电动机在材料的电磁性能、磁极数量、磁场衰退等多方面的性能都优于其他种类的电动机，工作噪声也低。

在同步电动机的轴上装有转子位置传感器和速度传感器，它们产生的信号是驱动控制器的输入信号。永磁磁阻同步电动机具有功率密度高、调速范围宽、效率高、性能更加可靠、结构更加简单、体积小的优点。与相同功率的其他类型的电动机相比较，更加适合作为EV、FCEV和混合动力汽车的驱动电动机。

（2）永磁磁阻同步电动机的机械特性

由于永磁磁阻同步电动机在牵引控制中采用矢量控制方法，在额定转速以下恒转矩运转时，就使定子电流相位领先一个β角，一方面可以增加电动机的转矩，另一方面由于β角领先产生的弱磁作用，使电动机额定转速点增高，增大了电动机在恒转矩运转时的调速范围。如β角继续增加，电动机将运行在恒功率状态。永磁磁阻同步电动机能够实现反馈制动。图1-15所示为永磁磁阻同步电动机的机械特性曲线。

图1-14 两层6极永磁磁阻同步电动机

图1-15 永磁磁阻同步电动机的机械特性曲线

5.永磁电动机的特点

由于永磁电动机的转子上无绕组，无铜耗，磁通量小，在低负荷时铁损很小，因此，永磁电动机具有较高的功率/质量比，与其他类型的电动机相比，有更高的工作频率，更大的输出转矩。转子电磁时间常数较小，电动机的动态特性好，电动机的极限转速和制动性能等都优于其他类型的电动机。永磁电动机的定子绕组是主要的发热源，其冷却系统比较简单。

由于永磁电动机的磁场产生恒定的磁通量，电动机的转矩随着电流的增加而增加，因此，基本上拥有最大的转矩。随着电动机转速的增加，电动机的功率也增加，同时电压也随之增加。在混合动力汽车上，一般要求电动机的输出功率保持恒功率，即电动机的输出功率不随转速增加而变化，这就要求在电动机转速增加时，电压保持恒定。对一般电动机可以用调节励磁电流的方法来控制，但永磁电动机磁场的磁通量调节起来比较困难，因此需要采用磁场控制技术来实现，这使得永磁电动机的控制系统变得更复杂，而且增加了成本。

永磁电动机受到永磁材料制造工艺的影响和限制，使得永磁电动机的功率范围较小，最大功率仅几十千瓦。永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，可能会使导磁性能下降或发生退磁现象，因而降低永磁电动机的性能，严重时还会损坏电动机，在使用中必须严格控制它不发生过载。永磁电动机在恒功率模式下，操纵较复杂，永磁式电动机和三相感应式电动机同样需要一套复杂的控制系统，从而使得永磁式电动机的控制系统造价也很高。最新研制和开发的混合励磁永磁同步电动机使永磁同步电动机的控制性能得到较大的改进。