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同步磁阻电机驱动-III如何选择

发布时间:

2021/09/15 00:00

内置永磁同步磁阻电机。在上文中,我们提到交流电机主要有永磁同步电机、感应异步电机、磁阻电机。其中,磁阻电机在乘用车上应用很少,因此我们没有详细介绍。磁阻电机与永磁同步电机的主要区别在于,转子内没有永磁体,没有磁场,完全依靠定子磁场,基于产生转矩。磁阻电机几乎没有反电动势、弱磁控制等问题,但是转矩较小、脉动较大,在一定程度上与永磁同步电机互补,扩展了电动机的区间。

答:同步磁阻电机与异步电机相比,主要有以下几方面的不同:一是同步磁阻电机比异步电机能效高,这是同步磁阻电机替代异步电机的驱动力;二是同步磁阻电机目前处于市场推广期,产品制造成本较高,在原材料方面,国内稀土资源丰富,随着产品规模化生产,未来存在一定的降本空间;在技术方面,国内外水平相近,目前部分国产的同步磁阻电机在风机、水坝等行业有应用;三是同步磁阻电机需要配变频器驱动,而部分异步电机可以不用变速器驱动,如果同步磁阻电机大批量替代异步电机,对变频器会是一个刚性需求市场。

开关磁阻调速电机系统是继直流电机驱动、交流异步电机变频驱动、永磁同步驱动之后发展起来的新一代无极调速驱动系统,其综合性能指标高于传统驱动系统,由开关磁阻电机、控制系统组成,是性能优势和前景的高端电机系统。

无永磁同步开关磁阻电机。开关磁阻电机或者同步磁阻电机这是一种无永磁。传统电机的转矩或者说电机功率是由永磁转矩,加上磁阻转矩组成的。其中永磁转矩就是由永磁体提供的这个转矩。那现在永磁体价格是特别贵,无永磁就是把永磁体去掉,不要这个永磁转矩,但是可以通过某些设计来扩大磁阻转矩以达到和这个永磁电机相近的一个性能。这是低成本的一个技术路径,同时不受永磁体温度的限制,所以转子可以温度非常高。它的缺点是功率一般会小于永磁电机,所以为其配套的电机驱动器的成本会增加,还有就是噪音的问题。所以无永磁电机一般适用于性能并不敏感,但是成本敏感的场景,比如说中低端小型车。

同步磁阻电机VS工业宠儿——永磁同步电机:转子上没有永磁体,成本更低,解决了无弱磁难和失磁问题,长期使用,效率更稳定,在体积与重量没有严格要求的场合可完全替代永磁同步电机。

开展永磁磁阻电机研究时可以发现,单纯使用铁氧体永磁体励磁时,电机存在转矩密度很难达到当前汽车驱动电机要求的问题,而且由于铁氧体本身磁材特性,容易产生退磁现象。

由于转子上没有鼠笼导条、磁钢,且转子冲片大面积的磁障开槽,使得同步磁阻电机转子具有较小的转动惯量。相同规格下,同步磁阻电机转动惯量仅为异步电机的30%左右,对于加速响应能力要求较高的场合,如挤塑机,可显著降低电机过载倍数要求,降低变频器电流模块规格,节约用户成本,同时加快生产效率。

因此,考虑开展混合式永磁磁阻电机的设计,即在永磁磁阻电机的转子磁路结构中,使用铁氧体永磁体和钕铁硼稀土永磁体两种材料,提升电机永磁转矩比例,进而提升永磁同步电机的转矩密度。同时,利用铁氧体与钕铁硼温度系数相反的特性,提高该类电机高温下的性能,降低退磁风险。

内置永磁同步磁阻电机。在上文中,我们提到交流电机主要有永磁同步电机、感应异步电机、磁阻电机。其中,磁阻电机在乘用车上应用很少,因此我们没有详细介绍。磁阻电机与永磁同步电机的主要区别在于,转子内没有永磁体,没有磁场,完全依靠定子磁场,基于产生转矩。磁阻电机几乎没有反电动势、弱磁控制等问题,但是转矩较小、脉动较大,在一定程度上与永磁同步电机互补,扩展了电动机的区间。

磁障的永磁同步磁阻电机,磁障中不插入永磁体时可视为同步磁阻电机来进行分析,其形与形磁障结构及转子磁密分布如图2所示。

混合式永磁同步电机中,钕铁硼永磁体作为辅助提升功率密度的手段,一般仅在层磁障中少量使用,设计中应优先调整磁障结构参数,以提升磁阻转矩占比。

步磁阻电机成本低,相较开关磁阻电机成本可以下降30%左右。同步磁阻电机跟普通电机价格相当,但是效率高5%。

除此之外,电机磁障的极弧系数对输出转矩也有着较为明显的影响。在永磁体长度随之改变的情况下,极弧系数增大,永磁体用量增多,电机永磁转矩则明显增大,电机的总输出转矩进而增大。因其结论与同步磁阻电机一致,在此不做赘述。

最终,当保持优化设计后的电机体积与原型机一致时,电机的输出转矩达到162.6N·m,电机磁阻转矩占比约为42.6%,已基本满足驱动电机设计需求。校核混合式永磁电机的退磁情况,需要考虑不同磁材的磁特性,要分别校核钕铁硼材料的高温退磁情况和铁氧体材料的低温退磁情况。本文校核了钕铁硼永磁体160℃的高温退磁情况,铁氧体磁材-20℃的低温退磁情况。经计算,不同磁材的退磁特性如图11、图12所示。

新能源汽车的快速发展为新能源汽车电机行业的发展提供了很好机遇,驱动电机及其控制系统作为其核心部件之一,发展前景广阔。新能源汽车的驱动电机主要包括:交流异步、永磁同步和开关磁阻电机。

直流电机系统具有成本低、控制简单等特点,是电动汽车最早采用的系统。随着电力、电子及自控技术等新技术的发展,交流异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机表现出比直流电机更为优越的性能,逐步取代了直流电机控制系统。大多数新能源汽车电机采用永磁同步电机;一部分汽车公司采用交流异步电驱动系统。

由式(1)可见,永磁同步电机的输出转矩有两个分量:个分量是电机的永磁转矩Tm,表征了电机永磁体励磁磁链所产生的转矩;第二个分量为电机的磁阻转矩Tr,表征了因电机交直轴磁路结构不对称所产生的转矩。

将永磁体嵌入磁阻电机的转子槽中,该方案的主要壁垒在于永磁体的数量、尺寸、形状、位置等。内置永磁同步磁阻电机在低转速工况下近似永磁同步电机,在高转速工况下近似磁阻电机。转子永磁体的V型结构可调节磁阻转矩,缓解高转速工况下的反电动势问题。在高转速工况下,尽可能将定子旋转磁场与转子磁场对齐,从而大幅削弱反电动势,这种设计的主要壁垒在于复杂的电机控制策略。

将永磁体嵌入磁阻电机的转子槽中,该方案的主要壁垒在于永磁体的数量、尺寸、形状、位置等。内置永磁同步磁阻电机在低转速工况下近似永磁同步电机,在高转速工况下近似磁阻电机。转子永磁体的V型结构可调节磁阻转矩,缓解高转速工况下的反电动势问题。在高转速工况下,尽可能将定子旋转磁场与转子磁场对齐,从而大幅削弱反电动势,这种设计的主要壁垒在于复杂的电机控制策略。

伺服电机分为交流伺服和直流伺服,其中交流伺服又有同步与异步之分,永磁电机是同步交流伺服电动机的一种。该电机就是转子上不是线圈或感应材料,而是永磁体。控制此类电机要使用专门的伺服驱动器。电机俗称是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。

将永磁体嵌入磁阻电机的转子槽中,该方案的主要壁垒在于永磁体的数量、尺寸、形状、位置等。内置永磁同步磁阻电机在低转速工况下近似永磁同步电机,在高转速工况下近似磁阻电机。转子永磁体的V型结构可调节磁阻转矩,缓解高转速工况下的反电动势问题。在高转速工况下,尽可能将定子旋转磁场与转子磁场对齐,从而大幅削弱反电动势,这种设计的主要壁垒在于复杂的电机控制策略。

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