无刷直流电机(Brushless DC Motor,BLDCM) 和永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronou*otor,PMSM)是常用的永磁电机。这两种电机具有很大的相似之处,然而两者统一中也存在对立的一面,两者在结构、运行性能、控制方法等方面具有一些差异。
1 BLDCM 与 PMSM 的界定目前,永磁同步电机控制系统,国内外关于 BLDCM 与 PMSM 的界定方法不一。
根据 BLDCM 的结构和工作原理将BLDCM 定义为“一种转子为永磁体,永磁同步电机如何调速,带转子位置信号,通过电子换相控制的自同步旋转电机”。
根据定子电流波形对 BLDCM与 PMSM 进行界定。将电流波形为梯形波或者方波的无刷电机定义为无刷直流电机,将电流波形为正弦波的无刷电机定义为 PMSM。将电流波形为梯形波、方波和正弦波的无刷电机都统称为 BLDCM。
2 结构比较BLDCM 和 PMSM 的基本结构相似。
以三相全桥式逆变电路驱动为例。两者均是由转子位置检测装置、电动机本体及电子换相器(逆变器和控制器)三部分组成 。BLDCM 和 PMSM 电机本体设计所用的材料没有本质差别,都是根据具体应用场合而定。为减少齿槽转矩脉动、电机噪声与振动,BLDCM 和 PMSM 的定子槽口设计通常均采用定子斜槽、分数槽、转子斜*、辅助凹槽及齿槽宽配合法等 。
永磁同步电机的调速主要通过改变供电电源的频率来实现。目前常用的变频调速方式有转速闭环恒压频比控制(v/f)、转差频率控制、基于磁场定向的矢量控制(Vector Co*ol)以及直接转矩控制(Direct Torque Co*ol)。
1、矢量控制
1971 年,西门子工程师Balschke 提出矢量控制理论,使交流电机控制理论获得了一次质的飞跃。其基本思想为:以转子磁链旋转空间矢量为参考坐标,将定子电流分解为相互正交的两个分量,一个与磁链同方向,代表定子电流励磁分量,另一个与磁链方向正交,代表定子电流转矩分量,分别对它们进行控制,获得像直流电动机一样良好的动态特性。因其控制结构简单,控制软件实现较容易,已被广泛应用到调速系统中。但矢量控制方法在实现时要进行复杂的坐标变换,并需准确观测转子磁链,而且对电机的参数依赖性很大,难以保证完全解耦,使控制效果大打折扣。采用矢量控制理论进行控制时,具有和直流电动机类似的特性。矢量控制的优点在于调速范围宽,动态性能较好。不足之处是按转子磁链定向会受电动机参数变化的影响而失真,从而降低了系统的调速性能。解决方法是采用智能化调节器可以提高系统的调速性能和鲁棒性。
老外在高速车用电机开发上确实是走在了我们前面,他们的转子结构值得借鉴。
丰田公司发展出了Prius系列 Camry系列等多种车用永磁同步电机,可谓是该行业的者。我们分析他们产品的年代序列,发现了转速有逐步高的趋势,相应的转子结构也有更替。
他们的经验可以看出,就高速的结构强度而言:
一字型不如V字型结构(2003VS2004),这是因为一字的*弧系数大于V字,转子上轭部(产生离心力的部分)的面积更大,离心力更大,而且一字型的磁桥部位承受的弯矩更大。
无中间磁桥的V字不如有中间磁桥的V字(2004 vs2010),这是因为中部的磁桥,起到了分流离心应力的作用。从丰田的经验我们可以学习到,磁桥的设置非常关键,增加磁桥的数目和宽度能够提高强度。
BMW
BMW的i系列汽车业采用永磁同步电机,他们走的是磁阻永磁混合转矩的路线。其转子结构非常复杂,也能承受高转速, 较丰田prius,BMW增设了更多的磁桥,他们有两层磁钢,每一层的磁钢有中间、两端四个磁桥。
从BMW的结构,我们学习到两个分流离心力的方法:
.增加更多的磁桥来分流应力,永磁同步电机矢量控制,中间磁桥的承担能力强于两端磁桥
.分设多层磁钢,枣庄永磁同步电机,减小每一层的压力,*外侧的磁钢,离心力越大,因此应该设计的小。