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      永磁同步電機淺析

      2018-08-15

      永磁電機

       現如今世界各大汽車公司均積極開發節能減排新技術,大力發展新能源汽車。總所周知,電動車的動力源由傳統的內燃機變為電機,電機的性能直接影響著汽車的續航里程和行駛性能。。今天具體介紹一下特斯拉model 3使用的永磁同步電機,以及特斯拉采用永磁同步電機的原因。

          首先說一下永磁同步電機的市場前景,相關數據表明,2017年1-10月我國新能源汽車在乘用車領域,永磁同步電機占比78.1%;在客車領域永磁同步電機占比94.6%;在專用車領域永磁同步電機占比78.6%,此外比亞迪、宇通客車以及聯合汽車電子等企業所使用的電機產品均為永磁同步電機。可見永磁同步電機是新能源車領域應用最廣的電機,究其原因是因為相較其他電機,具有功率密度大、效率高、重量輕等優勢。

      對于異步電機而言,因為需要轉子中的導體切割磁感線產生電流,則定子和轉子自不能相對靜止,那么轉子轉速永遠不會等于定子轉速,這就是異步電機名字的由來。那么何為"同步"?即怎么做到轉子轉速等于定子轉速呢?

          其實不是很難,當轉子不再依靠定子的旋轉磁場,不再通過切割磁感線產生電流和磁場,而是通過另外一種方式產生磁場(比如給電機轉子接直流電源將其變成一個電磁鐵),由于定子旋轉磁場的存在依舊會產生電磁轉矩,而且定子和轉子會以相同的旋轉速度旋轉,那么這樣的電機就叫同步電機。當轉子導體采用永磁材料加工制造成為永磁體轉子時,也可以將電機轉子變成電磁鐵產生磁場,實現轉子和定子轉速同步(旋轉磁場的同步轉速,P為電動機磁極對數),這也就是永磁同步電機名字的由來,因此可以定義永磁同步電機是由永磁體勵磁產生同步旋轉磁場的電機。

      永磁同步電機工作原理如下:

          當永磁同步電機定子部分通入由三相逆變器經脈寬調制的三相交流電后,定子電樞會產生空間磁場,它與永磁體轉子相互作用,產生與定子旋轉磁場旋向相同的電磁轉矩輸出。當輸出的轉矩T超過轉子的摩擦轉矩以及由于永磁體的阻尼轉矩時,電機便開始向外做功,并不斷地加速直至同步。

      永磁電機的同步控制原理:

          永磁電機的同步控制可以看作是對空間磁場的控制,也可以看做定子磁場與轉子磁場的匹配問題,如何通過坐標變換實現模擬直流電機的控制方法來進行控制。將定子電流矢量分解成勵磁電流分量和轉矩電流分量,并使兩分量互相垂直,如果給定勵磁電流分量為0,則根據電工學知識得到轉矩與主磁通和轉矩電流分量乘積成正比。當通過坐標變換將定子電流矢量分解為勵磁電流分量和轉矩電流分量,便方便了對永磁同步電機的輸出參數的控制。當然還有其他的控制方法,有興趣的讀者可以自行研究。

          由于此類電機采用永磁體轉子,工作時轉子中無感應電流,因此不存在轉子電阻損耗,一方面使得其效率高于其他電機,另一方面使得電機溫升低,延長了電機的使用壽命。永磁同步電機既具有交流電機無電刷機構,又具有直流電機調速性能好的優點,都使得其有更為廣闊的應用前景,目前大部分汽車廠商都選擇永磁同步電機作為驅動電機,特斯拉目前也在向這個方向傾斜。

          但是由于永磁體轉子制造過程中需要用到價格高昂的稀土元素,使得電機成本相對較高;由于永磁材料怕高溫,使得電機在高溫、震動、過流的情況下有退磁的風險,需要使用冷卻液也相應增加了使用成本。最后介紹一下永磁同步電機用的永磁材料。永磁材料是指一經磁化即能恒定保持磁性的材料,常用的永磁材料分為鋁鎳鈷系永磁合金、鐵鉻鈷系永磁合金、永磁鐵氧體、稀土永磁材料和復合永磁材料等;目前永磁同步電機常用的永磁材料為鋁鎳鈷、鐵氧體、釹鐵硼以及稀土鈷,如今大部分永磁體轉子用的是稀土鈷。稀土永磁材料指的是含有稀土金屬的永磁材料,主要是稀土鈷和釹鐵硼永磁材料。稀土被稱為"工業維生素",稀土元素氧化物是元素周期表中原子序數為57 到71的15種鑭系元素氧化物,以及與鑭系元素化學性質相近的鈧(Sc)和釔(Y)17 種元素的氧化物。稀土的主要應用范圍之一是永磁,在新能源、航空航天、軍工設備、生物技術以及節能環保等領域得到應用,是極其重要的戰略資源。


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