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现代永磁同步电机控制原理及matlab仿真_永磁同步电机是什么？

时间：2021-11-29 06:03:36

我们从特斯拉汽车开始说起，特斯拉这个名字是为了纪念尼古拉·特斯拉

现代交流电力系统的建立者，电机工程学的先驱。人们当前的现代化生活很大一部分要归功于这位神一样的男人。

特斯拉的车标灵感来源于电机结构的横截面图。特斯拉Model S和ModelX使用的是感应电机，国产版的Modal 3使用的是永磁同步电机。按照电机转子转速与定子旋转磁场的转速进行划分，两者相等称为同步电机，不相等称为异步电机(感应电机)。

01什么是同步电机？

同步电机起初是为恒速运转的设备提供动力。同步电机通过电网获得功率，端电压和系统频率保持定值。同步电机的转速被磁场的变化速度锁定，因此同步电机的转速是恒定值，与负载无关。同步电机转速由以下公式决定：

其中：nm为电机转速，f为定子电流频率，P电机的极数量(电机极数=极对数*2)；

通过以上公式不难看出同步电机的转速与输入的交流电频率有关，一个频率对应一个转速，这对电机的启动与调速造成比较大的麻烦，所以很长一段时间内同步电机应用范围比较小。近些年得力于IGBT发展趋于成熟，人们就能比较方便的通过改变电频率来对电机进行调速。

永磁同步电机在效率和功率密度方面更有优势，且随着稀土材料性能的提高和矢量控制技术的成熟，永磁同步电机受到越来越多新能源汽车的青睐。下面介绍永磁同步电机的结构和运行特性。

02永磁同步电机的结构

永磁同步电机主要组成部分包括定子(定子铁芯、永磁体)、转子(转子铁芯、线圈绕组)、冷却水路、传感器等。铁芯一般采用硅钢片材料；永磁体大多采用稀土材料，如钕铁硼；线圈绕组是铜线，外包绝缘漆；传感器一般包括位置传感器和温度传感器。

根据永磁体的安装形式，可以分为表贴式(SPM)和内置式(IPM)。SPM高转速时因为离心力的作用需要增加固定措施。IPM可以根据需要设计成各种永磁体形状，只要保证产生的励磁磁场是正旋分布即可，且不存在高速机械强度问题，IPM效率相对较高，目前新能源汽车电机大部分都采用IPM这种结构形式。

定子绕组按线圈的布置形式主要分为集中式绕组、分布式绕组和分段式扁线绕组，采用分段式扁线绕组电机又称发卡电机，因绕组铜线酷似发卡得名。各种绕组结构形式在制造工艺、性能(相反电动势、磁阻转矩、功率密度、温升等)等各有优势，可根据不同应用场景进行选择。

03永磁同步电机运行特性

外特性关注三个转速，分别是基速n1(简单理解就是转矩拐点转速，或称为额定转速)、最大功率点转速n2、最高转速n3。以基速为界限，小于基速是恒转矩区域；由于在基速时反电动势已经接近控制器的最大电压，简单理解就是控制器电压饱和了，为了维持电压平衡，并且转速得到拓展，必须有一部分电流进行弱磁(用允许的最小电流进行弱磁)，消弱反电动势，所以大于基速部分采用弱磁控制，弱磁控制分为弱磁区Ⅰ、弱磁区Ⅱ。电机控制简单讲就是用最小的电流产生最大的扭矩，并且转速满足使用要求。

(1)在恒转矩区，电机按最大扭矩电流比控制(简称MTPA控制)，这段区间电机运行受控制器最大电流的限制，电机输出最大恒定转矩，此时电机产生的热量是比较大的。

(2)弱磁区Ⅰ从基速到最大功率点转速，这段区间电机的运行受到控制器最大电压和最大电流的限制，这段区间电机可以按照恒功率输出，在磁阻转矩的作用下，这段功率还是增加的，一直增加到最大功率点转速，但是转矩是降低的。

(3)弱磁区Ⅱ从最大功率点转速到电机最高转速，电机按照最大扭矩电压比控制(简称MTPV控制)，这段区间电机的运行受控制器最大电压的限值，电机按照最大功率输出，随着转速升高线电压恒定，相电流逐渐减小，转矩一直降低。

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