必看！高效驱动电机的讲解分析实例，从材料到参数的图文介绍

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1.壳体评估

宝马i3的电机作为单独的总成，并未与减速箱集成。电机总重量约为42公斤，官方公布的数据显示电机功率可达125kw，扭矩可达250Nm。电机定子是热压进铝水套的，水套外圆为螺旋槽和外壳以形成冷却回路。非常轻松的将定子水套从电机外壳中拉出后，可以看到定子内套两端各装有一个大号的O型圈，这两个O型圈可以保证冷却电机的乙二醇冷却剂不会泄露出来。电机的重量大约为6.9kg，带有法兰盘的水套的重量大约为4.6kg，余下的定子铁芯、铜线、绝缘材料等总共有20.8kg。

2.定子绕组及硅钢片细节

下左图更详细的展示了定子绕组及硅钢片的细节，电机为12极72槽配合，同心绕组，6个并联支路，每槽9匝，每匝12根AWG21圆铜线。电机装有两个温度传感器，一个安装在绕组端部，另外一个安装在转子轴承附近。下右图定子硅钢片并不是完整的圆环型，它是由6块铁芯以拼接的方式组成一个完整的定子铁芯。定子铁芯长度是132.3毫米，外径242.1毫米。

下图是电机转子，它由转子轴、硅钢片、磁铁、转子端板组成，总重量为14.2kg。转子外径为178.6mm，转子硅钢片的形状有点类似于同步磁阻电机的设计，但它在每极上装有一大一小两个钕铁硼磁钢。为了减少运行期间的齿槽转矩和扭矩脉动，转子钢片轴向上一共分成了6层斜极。

I3电机转子的磁钢布局和槽形都非常的复杂和特殊，目的是减小电机磁链的条件下，增加电感凸极率。电机反电动势很小，但输出扭矩却很大；电机需要弱磁的车速很高（工况很少），而扭矩电流比却做得很大。

3.电机参数

4.宝马i3逆变器和电机性能评价

为了对电机做更详细的性能测试，如下图，制作了工装夹具，将电机安装在了测试台上作更详细的性能测试。

下图显示了在不同角度及电流的情况下，电机堵转测试的情况 。图表显示产生250Nm的峰值扭矩需要530A的峰值电流。随着角度的变化，扭矩变化非常平顺，输入最大电流，当角度为135度时，电机输出峰值扭矩。

下图所示，随着电流的增加，扭矩变化非常线性，这可以表明：就当电机产生250Nm的峰值扭矩时，磁饱和的程度也不高。

基于360V的电压平台，在不同的转矩和转速下，对宝马i3的电机做了性能和效率测试。在这些测试中，为了发挥系统的最佳状态，电控及电机是被50%的水和50%的乙二醇混合液冷却，冷却液的流量是10L/min，冷却液的温度保持在65度。

下图是电机的效率等高图，从中我们可以看出，电机在2500~9000rpm之间，输出扭矩达到125Nm时的效率可以到94%。

下图是电控的效率等高图，随着速度的增加，电控效率从88%增加至99%。

下图是电机和电控的综合效率图，当电机转速高于5000rpm，输出扭矩大于50Nm时，电机和电控的综合效率可以达到90%以上。通过这些测试可以确认，0~4000rpm电机都可以输出250Nm；5000~11400rpm电机可以输出峰值功率125kw。

在可操作的前提下，对电机在25、50、75kw的功率等级下做连续测试，测试转速为5000rpm、7000rpm及9000rpm。下图显示了电机转速为7000rpm，持续功率分别为25kw、50kw及75kw时的绕组温度变化。持续输出25kw，半小时后电机温度达到85度；持续输出50kw，半小时后电机温度达到95度；持续输出75kw，半小时后电机温度达到110度。

下图所示，电机转速为5000rpm，输出功率为50kw，持续这样的工况半个小时，电机温度达到100度。

另外，宝马i3的逆变器采用英凌650V/800A的FS800系列IGBT。针对它120KW的功率而言，逆变器搭载的电容仅仅为450V/475μF，也有可能是在电池端还有额外的电容并联。

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东南大学：定子永磁型无刷电机系统及其关键技术综述

研究背景

在传统转子永磁型无刷电机中，永磁体位于电机转子侧，该类型的电机相对于传统的直流电机和异步电机具有更高的功率密度和效率。但是，转子永磁型电机通常需要对转子采取特别加固措施以克服高速运转时的离心力，导致其结构复杂，而且降低了电机性能。同时，永磁体散热困难，存在由温升引起不可逆退磁的危险。为克服上述转子永磁型电机的缺点，近年出现了将永磁体安置于定子侧的定子永磁型无刷电机，并受到了日益广泛的关注。

2 定子永磁型无刷电机结构与工作原理

从20世纪90年代开始，陆续出现了3种新型结构的定子永磁型无刷电机及其驱动系统，如图1所示，分别为：1）双凸极永磁（doubly-salient permanent magnet，DSPM）电机； 2）磁通反向永磁（flux reversal permanent magnet，FRPM）电机；3）磁通切换永磁（flux-switching permanent magnet，FSPM）电机。这3种电机的永磁体均置于定子，因此，将它们统称为定子永磁型无刷电机。每一类型电机在结构上有很多变化，它们的共性主要体现在：1）转矩产生机理相同，即依靠定子直流励磁源与转子凸极的调制作用，使定子绕组中的磁链发生交变，从而产生感应电势与电磁转矩，实现机电能量转换；2）定、转子铁心均呈凸极结构；3）永磁体和电枢绕组均位于定子；4）转子仅由导磁材料构成。

图13 种典型的定子永磁型无刷电机

3 定子永磁型无刷电机分析与设计方法

等效磁路/磁网络法和有限元法常用于电机的分析和设计，前者计算精度低、但速度快，适用于初始设计阶段；后者精度高、但耗时长，适用于参数优化阶段。此外，永磁体位于定子上将带来一些特殊电磁现象：1）定子铁心的外围空间中有漏磁，可能在金属机壳中产生涡流损耗，形成局部过热；2）三维端部效应较为显著；3）定子铁心中存在直流偏置磁场，导致电机的损耗增大。

4 控制策略

定子永磁型无刷电机的电枢绕组空载感应电势有梯形波和正弦波两种情况。当电枢空载电势为正弦波时，可以使用矢量控制、电流滞环PWM控制、电压空间矢量PWM控制以及弱磁控制等策略。一些先进控制策略，如无位置传感器控制方法、定子磁链定向控制方法和最大效率跟踪控制方法也被应用于定子永磁型无刷电机；另外，可以通过导通角控制法和谐波电流注入法等抑制转矩脉动。

5 磁通控制

磁通控制的主要目的是实现对电机励磁磁场强弱的调节，从而获得更优的额定输出转矩和调速范围。相应的方法主要有：1）在定子永磁体外侧加一可移动短路片，通过控制该短路片与永磁体的距离来调节被短路的磁通；2）使用分裂绕组改变每相绕组匝数扩展电机的调速范围；3）使用电励磁或“电励磁+永磁”的混合励磁结构；4）使用剩磁大小可以调节的记忆永磁体励磁。

6 初级永磁型直线电机结构

从原理上讲，将旋转型定子永磁电机沿半径处剪开、展平，就可得到对应的直线电机。由定子永磁型旋转电机演变而来的直线电机通称为“初级永磁型直线电机”，图2即为FSPM电机对应的直线电机结构。在初级永磁型直线电机中，永磁体用量大幅减少，带来巨大的成本优势。

图2 直线型FSPM电机

7 定子永磁型无刷电机的应用

定子永磁型电机中，永磁体和电枢绕组位于定子上，因此易于直接冷却，非常适合电动汽车领域；当定子永磁型电机应用于飞轮储能系统时，令电机转子与飞轮直接耦合，可显著提高能量转换效率及可靠性，使用记忆永磁电机将进一步降低系统损耗；初级永磁型直线电机的永磁体和绕组均位于电机初级，沿轨道铺设的仅是导磁材料（如碳钢），可以显著降低制造成本和维护费用，在轨道交通领域展现出良好的应用前景。

8 结论

定子永磁型无刷电机作为一种新型永磁无刷电机，具备高效率、高功率密度和高可靠性等优点，在电动汽车、飞轮储能及轨道交通等领域展现出良好的应用前景。但是，作为一种结构和原理均新颖独特的无刷电机系统，仍有许多关键技术有待深入研究，例如损耗与温升、振动与噪声、容错电机与故障诊断、转矩脉动抑制，等。研究背景

在传统转子永磁型无刷电机中，永磁体位于电机转子侧，该类型的电机相对于传统的直流电机和异步电机具有更高的功率密度和效率。但是，转子永磁型电机通常需要对转子采取特别加固措施以克服高速运转时的离心力，导致其结构复杂，而且降低了电机性能。同时，永磁体散热困难，存在由温升引起不可逆退磁的危险。为克服上述转子永磁型电机的缺点，近年出现了将永磁体安置于定子侧的定子永磁型无刷电机，并受到了日益广泛的关注。

2 定子永磁型无刷电机结构与工作原理

从20世纪90年代开始，陆续出现了3种新型结构的定子永磁型无刷电机及其驱动系统，如图1所示，分别为：1）双凸极永磁（doubly-salient permanent magnet，DSPM）电机； 2）磁通反向永磁（flux reversal permanent magnet，FRPM）电机；3）磁通切换永磁（flux-switching permanent magnet，FSPM）电机。这3种电机的永磁体均置于定子，因此，将它们统称为定子永磁型无刷电机。每一类型电机在结构上有很多变化，它们的共性主要体现在：1）转矩产生机理相同，即依靠定子直流励磁源与转子凸极的调制作用，使定子绕组中的磁链发生交变，从而产生感应电势与电磁转矩，实现机电能量转换；2）定、转子铁心均呈凸极结构；3）永磁体和电枢绕组均位于定子；4）转子仅由导磁材料构成。

图13 种典型的定子永磁型无刷电机

3 定子永磁型无刷电机分析与设计方法

等效磁路/磁网络法和有限元法常用于电机的分析和设计，前者计算精度低、但速度快，适用于初始设计阶段；后者精度高、但耗时长，适用于参数优化阶段。此外，永磁体位于定子上将带来一些特殊电磁现象：1）定子铁心的外围空间中有漏磁，可能在金属机壳中产生涡流损耗，形成局部过热；2）三维端部效应较为显著；3）定子铁心中存在直流偏置磁场，导致电机的损耗增大。

4 控制策略

定子永磁型无刷电机的电枢绕组空载感应电势有梯形波和正弦波两种情况。当电枢空载电势为正弦波时，可以使用矢量控制、电流滞环PWM控制、电压空间矢量PWM控制以及弱磁控制等策略。一些先进控制策略，如无位置传感器控制方法、定子磁链定向控制方法和最大效率跟踪控制方法也被应用于定子永磁型无刷电机；另外，可以通过导通角控制法和谐波电流注入法等抑制转矩脉动。

5 磁通控制

磁通控制的主要目的是实现对电机励磁磁场强弱的调节，从而获得更优的额定输出转矩和调速范围。相应的方法主要有：1）在定子永磁体外侧加一可移动短路片，通过控制该短路片与永磁体的距离来调节被短路的磁通；2）使用分裂绕组改变每相绕组匝数扩展电机的调速范围；3）使用电励磁或“电励磁+永磁”的混合励磁结构；4）使用剩磁大小可以调节的记忆永磁体励磁。

6 初级永磁型直线电机结构

从原理上讲，将旋转型定子永磁电机沿半径处剪开、展平，就可得到对应的直线电机。由定子永磁型旋转电机演变而来的直线电机通称为“初级永磁型直线电机”，图2即为FSPM电机对应的直线电机结构。在初级永磁型直线电机中，永磁体用量大幅减少，带来巨大的成本优势。

图2 直线型FSPM电机

7 定子永磁型无刷电机的应用

定子永磁型电机中，永磁体和电枢绕组位于定子上，因此易于直接冷却，非常适合电动汽车领域；当定子永磁型电机应用于飞轮储能系统时，令电机转子与飞轮直接耦合，可显著提高能量转换效率及可靠性，使用记忆永磁电机将进一步降低系统损耗；初级永磁型直线电机的永磁体和绕组均位于电机初级，沿轨道铺设的仅是导磁材料（如碳钢），可以显著降低制造成本和维护费用，在轨道交通领域展现出良好的应用前景。

8 结论

定子永磁型无刷电机作为一种新型永磁无刷电机，具备高效率、高功率密度和高可靠性等优点，在电动汽车、飞轮储能及轨道交通等领域展现出良好的应用前景。但是，作为一种结构和原理均新颖独特的无刷电机系统，仍有许多关键技术有待深入研究，例如损耗与温升、振动与噪声、容错电机与故障诊断、转矩脉动抑制，等。

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