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電動(dòng)汽車用分裂繞組永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)

jf_IvoARX3P ? 來源:微特電機(jī) ? 2023-06-19 11:42 ? 次閱讀
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作者:翟秀果,李毅拓,鄭 權(quán)丨河南森源重工有限公司

摘 要:

設(shè)計(jì)了一款新型純電動(dòng)物流車用驅(qū)動(dòng)電機(jī),定子采用分裂繞組形式,電機(jī)在低速區(qū)域工作時(shí)繞組全部接入,電機(jī)在高速區(qū)域工作時(shí)繞組部分接入,以替代機(jī)械式兩檔變速箱,拓寬電機(jī)高效率工作區(qū)域。

解決電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程問題,一方面要從儲(chǔ)能電池入手,研制高儲(chǔ)能的電芯和電池管理系統(tǒng),另一方面要從電驅(qū)系統(tǒng)方面入手,研制高效節(jié)能的電機(jī)和電控系統(tǒng)。本文主要研究電機(jī)的高效節(jié)能性,以一款200 kW永磁同步電機(jī)為例,探討分裂繞組定子和交直軸電感優(yōu)化對電機(jī)高效率特性的貢獻(xiàn)。

永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子上沒有銅耗,相對于異步電機(jī)效率較高,電動(dòng)汽車廠家在電驅(qū)系統(tǒng)中越來越傾向于使用永磁同步電機(jī)。傳統(tǒng)電機(jī)定子繞組為固定匝數(shù),因?yàn)殡姍C(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢和轉(zhuǎn)速成正比,所以永磁電機(jī)在高速時(shí)必須進(jìn)行弱磁控制,以免感應(yīng)電勢過高擊穿開關(guān)器件,即永磁電機(jī)在高速時(shí)有相當(dāng)一部分電流是起到反向弱磁功能,并不提供轉(zhuǎn)矩,該部分弱磁電流在定子中同樣存在銅耗。

為了解決這一問題,部分廠商采用兩檔變速箱的結(jié)構(gòu),在車輛高速行駛時(shí)用切換齒輪的方法降低電機(jī)轉(zhuǎn)速,以此來降低電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢,但該結(jié)構(gòu)增加了變速箱后電驅(qū)系統(tǒng)的體積和成本。本文采用分裂繞組的定子結(jié)構(gòu),從根本上解決永磁同步電機(jī)寬轉(zhuǎn)速運(yùn)行的弱磁問題,電機(jī)定子繞組分段引出,在低速區(qū)域運(yùn)行時(shí)繞組全部接入工作,保證電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩輸出;在高速區(qū)域運(yùn)行時(shí)繞組部分接入工作,定子磁鏈減小,所需弱磁電流降低,保證電機(jī)恒功率輸出。

1 動(dòng)力匹配及電機(jī)性能

1.1 計(jì)算電機(jī)外特性曲線

本文所研究的永磁同步電機(jī)擬用作物流車的驅(qū)動(dòng)電機(jī),物流車相關(guān)動(dòng)力需求參數(shù)如表1所示。

表1 電動(dòng)物流車動(dòng)力需求參數(shù)

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物流車最大需求功率出現(xiàn)在滿載時(shí)的爬坡路段,根據(jù)最大爬坡功率計(jì)算式[4]:

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(1)

計(jì)算爬坡路段所需驅(qū)動(dòng)電機(jī)峰值功率Pr=150 kW,計(jì)算爬坡時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速

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3 650 r/min,再由公式:

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(2)

計(jì)算電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩段峰值轉(zhuǎn)矩T=392 N·m,取T=400 N·m。

電機(jī)低速段工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域,高速段工作在恒功率區(qū)域,繪制電機(jī)需求外特性曲線如圖1所示。

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圖1 電動(dòng)物流車需求電機(jī)外特性

1.2 計(jì)算電機(jī)參數(shù)

首先用解析法根據(jù)永磁同步電機(jī)所需功率和轉(zhuǎn)矩確定電機(jī)的大致尺寸,有經(jīng)驗(yàn)公式[3]:

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(3)

式中:T為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;暫取電機(jī)輸出效率η=96%;電樞繞組系數(shù)kw=0.92,水冷電機(jī)電負(fù)荷A=50 kA/m,磁負(fù)荷B=0.8 T,根據(jù)車輛底盤安裝空間估算電機(jī)的有效長度le=0.15 m。

根據(jù)需求T=400 N·m,計(jì)算定子內(nèi)徑Dsi=0.22 m。

取定子裂比0.66,定子外徑Dso=330 mm。

根據(jù)公式:

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(4)

確定定子槽面積As,取槽滿率kp=0.7,定子槽數(shù)Ns=48,電流密度J=15 A/mm2。

進(jìn)一步根據(jù)公式:

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(5)

確定定子軛厚度hc和定子齒寬ωt尺寸,定子采用平行齒結(jié)構(gòu)。

用相關(guān)數(shù)值在Maxwell軟件中進(jìn)行2D建模,并進(jìn)行電磁優(yōu)化計(jì)算,得到電機(jī)基本參數(shù),電機(jī)二維模型如圖2所示,具體電機(jī)參數(shù)如表2所示。

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圖2 150 kW永磁同步電機(jī)1/2模型圖

表2 電機(jī)參數(shù)

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計(jì)算得到電機(jī)輸出峰值狀態(tài)功率和轉(zhuǎn)矩,如圖3所示。圖3中,三角標(biāo)志線為峰值轉(zhuǎn)矩,叉線為峰值功率,可以看出電機(jī)性能滿足車輛動(dòng)力需求。

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圖3 電機(jī)外特性曲線

進(jìn)一步計(jì)算電機(jī)的電流曲線如圖4所示。圖4中,平滑曲線為定子相電流is曲線,三角線為交軸電流iq曲線,叉線為直軸電流-id曲線。計(jì)算電機(jī)的效率map如圖5所示。

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圖4 電機(jī)電流曲線

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圖5 電機(jī)效率map

從圖4可以看出,電機(jī)在低速恒轉(zhuǎn)矩區(qū)需要380 A的電流,隨著轉(zhuǎn)速升高,進(jìn)入恒功率區(qū)域后電流先降再升,到達(dá)10 000 r/min之后,在高速區(qū)域電流逐漸超過了恒轉(zhuǎn)矩段電流。這是因?yàn)殡娏骺梢苑纸鉃閮刹糠?,提供轉(zhuǎn)矩的交軸電流iq和弱磁電流-id,在低速區(qū)域,電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢低,需要的弱磁電流較小,電流大部分用來提供轉(zhuǎn)矩輸出;中速段后進(jìn)入恒功率區(qū)域,電機(jī)所需輸出轉(zhuǎn)矩降低而感應(yīng)電動(dòng)勢未超出額定電壓,電流呈現(xiàn)降低趨勢;高速段后電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢超出額定電壓,且隨著轉(zhuǎn)速升高進(jìn)一步升高,電機(jī)所需輸出轉(zhuǎn)矩仍然降低趨勢,需要越來越多的電流參與到弱磁分量中,以至于電流超過了低速區(qū)電流。

電驅(qū)系統(tǒng)的最大伏安容量定義為電機(jī)最大工作電壓點(diǎn)的電壓Us1和電機(jī)最大工作電流點(diǎn)的電流Is2的乘積,該Us1和Is2可以不同時(shí)出現(xiàn),最大伏安容量決定著電驅(qū)系統(tǒng)的功率密度,也限制著功率元器件的選型。顯然,定子電流在高速段超過低速段,這不是電機(jī)工作的理想情況,會(huì)提高電驅(qū)系統(tǒng)的最大伏安容量,降低系統(tǒng)的功率密度;另外,高速時(shí)因?yàn)殡姍C(jī)鐵耗越來越高,再加上不斷增大的銅耗會(huì)導(dǎo)致高速段效率嚴(yán)重下降,從圖5的電機(jī)效率map可以直觀地看出電機(jī)高效區(qū)域面積很小。

2 分裂繞組設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

為了降低電驅(qū)系統(tǒng)的最大伏安容量,同時(shí)提高電機(jī)高效率區(qū)面積,擬將本電機(jī)的定子繞組設(shè)計(jì)為分裂繞組形式,將定子繞組分兩部分組成,兩部分同槽分布,低速區(qū)域兩部分串聯(lián)同時(shí)工作,高速時(shí)切掉部分繞組來降低電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢,分裂繞組電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

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圖6 分裂繞組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

定子繞組分為N1和N2兩部分,兩段之間首尾串聯(lián)并做中間引出線,三相電機(jī)的三個(gè)尾端引出線接切換開關(guān)K1,三個(gè)中間引出線接切換開關(guān)K2。低速時(shí)K1接通,K2斷開,電機(jī)工作繞組N=N1+N2;高速時(shí)K1斷開,K2接通,電機(jī)工作繞組N=N1。當(dāng)然,圖6為特殊的兩段式分裂結(jié)構(gòu),而分裂繞組的分段段數(shù)z不僅限于z=2,切換開關(guān)個(gè)數(shù)等于分段段數(shù)z,具體分段段數(shù)需依照電機(jī)的弱磁調(diào)速范圍而定,并同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性和可行性。

分裂繞組內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示,以A相為例,每個(gè)六邊形為一個(gè)繞組元件,普通電機(jī)繞組的元件個(gè)數(shù)為Ns/m,即槽數(shù)除以相數(shù),而分裂繞組的元件個(gè)數(shù)為z×Ns/m,本文中電機(jī)z=2即可滿足弱磁調(diào)速需求。圖7中繞組A1-X1段每個(gè)元件的匝數(shù)為N1,繞組A2-X2段每個(gè)元件的匝數(shù)為N2,兩段繞組的元件同槽分布。

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圖7 分裂繞組內(nèi)部結(jié)構(gòu)

分裂繞組的設(shè)計(jì)原則如下:

1) 繞組分段段數(shù)z需要同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性和可行性,分段段數(shù)提升會(huì)導(dǎo)致切換開關(guān)個(gè)數(shù)增加,從而增加接線盒體積,不利于成本控制。

2) 繞組分裂匝數(shù)比λ=N1/(N1+N2),λ的選取需要同時(shí)考慮低速時(shí)輸出足夠大的轉(zhuǎn)矩和高速時(shí)足夠小的感應(yīng)電動(dòng)勢。

3) 分裂轉(zhuǎn)速點(diǎn)n的選取要根據(jù)分裂匝數(shù)比而定,并同時(shí)保證繞組分裂前感應(yīng)電勢足夠小,繞組分裂后輸出轉(zhuǎn)矩足夠大。

4) 為了盡可能降低系統(tǒng)的最大伏安容量,繞組分裂前所有繞組串聯(lián)工作的電流is1和繞組分裂后僅部分繞組工作的電流is2要滿足關(guān)系is1≈is2。

5) 繞組分裂前的總匝數(shù)選取要考慮系統(tǒng)的安全電壓,即考慮切換開關(guān)的故障模式,在所有繞組串聯(lián)情況下,電機(jī)在最大轉(zhuǎn)速時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢要小于控制器件的安全電壓。

2.2 設(shè)計(jì)結(jié)果與對比分析

根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則,利用Maxwell 2D軟件對繞組匝數(shù)、分裂轉(zhuǎn)速點(diǎn)和轉(zhuǎn)子磁鋼尺寸進(jìn)行參數(shù)化分析,計(jì)算得出分段段數(shù)z=2,分裂轉(zhuǎn)速n=6800r/min,元件匝數(shù)N1=4,N2=5,即轉(zhuǎn)速小于6800r/min時(shí)繞組工作匝數(shù)為9匝,轉(zhuǎn)速大于6800r/min時(shí)繞組工作匝數(shù)4匝。

對比分裂繞組電機(jī)和普通繞組電機(jī)的空載感應(yīng)電動(dòng)勢曲線如圖8所示。圖8中,實(shí)線為分裂繞組電機(jī)空載感應(yīng)電動(dòng)勢曲線,虛線為普通繞組電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢曲線??梢钥吹?,分裂轉(zhuǎn)速前電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢斜率很大,分裂轉(zhuǎn)速后電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢斜率較低,之后電機(jī)的空載感應(yīng)電動(dòng)勢遠(yuǎn)低于普通電機(jī)。

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圖8 空載感應(yīng)電勢對比

分裂繞組電機(jī)的定子電流曲線如圖9和圖10所示,其中圖9為電流幅值曲線,圖10為電流相角曲線。對比圖4和圖9可以看出,高速時(shí)分裂繞組電機(jī)的電流得到有效抑制,最高速時(shí)電流不超過低速時(shí)的恒轉(zhuǎn)矩電流。

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圖9 分裂繞組電機(jī)電流幅值曲線

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圖10 分裂繞組電機(jī)電流相角曲線

對比普通電機(jī)和分裂繞組電機(jī)最大伏安特性曲線如圖11所示。可見,繞組采用分裂控制可以有效地降低整個(gè)系統(tǒng)的伏安容量,從而節(jié)省成本,提高系統(tǒng)的功率密度。

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圖11 電機(jī)最大伏安容量對比

計(jì)算分裂繞組電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩特性曲線,如圖12所示。圖12中,三角線為繞組分裂前轉(zhuǎn)矩曲線,虛線為繞組分裂后轉(zhuǎn)矩曲線,兩條曲線疊加之后的輪廓線可以完全覆蓋圖1的電動(dòng)物流車需求轉(zhuǎn)矩曲線。進(jìn)一步計(jì)算分裂繞組電機(jī)的效率map,如圖13所示??梢?,該電機(jī)存在兩個(gè)高效率區(qū)域,對比圖5普通電機(jī)的效率map,發(fā)現(xiàn)高效區(qū)域面積幾乎增加了一倍。

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圖12 分裂繞組電機(jī)輸出特性曲線

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圖13 分裂繞組電機(jī)輸出效率map

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

分裂繞組電機(jī)試驗(yàn)樣機(jī),分裂繞組電機(jī)接線盒內(nèi)部引出線,兩段式分裂繞組共計(jì)9個(gè)引出頭,其中A、B、C端接控制器輸出,A1,B1,C1和A2,B2,C2分別接切換開關(guān)K1和K2。

將電機(jī)安裝在臺(tái)架上進(jìn)行性能測試,電機(jī)通過減速器、傳動(dòng)軸和后橋的差速器連接,后橋兩端各布置一個(gè)測功機(jī),可以模擬車輛的具體運(yùn)行狀態(tài),電機(jī)和差速器的連接。

電機(jī)測試過程中對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄,中控室操作界面如圖18所示。設(shè)定轉(zhuǎn)速后測功機(jī)測取轉(zhuǎn)矩值,本測試所用電機(jī)減速器變比3.07,后橋差速器減速比6.15,總計(jì)減速比18.8,界面中左右轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩分別顯示的是兩個(gè)測功機(jī)的測量值,即代表實(shí)際車輛運(yùn)行時(shí)輪轂的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩,兩邊轉(zhuǎn)矩之和除以減速比即為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

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圖17 分裂繞組電機(jī)與差速器連接

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圖18 電機(jī)性能測試界面

根據(jù)測試數(shù)據(jù)繪制電機(jī)實(shí)際工作效率map如圖19所示。和仿真計(jì)算一致,該圖有兩個(gè)高效率區(qū)域,不過高速區(qū)的實(shí)測效率值要大于計(jì)算值。由于測試臺(tái)架的轉(zhuǎn)速限制,測試只能進(jìn)行到12 000 r/min,根據(jù)效率分布趨勢來看,更高轉(zhuǎn)速時(shí)的實(shí)測效率值依然要大于計(jì)算值,可見,分裂繞組電機(jī)對于效率的提高是十分見效的。

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圖19 分裂繞組電機(jī)實(shí)測效率map

將電機(jī)的效率值結(jié)合電動(dòng)汽車具體蓄電池參數(shù),用ADVISOR軟件計(jì)算續(xù)航里程,計(jì)算結(jié)果如圖20所示,分裂繞組電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對比普通電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程整體提升了約30%。

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圖20 電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程對比

4 結(jié) 語

本文以純電動(dòng)物流車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)為應(yīng)用對象,設(shè)計(jì)并制造了一臺(tái)分裂繞組永磁同步電機(jī),通過仿真分析和實(shí)測得出以下結(jié)論:

1) 電機(jī)定子繞組采用分裂繞組形式可以額外增加電機(jī)的高效率區(qū)域,能有效地提高電驅(qū)系統(tǒng)的效率,從而延長電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程。

2) 電機(jī)定子繞組采用分裂繞組形式可以大幅降低電驅(qū)系統(tǒng)的最大伏安容量,從而減小體積、增加功率密度、降低成本。

3) 分裂繞組的設(shè)計(jì)既要考慮到電機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩特性,又要保證電機(jī)高速時(shí)較低的感應(yīng)電動(dòng)勢,需要對分裂轉(zhuǎn)速點(diǎn)和繞組分裂前后匝數(shù)比進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

4) 分裂繞組電機(jī)可以根據(jù)弱磁區(qū)間的范圍靈活地選取繞組分裂段數(shù),以此來代替多檔式機(jī)械變速箱,提高電驅(qū)系統(tǒng)功率密度,并且以電切換代替機(jī)械切換,可以提高換擋靈敏度。

審核編輯:湯梓紅

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原文標(biāo)題:電動(dòng)汽車用分裂繞組永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)

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    發(fā)表于 09-10 11:19

    電動(dòng)汽車電機(jī)電控技術(shù)解析

    一致。因此,通過控制電機(jī)的定子繞組輸入電流頻率,電動(dòng)汽車的車速將最終被控制。而如何調(diào)節(jié)電流頻率,則是電控部分所要解決的問題。與其他類型的電機(jī)相比較,
    發(fā)表于 10-15 10:32

    永磁同步電機(jī)原理、特點(diǎn)、應(yīng)用詳解

    與定子繞組的電流頻率始終保持一致。因此,通過控制電機(jī)的定子繞組輸入電流頻率,電動(dòng)汽車的車速將最終被控制。而如何調(diào)節(jié)電流頻率,則是電控部分所要解決的問題。
    發(fā)表于 10-15 10:25

    電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選配原則研究

    控制的控制方式的交流異步電機(jī),還是采用永磁同步電機(jī)?有必要添加更多的參考因素,再做進(jìn)一步的論證。本文由電動(dòng)汽車資源網(wǎng)【EV江湖】作者撰寫本文
    發(fā)表于 10-19 10:19

    電動(dòng)汽車電機(jī)和電控技術(shù)分析

    一致。因此,通過控制電機(jī)的定子繞組輸入電流頻率,電動(dòng)汽車的車速將最終被控制。而如何調(diào)節(jié)電流頻率,則是電控部分所要解決的問題。與其他類型的電機(jī)相比較,
    發(fā)表于 10-31 11:13

    永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)需要注意哪些參數(shù)?

    通常較低類型,釹與鋱和鏑在為了在高溫下保持其磁性。永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)在永磁同步電機(jī)(PMSM)的設(shè)計(jì)中,永磁轉(zhuǎn)子的構(gòu)造基于三相感應(yīng)
    發(fā)表于 03-29 17:08

    電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

    電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)
    發(fā)表于 05-04 15:18 ?13次下載

    電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)的研究

    電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)的研究,基于DSP控制,電機(jī)設(shè)計(jì)及仿真。
    發(fā)表于 05-05 14:56 ?19次下載

    混合動(dòng)力電動(dòng)代步車Halbach永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)

    混合動(dòng)力電動(dòng)代步車Halbach永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)_王文明
    發(fā)表于 01-02 16:30 ?2次下載

    HEV繞組永磁同步電機(jī)雙逆變器協(xié)同控制_孫丹

    HEV繞組永磁同步電機(jī)雙逆變器協(xié)同控制_孫丹
    發(fā)表于 01-08 13:15 ?0次下載

    電動(dòng)汽車如何使用永磁同步電機(jī)弱磁控制的詳細(xì)資料免費(fèi)下載

    結(jié)合電動(dòng)汽車應(yīng)用,分析了適合弱磁運(yùn)行的永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),并在永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上,介紹了應(yīng)用于矢量控制技術(shù)中不同的弱磁控制方法
    發(fā)表于 08-09 08:00 ?77次下載
    <b class='flag-5'>電動(dòng)汽車</b>如何使用<b class='flag-5'>永磁</b><b class='flag-5'>同步電機(jī)</b>弱磁控制的詳細(xì)資料免費(fèi)下載

    永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)與控制

    永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)與控制分享。
    發(fā)表于 05-19 15:04 ?171次下載

    永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)

    永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì) 由于其緊湊性和高扭矩密度,永磁同步電機(jī)在許多工業(yè)應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用,特別用于高性能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),如潛艇推進(jìn)系統(tǒng)。永磁
    發(fā)表于 03-06 15:30 ?2101次閱讀

    永磁同步電機(jī)的特點(diǎn) 永磁同步電機(jī)和交流同步電機(jī)區(qū)別

      永磁同步電機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)。它的轉(zhuǎn)速與電源頻率無關(guān),主要依靠勵(lì)磁磁場與旋轉(zhuǎn)磁場的交互作用來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩輸出。永磁同步電機(jī)
    發(fā)表于 03-25 11:05 ?1w次閱讀

    永磁同步電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域 永磁同步電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

    永磁同步電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 永磁同步電機(jī)具有高效率、高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度和良好的控制性能等優(yōu)點(diǎn),因此在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,具體包括: 電動(dòng)汽車
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