永磁同步电机的原理和结构

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1、永磁同步电机的道理如下在电念头的定子绕组中通入三相电流 , 在通入电流后就会在电念头的定子绕组中形成扭转磁场 ,因为在转子 上装配了永磁体,永磁体的磁极是固定的,依据磁极的同性相吸异性相 斥的道理,在定子中产生的扭转磁场会带动转子进行扭转,最终达到转 子的扭转速度与定子中产生的扭转磁极的转速相等 ,所以可以把永磁 同步电机的起动进程算作是由异步启动阶段和牵入同步阶段构成的 . 在异步启动的研讨阶段中,电念头的转速是从零开端逐渐增大的,造成 上诉的重要原因是其在异步转矩.永磁发电制动转 矩.I由转子磁路不对称而引起的磁阻转矩和单轴转矩等一系列的身分配合感化 下而引起的，所以在这个进程中转速是振荡

2、着上升的.在起动进程 中,I只有异步转矩是驱动性质的转矩，电念头就是以这转矩来得以加快的,其 他的转矩大部分以制动性质为主.在电念头的速度由零增长到接近定 子的磁场扭转转速时 ,在永磁体脉振转矩的影响下永磁同步电机的转 速有可能会超出同步转速,而消失转速的超调现象.但经由一段时光的 转速振荡后,最终在同步转矩的感化下而被牵入同步.永磁同步电机主如果由转子.端盖.及定子等各部件构成的.一般来说, 永磁同步电机的最大的特色是它的定子构造与通俗的感应电机的构造 异常异常的类似,主如果差别于转子的奇特的构造与其它电机形成了 不同.和经常运用的异步电机的最大不合则是转子的奇特的构造,在转 子上放有高质量

3、的永磁体磁极 .因为在转子上安顿永磁体的地位有许 多选择,所以永磁同步电机平日会被分为三大类：内嵌式.面贴式以及 拔出式,如图 1.1 所示.永磁同步电机的运行机能是最受存眷的,影响 其机能的身分有许多,但是最重要的则是永磁同步电机的构造.就面贴 式.拔出式和嵌入式而言,各类构造都各有其各自的长处.图 1-1面贴式的永磁同步电机在工业上是运用最广泛的 ,其最重要的原 因是其失去许多其他情势电机无法比较的长处,例如其制造便利,迁移 转变惯性比较小以及构造很简略等 .并且这种类型的永磁同步电机加 倍轻易被设计师来进行对其的优化设计, 个中 最重要的办法是I把气隙磁链的分布结构设计成近似正弦的分布,

4、将其散布构造改成正弦散布后 可以或许带来许多的优势,例如I能减小磁场的谐波以及它所带来的负面效应, 运用以上的办法可以或许很好的改良电机的运行机能.拔出式构造的 电机之所以可以或许跟面贴式的电机比拟较有很大的改良是因为它充 分的运用了它设计出的磁链的构造有着不合错误称性所生成的奇特的 磁阻转矩能大大的进步了电机的功率密度,并且在也能很便利的制造 出来,所以永磁同步电机的这种构造被比较多的运用于在传动体系中, 但是其缺点也是很凸起的，例如制造成本和漏磁系数与面贴式的比拟 较都要大的多.I嵌入式的I永磁同步电机中的永磁体是被安顿在转子的内 部，比拟较而言其构造固然比较庞杂，但却有几个很显著的长处是

5、毋庸 置疑的，因为有高气隙的磁通密度，所以I很显著的它跟面贴式的电机比拟 较就会产生很大的转矩；因为在转子永磁体的装配方法是选择嵌入式 的，所以永磁体在被去磁后所带来的一系列的安全的可能性就会很小， 是以电机可以或许在更高的扭转速度下运行但是其实不须要斟酌转子 中永磁体是否会因为离心力过大而被损坏.为了表现永磁同步电机的优胜机能，与传统异步电机来进行比较， 永磁同步电机特殊是最经常运用的稀土式的永磁同步电机具有构造简 略，运行靠得住性很高；体积异常的小，质量特此外轻；损耗也相对较少， 效力也比较高；电机的外形以及大小可以灵巧多样的变更等比较显著 的长处.恰是因为其失去这么多的优势所以其运用规模

6、异常的广泛，几 乎广泛航空航天.国防.工农业的临盆和日常生涯等的各个范畴.永磁 同步电念头与感应电念头比拟，可以斟酌不输入无功励磁电流，是以可 以异常显著的进步其功率身分，进而削减了定子上的电流以及定子上 电阻的损耗，并且在稳固运行的时刻没有转子电阻上的损耗，进而可以 因总损耗的降低而减小电扇（小容量的电机甚至可以不必电扇）以及 响应的风磨损耗，从而与同规格的感应电念头比拟较其效力可以进步 2-8个百分点.先对永磁同步电机的转速进行研讨，在剖析定子和转子的磁动势 间的转速关系时，|假定转子的转速为n|r/min，|所以转子的磁动势响应的转 速也为n r/min,所以定子的电流响应的频率是f=|

7、60 ,因为定子扭转 的磁动势的扭转速度是由定子上的电流产生的，所以应为60 pn(1.1)二 n p 60可以看出转子的扭转速度是与定子的磁动势的转速相等的.对于永磁同步电机的电压特征研讨,可以运用电念头的通例来直 接写出它的电动势均衡方程式U = E + j I x + j I x0d dq q(1.2) 对于永磁同步电机的功率而言,同样依据发电机的通例可以或许得到nUE 乂U2 1P = m sino + m_Mx21Xdqsin28Xd丿永磁同步电机的电磁功率为1.3)对于永磁同步电机的转矩而言，在恒定的转速包下，转矩和功率是成 正比的，所以可以得到以下公式P mUE . mU 1 T

8、 = m =o sino +b Q x11 dsin2521 X1 qXd丿1.4)第二章永磁同步电机物理模子开环仿真下面临永磁同步电机物理模子的开环进行仿真 ，在仿真之前先介绍各 个单元模块，以便于对模子进行更好的仿真.逆变器单元，逆变是和整流相对应的，它的重要功效是把直流电转变成 交换电.逆变可以被分为两类，包含有源逆变以及无源逆变.个中有源 逆变的界说为当交换侧衔接电网时，称之为有源逆变;当负载直接与交 换侧相连时，称之为无源逆变.以图2-1的单相桥式逆变电路的例子来解释逆变器的工作道理.图 2-1 逆变电路图2-1中S1-S4为桥式电路的4个臂,它们是由电力电子器件及其 帮助电路构成的

9、.当开关S1.S4闭合,S2.S3断开时，负载电压u0为正; 当S1.S4断开,S2.S3闭应时,u0为负，其波形如图2-2所示.图 2-2 逆变电路波形经由过程这个办法,就可以把直流电转变成交换电,只要转变两组 开关响应的切换频率,就可以转变交换电的输出频率.这就是逆变器的 工作道理.当负载是电阻时，负载电流和电压u仃的波形是雷同的，相位也 雷同.当负载是阻感时，i0的基波相位滞后于u仃的基波，两者波形的外 形也不合，图2-2给出的是阻感负载时的i口的波形.设 甸时刻断开 S1.S4,同时合上S2.S3,则uQ的极性连忙变成负的.但是，恰是因为负 载中消失着电感，个中的电流极性仍将保持本来的

10、偏向而不克不及连 忙转变.这时负载电流会从直流电源负极而流出，经由S2.负载和S3再 流回正极,负载电感中储存的能量会向直流电源发出反馈旌旗灯号，负 载电流要逐渐减小，到tQ时刻降到零，之后i0才开端并反向增 大.S2.S3断开,S1.S4闭应时的情形类似.上面是S1-S4均为幻想开关 时的剖析，实际电路的工作进程要比这更庞杂一些.逆变电路依据直流侧电源性质的不合可以被分为两种：直流侧为 电压源的称为电压型逆变电路 ;直流侧为电流源的称为电流型逆变电 路.它们也分离被称为电压源逆变电路和电流源逆变电路.三相电压型逆变电路是由三个单相逆变电路而构成的 .在三相逆 变电路中三相桥式逆变电路运用的最

11、为广泛.如图2-3所示的三相电 压型桥式逆变电路|是采用I gbt|作为开关器件的，是以可以很显著的看出它 是由三个半桥逆变电路构成的.图 2-3 三相电压型桥式逆变电路如图2-3所示的电路的直流侧一般只用一个电容器就可以了，但是为了 便利剖析，画出了串联的两个电容器并且标出设想的中点N，单相半桥和全桥 逆变电路是具有许多类似点的，三相电压型桥式逆变电路也是以180度的导电 方法作为其根本的工作方法，统一半桥高低两个臂瓜代着导电 ，每相之间开端 导电的角度以 120 度相错开.如许在任何时刻，将会有三个桥臂同时导通.也可 能是上面一个下面两个 ，也可能是上面两个下面一个同时导通 .它之所以被称

12、 为纵向换流是因为每次换流都是在统一相上的两个桥臂之间交换进行.逆变器的参数设置如图 2-4 所示图 2-4 逆变器模块参数设置六路脉冲触发器模块，如图 2-5 所示图 2-5 六路脉冲触发器模块同步六路脉冲产生器模块可用于许多范畴.六路脉冲触发器的重要部分是六个晶闸管。 J该模块的输出是一个六脉冲单独同步的六晶闸管电压矢量.下面的图表显示了一个0度的a角的六路脉冲.如图2-6所示图2-6六路脉冲触发器输出的脉冲aipha_deg输入一个发射旌旗灯号，以度的情势.该输入可以衔接到一个恒定的 模块或者它可以衔接到掌握体系来掌握发电机的脉冲AB.BC.CA为输入的ABC三相的线电压Freq频率的输

13、入端口，这种输入应当衔接到包含在赫兹的根本频率，恒定的 模块.Block 六路脉冲触发器的参数设置如图2-7所示图2-7六路脉冲触发器参数设置图2-8整体开环仿真框图本文在基于 Matlab 下树立了永磁同步电机的开环电机模子的仿真.Q,直轴感抗为0.027H,交轴感抗为0.067H,漏磁通 入f为 0.272wb,迁移转变惯量J2,粘滞摩擦系数B为0.得到的仿真成果图如图2-9所示图2-9电机转速曲线从图中的曲线可以看出，电机转速给定值为3000N (pm),从电机起动开端, 速度逐渐上升,达到给定值须要的时光比较长,换句话说就是电机的响应时光 较长,并且在达到稳固值邻近时的转速摇动也比较大

14、,可能是因为永磁同步电 机的内部构造很庞杂,也可能是跟电机没有任何掌握有关,愿望在搭建了速度 转矩双闭环掌握后的转速的响应时光能缩短,达到给定值邻近时的高低摇动能 减小转矩的成果如图2-10所示图2-10永磁同步电机转矩曲线从图中可以看出,在永磁同步电机起动后转矩的值在零的邻近摇 动,摇动规模照样比较大,产生摇动的重要原因照样电机庞杂的内部构 造,以及在没有任何掌握的情形下才消失的,愿望在搭建成速度转矩双 闭环掌握下可以使其摇动的规模减小,无穷的接近于零.电流的仿真成果如图2-11所示图2-11永磁同步电机电流曲线对于永磁同步电机开环物理模子仿真的电流,电流在电机开端运行时电流会在短时光内上升

15、并振荡,但很快就接近与零值并且在零值邻近摇动.第三章 永磁同步电机双闭环仿真在MATLAB下的SIMULINK情形中，运用个中的各类模块,树立了永磁同 步电机双闭环掌握体系仿真模子.该体系是由PI掌握器构成的速度环和滞环电流掌握器树立的电流环配合掌握的双闭环掌握体系 .经由过 程给定转速与实际转速的比较产生的误差,将产生的误差旌旗灯号送 入PI掌握器，再由PI掌握器送达转速掌握模块.并经由过程坐标变换 产生的参考电流,与 PMSM 输出的实际电流比拟较,再经由过程桥路逆 变器产生输入PMSM的三相电压,经由坐标变换后直接输入到PMSM本 体掌握其运行.最终达到在运用双闭环掌握体系的掌握下可以或许实 现实际转速与期望转速相一致的目标.依据模块化的思惟,我们可以将体系的整体构造划分为以下几个重要部分：PMSM电机本体模块，转速控制模块，转矩控制模块，坐标变换模块,，电流控制模块7 电压逆变模块.3.1.1 PMSM本体模块在全部仿真进程中,电机本体模块是个中最重要的模块之一.依据公式可得到永磁同步电机的机械转速以及电子转速公式：T T B )eLwmJ丿（P为极对数）(3.2)则可以树立如下的电机本体模块,如图3-2所示：图3-1 PMSM电机本体模块转速掌握模块是由比例积分掌握器依据比例积分掌握道理树立 的，如图3-3所示的比例积分