永磁同步电机的原理和结构

第一章永磁同步电机的道理及构造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

下而引起的,所以在这个进程中转速是振荡着上升的.在起动进程

中,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

将其散布构造改成正弦散布后可以或许带来许多的优势,

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

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毋庸

置疑的

,

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,

间的转速关系时

速也为 n r/min,所以定子的电流响应的频率是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

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

（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

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,转矩和功率是成

（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,

帮助电路构成的.当开关,S2.S3断开时,负载电压;

当S1.S4断开,S2.S3闭应时,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,,相位也

雷同.当负载是阻感时,

形也不合,图2-2.设

S1.S4,同时合上S2.S3,则.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

载电流要逐渐减小,到,之后

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为广泛.如图2-3所示的三相电

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.下面

的图表显示了一个0度的α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

,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.

Ω,直轴感抗为0.027H,交轴感抗为0.067H,漏磁通λf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,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：

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

而

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PI 掌握模块.在本体模块中取的比例积分为0.5,积分增益为0.01,定子电流输出的限幅为[-5,5].

图

3-2 PI 掌握模块

,

,而直

0,则

由此可以看出转矩与电机交轴电流之间消失必定的线性关系.在仿真进程中是由程序实现的,转矩掌握模块也是依据以上的道理树立的. 在仿真中,重要有4个坐标变换的模块：两相扭转坐标系向两相静止坐标系变换（d —q 到

,两相静止的坐标系向三相坐标是

到abc ）,以及三相坐标系向两相静止坐标系变换（abc 到,

到 d —q ）,

.

响应的坐标变换公式如下所示：

两相扭转坐标系向静止坐标系变换：

（3.5）

两相静止坐标系向三相坐标系变换：

(3.6)

（3.8）

响应的反变换为：

（3.10）

(3.11)

（3.12）

依据坐标变更公式（—）可以树立如图3-3.图3-4.图3-5.图3-6的坐标变换模块.

图3—4 α－β到abc坐标变换

图3—5abc到α－β坐标变换

图3—6 α－β到d－q坐标变换

对于电流掌握方法而言,采取的是滞环掌握.起首肯定一个期望值,依据滞环的带将近在期望值的两侧来肯定一个规模,当实际输出电流达到滞环宽度以上的时刻,就会输出高值旌旗灯号,从而达到对输出电流调节的目标.

滞环掌握器的模块是依据滞环掌握道理搭建的,如图3-7所示.在图3-7中起首将实际电流与期望电流进行比较后产生误差,再经由滞环掌握器后产生三相电压旌旗灯号.然后经由数据逻辑非运算器器件和类型变换装配产生IGBT桥路6个IGBT管的门极脉冲旌旗灯号.因统一相上的桥臂的管子触发脉冲是相反的,所以只要在本来的三相脉冲旌旗灯号上加上逻辑非即可构成响应的6路脉冲触发旌旗灯号,掌握各个IGBT管的导通以及封闭.

在本次仿真中,滞环的宽度设为0.1当期望电流与实际电流的误差不小于滞环带的宽度时,滞环掌握器即开通,输出值为1,当误差小于滞环宽度的负值时,滞环掌握器即关断,输出为0.

图3—7 滞环掌握器构造

电压源逆变器如图3-8所示,依据3.1.5小结末节中我们研讨的电流掌握器,它可以或许产生出IGBT的门极旌旗灯号,并且经由过程这个旌旗灯号来掌握每个IGBT管的导通以及关断.由直流电源产生的三相电流与三相实际电流值同时感化在负载上,依据误差的大小来产生输入到PMSM的三相电压Vabc,经由过程这个产生出来的三相电压来调节PMSM的实际转速也能同时调节交直轴的电流,最终达到实际值与期望值相等的目标.这个逆变桥的IGBT管是选用的IRGIB10B60KD1.为了得到相对更好的电流波形,要在IGBT桥路三相电流输出端加上一个

滤波器,右边的负载电阻全取为直流电压为20V,左下角自力的部分是IGBT桥路中流经IGBT管的电流以及电压的测量装配,可经由过程它得到流经每个IGBT管的电压和电流,要想得到IGBT管上的损耗

功率只需将统一个IGBT管的电压电流和电压相乘即可,要想得到在一段时光内单个IGBT管上的消费功率的总和,可以在功率输出端放上一个积分器输出值即可得到.

图3—8 电压逆变器构造

3.2 仿真成果

图3-9 整体仿真框图

直轴感抗为0.027H,交轴感抗0.067H.粘滞摩擦系数B为0.

本次仿真就是为了验证所设计的PMSM双闭环掌握体系的仿真模子的静.动态机能是否得到改良,是否达到预想的成果以及体系空载启动的机能是否优胜它的优胜性可否表现出来,体系先是在空载情形下启动,在t=0.4s时突加负载2Nm,可以得到体系转速.转矩.直轴交轴电流以及A相电流的仿真曲线.

给定参考转速为200rad/s,滞环宽度取为0.1.

图3-10 永磁同步电机双闭环掌握转速

图3.11 永磁同步电机双闭环掌握转矩

图3.12

图3.13

图 3.14 永磁同步电机双闭环i电流曲线

经由过程上面的仿真图可以很显著的看出：在给定的参考转速不变的情形下,体系从吸收到旌旗灯号到可以或许响应须要的时光很短并且高低的摇动不是很大总体来看照样很安稳的,在起动阶段体系是保持转速恒定的,并且在空载稳固速度下运行时,不斟酌体系的摩擦转矩,是以此时的电磁转矩的平均值为零,交轴和直轴电流以及相电流的平均值也接近为零.在忽然加上负载后,转速产生了忽然的降低,但是又能比较快的恢复到稳固的状况,稳态运行时转速没有静差,但忽然加上负载后,电磁转矩就会略有增大,这是因为开关的频仍切换所造成的.

稳态时,电磁转矩等于负载转矩,直轴电流的平均值为零,交轴电流均值增大,相电流为正弦波形,这很相符永磁同步电机的特征.仿真成果标明电机的动静态机能比较好,得到仿真之前预期的目标,解释建模仿真的办法是比较幻想的,是精确的.

第四章永磁同步电机开环和双闭环仿真比较经由过程第二章的研讨和剖析,可以看出永磁同步电机在开环的运行情势下,得到的转矩.电流.转速的波形跟我们想要的后果有很大的差距,个中会消失从起动开端,达到稳固的时光比较长,并且到达稳准时的后果也比较差,波形很显著.这主如果因为开环运行的前提下体系广泛消失的问题较多

（1）在开环体系中,各类参数间互相之间影响并且互相制约着,所以很难再对换节器的参数进行更好的调剂,因而体系的动态机能的缺点很显著,在这种情形下不是很幻想.

（2）任何扰动在转速消失误差后也无法调剂,因而转速动态降低较大.

相对开环来讲在第三章研讨的永磁同步电机的双闭环掌握体系就对电机调节的优势就很显著,如仿真成果标明：对永磁同步电机双闭环掌握体系的仿真成果进行波形剖析,可以很清晰的看到其的合理性,并且体系可以或许在异常安稳的状况下运行,跟开环掌握体系比拟较而言它具有较好的静.动态特征,可以或许达到我们所期望的目标.所以我们可以得出以下结论,采取该PMSM双闭环掌握体系模子仿真,可以异常便捷地不雅察出它和开环情形下永磁同步电机比拟较的优胜性,实现同时也能很精确的验证其算法是否合理,只须要对个中一部分的功效模块进行调换或者是合理的恰当的修正,就可以或许实现对掌握计谋的改换或改良,不但可以间断对计划的设计周期进行掌握,并且还能快速验证所设计的掌握算法是否精确是否合理,更优胜的地方是可以或许充分地运用盘算机仿真的优胜性.经由过程修正体系的参数变量某工资的参加不合扰动身分来考核在各类不合的实验前提下电机体系的动.静态机能,或者是模仿雷同的实验前提,经由过程各类参数或者不合的波形来比较不合的掌握计谋的优势和劣势,为剖析和设计不合的永磁同步电机掌握体系供给了更为有用的手腕和对象,也给为了

实际电机掌握体系的设计以及调试供给了新的思绪.

在双闭环体系中运用到了直接转矩掌握道理.直接转矩掌握是近几年来继矢量掌握技巧之后成长起来的一种具有高机能的一种新型的交换变频调速技巧.1985年由德国鲁尔大学Depenbrock传授第一次提出了基于六边形磁链的直接转矩掌握理论[1],1986年日本学者Takahashi 提出了基于圆形磁链的直接转矩掌握理论[2],紧接着1987年在弱磁调速规模为涉及到了它.不合于矢量掌握技巧,直接转矩掌握本身的特色是很凸起的.在矢量掌握中碰到的盘算庞杂.特征易受电念头的参数变更所影响.实际机能很难达到理论剖析成果等问题在直接转矩掌握中得到了很大程度的改良.直接转矩掌握技巧一诞生,它就以本身新鲜的掌握思绪,简练清晰明了的体系构造,优胜的静.动态机能而受到了人们广泛的留意,因而得到敏捷的成长.今朝该技巧已成功的运用到了电力机车的牵引以及晋升机等大功率交换传动上.ABB公司已将直接转矩掌握的变频器投放到了市场上.

直接转矩掌握的思惟是想要直接掌握电机的电磁转矩要来掌握定子的磁链的办法,不像矢量掌握那样,要经由过程电流来掌握它的电磁转矩,而是在定子坐标系下不雅测电机的定子磁链和电磁转矩,并将磁链.转矩的不雅测值拿来与参考值经两个滞环比较强后得到的磁链.转矩掌握旌旗灯号,分解斟酌定子磁链的地位,要有开关选择恰当的电压空间矢量,掌握定子磁链的走向,从而来掌握转矩[13].和矢量掌握比拟较,它的长处在于它抛开了矢量掌握中的庞杂的思惟,直接对电机的磁链和转矩进行掌握,并用定子的磁链偏素来代替转子磁链的偏向,从而避开了电机中不轻易肯定的参数[3].

经由过程本次的毕业设计,使我把从教材里学到的器械以及教材以外的常识接洽在了一路,在本次的毕业设计中我从最根本的对永磁同步电机的根本构造.工作道理等开端研讨,经由过程查阅大量的书本材料,使我获得了在本课题之外的许多常识,在此时代固然碰到了许多的问题,但是对于我来说这是一种动力,可以或许促使我更多的进修相干的常识,使我对永磁同步电机才干有更深刻的懂得,在做毕业设计的进程中才干得心应手.做毕业设计的进程中以永磁同步电机的开环仿真作为基本,最终搭建出对永磁同步电机的双闭环掌握,使其施展出其最好

的机能,并与其开环时的电机机能进行比较,不雅察出双闭环掌握体系对电机有用掌握,达到我们预期和想要的目标.

现代的社会中,电力电子技巧.微电子技巧.以及电机掌握理论等都敏捷的成长起来,恰是因为以上的成长,才使得永磁同步电机可以或许更好的被深刻研讨,以及最终达到广泛的运用.

固然本次毕业设计对永磁同步电机的机能做出了一些改良,得到了一些有意义的成果,但是因为本身的才能有限,还须要进一步的进修和研讨.比方关于永磁同步电机的一系列难题,以及它的局限性,都是须要得到更多的学者来进行研讨,最后愿望永磁同步电机有个更好的明天.