高效永磁同步电机的工程设计研究
高效永磁同步电机的工程设计研究
作者：王步来
作者单位：上海海事大学电气自动化系,200135
相似文献(10条)
1.学位论文刘哲民横向磁通永磁同步电机研究2006
提高电机的转矩密度，可以缩小电机的体积和重量，不仅节约原材料，而且可以使电机应用于许多对体积重量要求比较高的场合，同时横向磁通电机容易制成多极电机，适合低速大转矩直接驱动系统，是目前车、船电力驱动的发展方向。横向磁通电机由于可以获得较高的转矩密度现在正成为电机界研究的热点。作为国家高技术研究发展计划的一部分，本文对横向磁通永磁电机的一些共性关键技术问题进行了深入的研究，提出了横向磁通永磁电机的分析及电磁计算方法，并通过对横向磁通电机的结构和制造工艺的分析，提出了新型的工艺过程简便的结构。本文的工作主要包括以下几部分内容：
首先对本文研究的横向磁通电机的三维电磁场分析模型进行了简化，提出了对不符合周期条件的求解区域在工程设计允许的误差范围内进行简化处理的方法，同时对商业有限元软件进行了二次开发，编制了周期条件处理程序，减少了三维电磁场计算时间，使之更适合工程应用。
在此基础上，采用三维电磁场计算方法对横向磁通永磁电机内部磁通分布进行了研究，计算了各部分的磁通分布和漏磁通的走向，得到了电机的空载漏磁系数及空载反电动势以及主要的漏磁通分量。给出了在电磁场计算结果后处理基础上的横向磁通永磁电机的设计计算方法。在计算结果的指导下，本文提出了通过在转子端面附加轴向充磁永磁薄片以降低漏磁通从而提高横向磁通电机功率因数的方法，并设计出了新型的转子结构。
横向磁通电机结构复杂，但设计灵活，电机各参数之间相互制约，电机结构尺寸的选择对电机的转矩密度、漏磁系数影响很大，本文研究了横向磁通电机的结构参数对电机性能的影响趋势，给出了横向磁通电机设计的规律以及获得高的功率因数及转矩密度的途径和电机主要设计参数对电机性能的影响规律，为设计横向磁通电机提供了依据。
工艺性差是目前公认的一个主要问题。通过对各种电机的结构特点及其加工工艺的分析研究，提出了新型的横向磁通永磁电机结构，定子铁心采用硅钢片卷绕结构，转子采用内置式永磁体结构，给出了新的加工工艺方法。转子加工工艺过程与传统永磁电机相似，而卷绕定子铁心的加工工艺过程中，不需要冲剪，绕组机械化直接绕在定子铁心上，定子加工工艺性优于传统结构电机。同时没有冲剪下脚料产生，提高了定子硅钢片材料利用率。
本文中对样机的性能进行了测试，对比了测试结果与电磁计算结果，验证了电磁计算方法的准确性可以满足工程设计的需要。
最后文中通过与传统结构永磁电机的对比，说明本文研制的横向磁通永磁电机样机的性能、工艺性、经济指标达到了设计要求。
应用本文成果研制的单边横向磁通永磁同步电动机经省级质量监督部门的测试，性能达到了项目要求，本文的研究成果通过省级专家鉴定。
2.会议论文陈荣交流永磁同步电机伺服系统的仿真研究2009
探讨了永磁同步伺服系统仿真模型的建立，并在Simulink仿真环境中对伺服系统三闭环进行仿真。分析了伺服系统电流环、速度环、位置环工程设计结果与实际分析结果之间的差别，研究了三闭环的影响因素，以及这些因数变化时为实现优异响应性能各调节器参数调整方法、电流微分负反馈、速度微分负反馈控制策略的引入等。通过调节器参数的调整、微分反馈的引入，伺服系统能够具有优异的响应性能。
3.学位论文齐丹丹基于参数自整定的永磁同步电机调速控制系统研究2008
随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的发展，同步电机交流调速系统得到广泛的应用。作为同步电机的一种，永磁同步电机在交流伺服系统中占有重要的位置，而PI控制由于其结构简单、实现容易成为永磁同步电机交流调速系统中应用最广的一种控制算法。但在实际应用中PI控制参数大多是依赖工程师所积累的现场调节经验来实现整定的，往往很难达到令人满意的控制效果。因此，进行参数自整定研究不但具有理论价值更具有很大的实践意义。
本文针对永磁同步电机交流调速系统的速度环控制，研究了基于继电反馈的参数自整定方法，并进行了仿真和实验研究。
论文首先介绍了交流伺服系统研究的背景和意义，以及参数自整定方法的研究现状。然后分析了永磁同步电机的工作原理和数学模型，简要描述了基于矢量控制的永磁同步电机交流调速系统的实现方案，包括系统框架、软硬件结构、DSP芯片TMS320F240等，并对搭建的交流调速系统实验平台进行了简介。接下来介绍了继电整定方法及其在永磁同步电机交流调速系统中的应用，结合仿真和实验结果，指出了常规继电整定法用在水磁同步电机交流调速系统中存在的问题。在此基础上，深入研究了水磁同步电机交流调速系统的继电整定改进方案——带大滞环的继电整定和添加延时环节的继电整定
，先介绍它们的某本原理和实现方案，然后进行相应的仿真和实验研究，并对不同设计方法的控制效果进行了实验结果的比较。仿真和实验结果均表明，改进的继电整定法能有效地解决常规继电整定中系统振荡频率过高，振动过于剧烈的问题，并能获得较好的控制性能。实验结果的对比表明，根据添加延时环节的继电整定和基于模型辨识的工程设计法得到的控制效果更好，也表明继电整定法具有较好的实用价值。最后进行了基于继电整定的水磁同步电机交流凋速系统模糊PI控制研究，先介绍了模糊控制算法的原理和基于继电整定的模糊PI控制器的设计，然后对基于继电整定的永磁同步电机交流调速系统模糊PI控制进行了仿真分析，仿真结果表明，该控制方法对系统在不同的工作状况具有良好的适应性，控制效果优于控制参数由单个工作状态整定得到的常规PI控制算法。
4.学位论文曹永娟高性能永磁同步电机性能分析与设计2005
永磁同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻和高效节能等一系列优点，近年来得到了迅速发展。高性能稀士永磁材料的出现，其优越的磁性能和相对较低的价格，使得高性能永磁同步电机的开发和研究成为世界各国的热点。
该文在介绍永磁同步电动机结构特点和电磁场有限元数值计算方法基础上，借助近些年来发展迅速的电磁场数值计算工具——有限元软件ANSYS，对永磁同步电动机内部电磁场进行分析计算，获得永磁同步电动机空载及负载运行时的交、直轴电枢反应磁场，由此得到磁路法中不易准确计算的一些主要系数和参数，从而实现场路结合法分析电机的性能。
该文对永磁同步电机进行设计分析，使用C++程序设计语言，VisualC++集成开发环境，结合有限元计算软件ANSYS，开发高性能永磁同步电动机计算机辅助设计软件，利用该软件对样机进行设计分析，得到永磁同步电机的工作特性，由此分析计算了结构参数对功率因数、效率和失步转矩等的影响。 该文通过参数化设计语言APDL，建立了有限元计算软件ANSYS和C++设计程序之间的接口。使用VC++6.0对ANSYS分析永磁同步电机内部电磁场进行二次开发，用户只需在设计分析软件界面中输入参数，系统即能自动调用ANSYS在后台进行计算，得到所需要的数据和图形，并将数据传递给电机分析程序中的磁路计算模块，所得结果图形供设计人员参考。该软件系统具有前台开发友好、方便、易用的人机交互界面，对复杂的、难于理解和掌握的ANSYS命令流进行后台封装，因此，可让即使从未学习过ANSYS软件的工程设计人员也能很好地借助本系统进行永磁同步电机电磁场有限元分析。
5.期刊论文曹永娟.CAO Yong-juan基于ANSYS的永磁同步电机设计分析软件-电机与控制应用2006,33(2)
开发了永磁同步电机性能分析与设计软件.该软件通过参数化设计语言APDL,建立了有限元计算软件ANSYS和C++设计程序之间的接口.使用VC++6.0对ANSYS分析永磁同步电机内部电磁场进行二次开发,用户只需在设计分析软件界面中输入参数,系统即能自动调用ANSYS在后台进行计算,得到所需要的数据和图形.该软件系统具有友好、方便、易用的人机交互界面,对复杂的、难于理解和掌握的ANSYS命令流进行后台封装,因此,可让即使从未学习过ANSYS软件的工程设计人员也能很好地借助本系统进行永磁同步电机电磁场有限元分析.
6.学位论文陈荣永磁同步电机伺服系统研究2004
随着电力电子技术、微型计算机技术、稀土永磁材料和控制理论的飞速发展，永磁同步电机在中低容量的运动控制系统中得到了广泛的应用，尤其是在伺服传动领域，永磁同步电机正在逐步取代直流电机、步进电机而成为伺服驱动的发展方向。然而，由于永磁同步伺服系统受电机参数变化、外部负载扰动等因素的影响，要获得高性能、宽调速范围永磁同步伺服系统，必须研究先进的控制策略与控制手段，使系统具有较强的适应性和较强的抗干扰能力。本论文的主要工作就是围绕高性能、宽调速范围永磁同步电机伺服系统的研究而展开，文章的主要内容如下：
对永磁同步电机的矢量控制技术和直接转矩控制技术进行了系统的分析研究，通过对两种控制策略的原理及其使用时的控制性能进行比较分析，指出矢量控制技术可以实现电机交直轴之间的解耦，具有转矩控制的线性特性，能够获得比较平稳的输出转矩，达到比较宽的调速范围。结合伺服传动控
制系统的要求，确定永磁同步电机伺服系统的控制方案为矢量控制。
电机的转矩控制最终归结为交直轴电流的控制，本文详细讨论了永磁同步电机矢量控制的四种电流控制方法，通过对这四种电流控制方法的转矩控制特性、转矩输出能力、功率因数特性、电流控制特性等进行分析研究，结合本课题所采用的面装式永磁同步电机，选用id=0 的转子磁场定向矢量控制方法。
根据自动控制理论，详细分析了永磁同步电机伺服系统各组成部分的构成与数学模型，按照自动控制系统调节器的工程设计方法，完成了整个系统三个环节的设计，并对系统进行了仿真，研究了系统的稳定性。详细分析了系统动态性能和系统调节器参数之间的关系，以及负载变动、对象参数变动对系统各环节的影响，讨论了系统控制的应对措施。提出并实现了矢量控制时永磁同步电机的初始定位，保证了伺服系统矢量控制的实现。
详细研究了伺服系统电流环的影响因素，其中，电流环的零点漂移影响伺服系统的低速性能，需要对环路逐一仔细调整；电机的反电势影响伺服系统高速段的响应性能，通过增加电流调节器的比例积分系数、增大PWM 逆变器的调制比，可以明显改善高速时电流跟踪响应性能。由于调节器的比例积分系数增加会引起电流动态跟踪响应超调，提出给电流环引入电流微分负反馈，实验和仿真均证实其抑制电流响应超调的实际效果。
使用PI 调节器实现速度环调节时，为了获得比较快的速度响应，速度响应存在超调是必然的，而且，根据自动控制原理设计的速度调节器在实际运行中均需要做比较大的调整。因此，本文提出使用二次型指标最优（LQSF ）实现了永磁同步伺服系统速度调节器的设计，针对实际速度阶跃过程中调节器的饱和，提出采用Bang-Bang控制实现速度调节器饱和期间的速度控制。为保证系统具有良好速度响应性能，给出了调节器在作形式转换过程中阀值的设置方法。为简化调节器的设计，使用比例积分调节和速度微分负反馈实现速度环的全状态反馈控制。文章详细分析了速度微分负反馈抑制速度超调的机理。
在负载突变过程中，伺服系统不可避免地出现动态速降（升）和速度静差，为提高速度环的响应性能，提高速度环特性硬度，本文引入负载观测器的控制思想。将负载观测器的输出信号引入到电流环输入端，以补偿负载扰动对速度环的影响，从而提高伺服系统对负载扰动的鲁棒性。
分析了伺服系统位置环的影响因素，其中负载转动惯量是影响伺服系统位置跟踪响应速度及产生位置响应超调的主要因素，通过在线检测电机轴联转动惯量借以进行自动修改调节器参数，可以保证伺服系统良好的位置跟踪响应。
由于伺服系统频繁地处于启动、制动过程中，文章全面分析了影响伺服系统启动、制动的各种因素，研究了提高其启动、制动响应性能的各种措施，研究了伺服系统因启制动而引起直流供电电压变化对系统的影响。
为获得永磁同步电机的参数，本文提出了一种基于转子磁场定向的永磁同步电机参数检测方法，该方法很好地解决了永磁磁场存在对电机参数测试过程的影响，能够测量电机有关参数，其检测精度满足理论分析与实际工程需要。
7.学位论文张彦召永磁同步电机交流伺服系统研究2008
随着现代电力电子技术、微处理器技术、控制理论及永磁材料等支撑技术的快速发展，以永磁同步电机作为控制对象的永磁交流伺服系统得到了越来越广泛的关注，尤其随着数字信号处理器(DSP)的广泛应用，使得各种先进的控制算法得以实现，于是数字化、智能化的永磁交流伺服系统成为必然的发展趋势和当前的研究热点。本文的主要工作就是围绕数字化的永磁同步电机交流伺服系统矢量控制研究来展开，主要内容如下：
深入研究了永磁同步电机的结构特点，根据坐标系的变换关系，建立了永磁同步电机的数学模型；然后研究了永磁同步电机交流伺服系统矢量控制理论，确定了 的矢量控制方案。
给出了电流调节器和速度调节器的工程设计方法，建立了基于矢量解耦控制和电压空间矢量脉宽调制技术的永磁同步电机MATLAB仿真模型，并对 矢量控制策略进行仿真验证。
然后基于矢量控制典型的电流、速度和位置三闭环结构，设计、制作并调试成功了基于Freescale公司应用于电机控制领域的DSP芯片MC56F8346和智能功率模块(IPM)的永磁同步电机数字伺服系统硬件平台。
最后采用C语言实现了永磁同步电机交流伺服系统矢量控制软件设计，给出了软件设计流程，并在设计的数字伺服系统硬件平台上完成实验调试，由此得到的实验结果有力的证明了系统设计的可行性和正确性。
8.期刊论文惠晶.顾鑫.杨元侃.HUI Jing.GU Xin.YANG Yuan-kan兆瓦级风力发电机组电动变桨距系统-电机与控
制应用2007,34(11)
介绍了兆瓦级风力发电机组电动变桨距系统的工作原理,选择永磁同步电机作为电动变桨距系统的执行电机.在分析伺服变桨距系统控制原理的基础上,设计了以伺服驱动器为核心的电动变桨距伺服控制系统.试验结果验证了理论分析和系统设计的正确性,为工程设计和实际应用提供了参考依据.
9.学位论文邢作常车床数控交流伺服系统软件研究2006
伺服系统是数控车床的一个重要组成部分，其性能对零件加工精度与加工效率有着重要的影响。目前我国高性能数控机床所采用的电机伺服系统主要依靠进口，这种现状限制了数控机床行业的发展。随着电力电子技术、计算机技术、稀土永磁材料和控制理论的飞速发展，永磁同步电机以其优良的性能被广泛的应用在中低容量的交流伺服系统中，成为伺服驱动的发展方向。
本文设计了车床用永磁同步电动机交流伺服驱动系统。该系统应用转子磁场定向矢量控制理论实现了永磁同步电动机控制参数的解耦和转矩的线性化控制；采用电压空间矢量脉宽调制技术，提高了直流母线电压利用率，使整个系统具有控制简单、性能良好的优点。
本文采用电机控制专用芯片TMS320LF2407型数字信号处理器(DSP)作为控制核心。数字信号处理器运行速度快，能够完成复杂的控制算法，适合于建立高性能的伺服系统。该芯片具有丰富的片上外设资源，可以大大简化硬件电路设计，方便软件编程。
本文在数字电机控制专用DSP芯片TMS320LF2407的基础上，以永磁同步电机为研究对象，应用矢量控制理论和电压空间矢量脉宽调制技术，组建了永磁同步电动机转子磁场定向矢量控制交流伺服系统；本文采用陈伯时的工程设计法，设计了PI速度调节器和PI电流调节器，改善了系统的动态性能和静态性能。
本文采用智能功率模块(IPM)作为主要功率器件，简化了电路，增强了系统的可靠性。设计了主电路、系统保护电路、控制回路和采样回路。主电路部分包括整流、滤波、逆变电路等；系统保护电路包括过压、欠压保护、限流启动、IPM故障保护、过流保护等；控制回路包括DSP最小系统电路、与PC机通讯接口电路、仿真接口电路、PWM信号发生电路；采样电路包括电流采样、电压采样、转速采样。
本文软件设计采用汇编语言。在研究SVPWM控制原理及其实现方法的基础上，编制了基于SVPWM的闭环控制程序，提高了直流电压利用率。采用硬件法生成SVPWM技术，充分利用了DSP芯片的硬件资源，简化了软件设计工作。
最后在MATLAB/SIMULINK环境下对系统进行了动态仿真，并给出了仿真结果。仿真结果表明，应用高速DSP芯片，采用矢量控制的永磁同步电机伺服系统不仅具有良好的动态响应性能和静态性能，而且具有结构紧凑，设计合理，控制灵活等优点，提高了数控车床交流伺服系统的性能。
10.学位论文文思国基于旋转变压器反馈的全数字交流永磁同步伺服系统设计2006
本文深入、全面地研究了基于旋转变压器反馈的全数字交流永磁同步伺服系统，主要内容如下：介绍了交流永磁同步伺服系统概念、特点以及国内外发展概况；分析建立了永磁同步电机数学模型，推导出了交流永磁同步伺服系统结构和原理，利用矢量变换，实现永磁同步电机数学模型的解耦和线性化；运用MATLAB/SIMULINK工具建立了交流永磁同步电机伺服系统仿真模型，分析了实际电机机电时间常数比电气时间常数小的情况下，反电动势对电流环的影响，证明了在此条件下电流环可以采用工程设计方法来设计；根据转子磁场定向控制策略，设计了交流永磁同步伺服系统电流环、速度环调节器；设计了全数字交流永磁同步伺服硬件系统，重点介绍了旋转变压器的原理和应用以及相应的软硬件抗干扰措施；最后给出了采取相应的软硬件抗干扰措施前后试验波形以及系统速度和转矩电流动态响应波形，通过比较仿真波形和试验波形得出结论：本文所建立的仿真模型对实际系统设计具有指导意义，本文所设计的基于旋转变压器的反馈通道和相应的抗干扰措施是正确的、可行的，电流环和速度环调节器设计以及整个伺服系统硬件设计合理正确。
本文链接：https://www.360docs.net/doc/dc1021171.html,/Conference_6163312.aspx
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下载时间：2010年12月22日