现代永磁同步电动机的磁路结构和参数设计
新型永磁电机的设计、分析与应用研究
新型永磁电机的设计、分析与应用研究一、概述随着全球能源危机和环境保护压力的不断增大，高效、节能、环保的电机技术成为了当前研究的热点。
永磁电机作为一种新型的电机技术，具有高效率、高功率密度、低噪音、低维护等优点，被广泛应用于电动汽车、风力发电、工业自动化等领域。
对新型永磁电机的研究具有重要意义。
新型永磁电机的研究涉及到电机设计、分析、优化以及应用等多个方面。
在电机设计方面，需要考虑电机的结构、绕组、永磁体等因素，以实现电机的最佳性能。
在电机分析方面，需要建立电机的数学模型，对电机的性能进行预测和评估。
在电机优化方面，需要采用先进的优化算法，对电机的结构参数进行优化，以提高电机的效率和可靠性。
在应用方面，需要研究永磁电机在不同领域的应用特点和技术难点，以推动永磁电机的广泛应用。
本文旨在对新型永磁电机的设计、分析与应用进行深入的研究和探讨。
介绍了永磁电机的基本原理和分类，为后续研究打下基础。
详细阐述了永磁电机的设计方法，包括电机的结构设计、绕组设计、永磁体设计等。
建立了永磁电机的数学模型，对电机的性能进行了预测和评估。
接着，采用先进的优化算法，对电机的结构参数进行了优化，以提高电机的效率和可靠性。
结合实际应用案例，分析了永磁电机在不同领域的应用特点和技术难点，为永磁电机的应用提供了有益的参考。
通过本文的研究，可以为新型永磁电机的设计、分析与应用提供理论支持和技术指导，推动永磁电机技术的进一步发展和应用。
1. 永磁电机的发展历程与现状永磁电机，作为一种重要的电机类型，其发展历程与现状反映了电机技术的持续进步与革新。
早在20世纪初，永磁电机就已经开始被研究和应用，但受限于当时永磁材料的性能，其应用范围和效率相对较低。
随着稀土永磁材料的出现和发展，尤其是钕铁硼等高性能永磁材料的出现，永磁电机的性能得到了显著提升，应用领域也大幅扩展。
近年来，随着全球对节能减排和环保要求的不断提高，永磁电机以其高效率、高功率密度、低维护成本等优点，在新能源汽车、风力发电、电动工具、家用电器等领域得到了广泛应用。
永磁同步电动机设计及结构的设计(论文)【范本模板】
毕业设计论文题目永磁同步电动机的设计及结构的研究（院）系电气与信息工程系专业电气工程及其自动化班级0 学号0 号学生姓名高富帅导师姓名完成日期2005年6月8日目录摘要 (1)Abstract (2)第1章绪论 (3)1.1永磁性材料简述 (3)1。
1。
1 稀土永磁材料 (3)1.1。
2 其它永磁材料 (4)1.1.2。
1 铝镍钴永磁 (5)1.1。
2.2 铁氧体永磁材料 (6)1。
1。
2。
3 粘结永磁材料 (6)1。
2永磁同步电机的发展概况 (6)1。
2.1永磁同步电机在国内的发展概况 (7)1。
2.2永磁同步电机在同外的发展概况 (7)1。
3永磁同步电动机的分类 (8)1.3.1永磁同步电动机简介 (8)1。
3.2永磁同步电动机的分类 (8)1.4永磁同步电动机的主要特点和应用 (9)第2章永磁材料的性能和选用 (11)2.1 永磁材料磁性能的主要参数 (11)2。
1.1退磁曲线 (11)2.1.2 回复曲线 (12)2.1。
3 内禀退磁曲线 (13)2。
1。
4 稳定性 (14)2.2 永磁材料的选择和应用注意事项 (15)2。
2.1永磁材料的选择 (15)2.2.2 永磁材料的应用注意事项 (16)第3章永磁同步电动机的结构和基本理论 (16)3.1永磁同步电动机的结构 (18)3.1。
1永磁同步电动机的总体结构 (18)3。
1。
2永磁同步电动机的转子磁路结构 (19)3。
1。
2.1表面式转子磁路结构 (20)3.1.2.2内置式转子磁路结构 (21)3.1.2。
3爪极式转子磁路结构 (23)3.1.3隔磁措施 (23)3.2 永磁同步电动机的基本理论 (23)3.2。
1 稳态运行和相量图 (23)3。
2。
2永磁同步电动机的稳态性能分析和计算 (25)3。
2。
2。
1电磁转矩和矩角特性 (25)3。
2.3 工作特性曲线 (27)3.3永磁同步电动机的磁路分析与计算 (27)3。
3.1磁路计算特点 (27)3。
永磁同步电机毕业设计永磁同步电动机的电磁设计与分析
永磁同步电动机的电磁设计与分析摘要永磁同步电动机（PMSM）是一种新型电机，永磁同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等优点，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。
和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而具有效率高，功率因数高，转矩惯量大，定子电流和定子电阻损耗小等特点。
本文主要介绍永磁同步电动机（PMSM）的发展背景和前景、工作原理、发展趋势，以异步起动永磁同步电动机为例，详细介绍了永磁同步电动机的电磁设计，主要包括额定数据和技术要求，主要尺寸，永磁体计算，定转子冲片设计，绕组计算，磁路计算，参数计算，工作特性计算，起动性能计算，还列举了相应的算例。
还通过Ansoft软件的Rmxprt模块对永磁同步电动机了性能分析，得出了效率、功率、转矩的特性曲线，并且分别改变了电机的三个参数，得出这些参数对电机性能的影响。
又通过Ansoft软件Maxwell 2D的瞬态模块对电机进行了仿真，对电机进行了磁场分布计算，求出了电流、转矩曲线和电机的磁力线、磁通密度分布图。
关键词永磁同步电动机；电磁设计；性能分析The design of Permanent-MagnetSynchronous MotorAbstractPMSM (Permanent-Magnet Synchronous Motor) is a new type of motor, which has the advantages of simple structure, small volume, light weight, low loss, high efficiency. Compared with the DC motor, it has no DC motor commutator and brush. Compared with the asynchronous motor, because it does not require no power excitation current, It has the advantages of high efficiency, high power factor, large moment of inertia, stator current and small stator resistance loss .The paper mainly introduces the PMSM's development background and foreground, working principle, development trend, taking asynchronous start permanent magnet synchronous motor as an example, it introduces in detail the electromagnetic design of PMSM, that mainly includes the rated data and technical requirements, main dimensions, permanent magnet calculation, rotor and stator punching, winding calculation, magnet circuit calculation, parameters calculation, performance calculation, calculation of starting performance , and also lists the revevant examples. We aslo can analyse the performance of PMSM through the Rmxprt module of Ansoft software and conclude that the characteristic curve of efficiency, power, torque. By changing two parameters of the motor, I get the optimal scheme of the motor. Through transient module of Ansoft software Maxwell 2D to simulate the motor parameters, the magnetic field distribution of the motor is calculated, I can be obtained the curves of the current and the torque, the distribution of magnetic line of force and the distribution of magnetic flux density.Keywords PMSM; Motor design; Performance analysis目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (4)1.1 课题背景 (4)1.2 永磁电机发展趋势 (5)1.3 本文研究主要内容 (6)第2章永磁同步电动机的原理 (7)永磁材料 (7)2.1.1 永磁材料的概念和性能 (7)2.1.2 钕铁硼永磁材料 (8)永磁同步电动机的基本电磁关系 (9)2.2.1 转速和气隙磁场有关系数 (9)2.2.2 感应电动势和向量图 (10)2.2.3 交直轴电抗及电磁转矩 (12)小结 (13)第3章永磁同步电动机的电磁设计 (14)3.1 永磁同步电机本体设计 (14)3.1.1 永磁同步电动机的额定数据和主要性能指标 (14)3.1.2 定子冲片和气隙长度的确定以及定子绕组的设计 (15)3.1.3 转子铁心的设计 (16)永磁同步电动机本体设计示例 (18)3.2.1 额定数据及主要尺寸........................................ 错误!未定义书签。
新型永磁电机转子磁路结构设计与分析
新型永磁电机转子磁路结构设计与分析方案计算中采用了二维平面电磁场时步有限元结合场路耦合的方法，采用该计算方法的优点是能够考虑机械运动、导体区域感应涡流产生的集肤效应以及绕组邻近效应的影响，通过合理的简化模型，可以获得较高的计算精度和合理的计算时间[7]。
永磁同步电机电磁场时变问题中的Maxwell方程组表达式为：（2）当考虑到电机铁芯的饱和因素，则非线性时变运动电磁场问题的偏微分方程表达式[8]为：（3）式中：A—矢量磁位；Js—外部强加的源电流密度；v—媒质的磁阻率；V—媒质相对坐标系的运动速度；—媒质的电导率。
3 电磁场仿真计算与分析根据上述分析，针对以上转子磁路结构类型，本文建立了3种磁路结构的模型，分别是表贴式、内置式和本文提出的新磁路结构。
该永磁同步电动机的定子槽数（36槽）及结构尺寸相同。
转子采用不同的磁路结构，即表贴式转子磁路结构、内置式转子磁路结构和本文提出的新型磁路结构。
转子极数为8极。
图3、图4和图5分别为表贴式转子磁路结构、内置式转子磁路结构（转子磁路為一字型结构）、以及本文提出的新型转子磁路结构。
建立有限元仿真模型后，将分别计算3种磁路结构的空载反电动势波形，电机运行转速为1 000rpm，磁钢温度20℃。
图6、图7和图8分别是表贴式转子磁路结构的空载反电动势波形、内置式转子磁路结构的空载反电动势波形和本文提出的新型转子结构的空载反电动势波形。
通过对比图6、图7和图8的有限元仿真计算结果可知，当采用本文提出的新型转子磁路结构时，电机空载反电动势波形具有更高的正弦度，谐波含量最低，其谐波畸变率约为0.3%，远小于表贴式结构的2.6%和内置式转子结构的1.1%。
在空载工况下，对3种磁路结构电机的交直轴电感进行有限元仿真分析，得到电机交、直軸电感随时间的变化波形。
计算结果如图9、图10、图11所示。
图9为表贴式转子结构的交直轴电感仿真结果。
由于表贴式电机的交直轴磁导近似相等，因此仿真曲线中交直轴电感相近，即电机的凸极率近似为1。
永磁电机磁路结构和设计计算
1.1 磁路结构和设计计算永磁发电机与励磁发电机的最大区别在于它的励磁磁场是由永磁体产生的。
永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分。
永磁体的磁性能不仅与生产厂的制造工艺有关，还与永磁体的形状和尺寸、充磁机的容量和充磁方法有关，具体性能数据的离散性很大。
而且永磁体在电机中所能提供的磁通量和磁动势还随磁路其余部分的材料性能、尺寸和电机运行状态而变化。
此外，永磁发电机的磁路结构多种多样，漏磁路十分复杂而且漏磁通占的比例较大，铁磁材料部分又比较容易饱和，磁导是非线性的。
这些都增加了永磁发电机电磁计算的复杂性，使计算结果的准确度低于电励磁发电机。
因此，必须建立新的设计概念，重新分析和改进磁路结构和控制系统；必须应用现代设计方法，研究新的分析计算方法，以提高设计计算的准确度；必须研究采用先进的测试方法和制造工艺。
1.2 控制问题永磁发电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。
这些使永磁发电机的应用范围受到了限制。
但是，随着MOSFET、IGBTT等电力电子器件的控制技术的迅猛发展，永磁发电机在应用中无需磁场控制而只进行电机输出控制。
设计时需要钕铁硼材料，电力电子器件和微机控制三项新技术结合起来，使永磁发电机在崭新的工况下运行。
1.3 不可逆退磁问题如果设计和使用不当，永磁发电机在温度过高（钕铁硼永磁）或过低（铁氧体永磁）时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或在剧烈的机械振动时有可能产生不可逆退磁，或叫失磁，使电机性能降低，甚至无法使用。
因而，既要研究开发适合于电机制造厂使用的检查永磁材料热稳定性的方法和装置，又要分析各种不同结构形式的抗去磁能力，以便在设计和制造时采用相应措施保证永磁式发电机不会失磁。
1.4成本问题由于稀土永磁材料目前的价格还比较贵，稀土永磁发电机的成本一般比电励磁式发电机高，但这个成会在电机高性能和运行中得到较好的补偿。
在今后的设计中会根据具体使用的场合和要求，进行性能、价格的比较，并进行结构的创新和设计的优化，以降低制造成本。
永磁同步电机的原理及结构
第一章永磁同步电机的原理及布局之袁州冬雪创作永磁同步电机的原理如下在电动机的定子绕组中通入三相电流，在通入电流后就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场，由于在转子上装置了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁极的同性相吸异性相斥的原理，在定子中发生的旋转磁场会带动转子停止旋转，最终达到转子的旋转速度与定子中发生的旋转磁极的转速相等，所以可以把永磁同步电机的起动过程当作是由异步启动阶段和牵入同步阶段组成的.在异步启动的研究阶段中，电动机的转速是从零开端逐渐增大的，造成上诉的主要原因是其在异步转矩、永磁发电制动转矩、下而引起的，所以在这个过程中转速是振荡着上升的.在起动加速的，其他的转矩大部分以制动性质为主.在电动机的速度由零增加到接近定子的磁场旋转转速时，在永磁体脉振转矩的影响下永磁同步电机的转速有可以会超出同步转速，而出现转速的超调现象.但颠末一段时间的转速振荡后，最终在同步转矩的作用下而被牵入同步.永磁同步电机主要是由转子、端盖、及定子等各部件组成的.一般来讲，永磁同步电机的最大的特点是它的定子布局与普通的感应电机的布局非常非常的相似，主要是区别于转子的独特的布局与其它电机形成了不同.和常常使用的异步电机的最大分歧则是转子的独特的布局，在转子上放有高质量的永磁体磁极.由于在转子上安顿永磁体的位置有很多选择，所以永磁同步电机通常会被分为三大类：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性能是最受关注的，影响其性能的因素有很多，但是最主要的则是永磁同步电机的布局.就面贴式、拔出式和嵌入式而言，各种布局都各有其各自的优点.图1-1面贴式的永磁同步电机在工业上是应用最广泛的，其最主要的原因是其拥有很多其他形式电机无法比较的优点，例如其制造方便，转动惯性比较小以及布局很简单等.而且这种类型的永磁同步电机更加容易被设计师来停止对其的优化设计，其中最局改成正弦分布后可以带来很多的优势，例如改善电机的运行性能.拔出式布局的电机之所以可以跟面贴式的电机相比较有很大的改善是因为它充分的操纵了它设计出的磁链的布局有着分歧错误称性所生成的独特的磁阻转矩能大大的提高了电机的功率密度，而且在也能很方便的制造出来，所以永磁同步电机的这种布局被比较多的应用于在传动系统中，但是其缺点也是很突出的，例如制作成本和漏磁系数与面贴式的相比较都要大的多顿在转子的外部，相比较而言其布局虽然比较复杂，但却有几明的它跟面贴式的电机相比较就会发生很大的转矩；因为在转子永磁体的装置方式是选择嵌入式的，所以永磁体在被去磁后所带来的一系列的危险的可以性就会很小，因此电机可以在更高的旋转速度下运行但是其实不需要思索转子中永磁体是否会因为向心力过大而被破坏.为了体现永磁同步电机的优越性能，与传统异步电机来停止比较，永磁同步电机特别是最常常使用的稀土式的永磁同步电机具有布局简单，运行靠得住性很高；体积非常的小，质量特此外轻；损耗也相对较少，效率也比较高；电机的形状以及大小可以矫捷多样的变更等比较分明的优点.正是因为其拥有这么多的优势所以其应用范围非常的广泛，几乎广泛航空航天、国防、工农业的生产和日常生活等的各个范畴.永磁同步电动机与感应电动机相比，可以思索不输入无功励磁电流，因此可以非常分明的提高其功率因素，进而减少了定子上的电流以及定子上电阻的损耗，而且在稳定运行的时候没有转子电阻上的损耗，进而可以因总损耗的降低而减小风扇（小容量的电机甚至可以不必风扇）以及相应的风磨损耗，从而与同规格的感应电动机相比较其效率可以提高2-8个百分点.先对永磁同步电机的转速停止研究，在分析定子和转子的n r/min ，所以定子的电流相应的频率是因为定子旋转的磁动势的旋转速度是由定子上的电流发生的，所以应为(1.1) 可以看出转子的旋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性研究，可以操纵电动机的惯例来直接写出它的电动势平衡方程式（1.2）对于永磁同步电机的功率而言，同样根据发电机的惯例可以得到永磁同步电机的电磁功率为（1.3） 率是成正比的，所以可以得到以下公式（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停止仿真，在仿真之前先先容各个单元模块，以便于对模子停止更好的仿真.逆变器单元，逆变是和整流相对应的，它的主要功能是把直流电转变成交流电.逆变可以被分为两类，包含有源逆变以及无源逆变.其中有源逆变的定义为当交流侧毗连电网时，称之为有源逆变；当负载直接与交流侧相连时，称之为无源逆变. 以图2-1的单相桥式逆变电路的例子来讲明逆变器的工作原理.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.当开关S1、S4闭合，S2、S3S1、S4断开，S2、S3闭合时，2-2所示.图2-2逆变电路波形通过这个方法，便可以把直流电转变成交流电，只要改变两组开关相应的切换频率，便可以改变交流电的输出频率.这就是逆变器的工作原理.当负载是电阻时，负载电流相位也相同.当负载是阻感时，2-2的波形.设S1、S4，同时合上S2、S3，则立即变成负的.但是，正是因为负载中存在着电感，其中的电流极性仍将维持原来的方向而不克不及立即改变.这时负载电流会从直流电源负极而流出，颠末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信号，负载电流要逐渐减小，到大.S2、S3断开，S1、S4闭合时的情况近似.上面是S1-S4均为抱负开关时的分析，实际电路的工作过程要比这更复杂一些. 逆变电路根据直流侧电源性质的分歧可以被分为两种：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.它们也分别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组成的.在三相逆变电路中三相桥式逆变电路应用的最为广泛.如图2-3以很分明的看出它是由三个半桥逆变电路组成的.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便可以了，但是为了方便分析，画出了串联的两个电容器而且标出假想的中点单相半桥和全桥逆变电路是具有很多相似点的，三相电压型桥式逆变电路也是以180度的导电方式作为其基本的工作方式，同一半桥上下两个臂交替着导电，每相之间开端导电的角度以120度相错开.这样在任何时候，将会有三个桥臂同时导通.也可以是上面一个下面两个，也可以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同一相上的两个桥臂之间互换停止.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发生器模块可用于很多范畴.六路脉冲触发器的主要矢量.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.该输入可以毗连到一个恒定的模块或者它可以毗连到节制系统来节制发电机的脉冲AB、BC、CA为输入的ABC三相的线电压Freq频率的输入端口，这种输入应该毗连到包含在赫兹的基本频率，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下建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，转动惯量J2,粘滞磨擦系数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，达到给定值需要的时间比较长，换句话说就是电机的响应时间较长，而且在达到稳定值附近时的转速动摇也比较大，可以是因为永磁同步电机的外部布局很复杂，也可以是跟电机没有任何节制有关，希望在搭建了速度转矩双闭环节制后的转速的响应时间能缩短，达到给定值附近时的上下动摇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附近动摇，动摇范围还是比较大，发生动摇的主要原因还是电机复杂的外部布局，以及在没有任何节制的情况下才出现的，希望在搭建成速度转矩双闭环节制下可使其动摇的范围减小，无限的接近于零.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间内上升并振荡，但很快就接近与零值而且在零值附近动摇.第三章永磁同步电机双闭环仿真在MATLAB下的SIMULINK环境中，操纵其中的各种模块，建立了永磁同步电机双闭环节制系统仿真模子.该系统是由PI节制器构成的速度环和滞环电流节制器建立的电流环共同节制的双闭环节制系统.通过给定转速与实际转速的比较发生的误差，将发生的误差信号送入PI节制器，再由PI节制器送达转速节制模块.并通过坐标变换发生的参考电流，与PMSM输出的实际电流相比较，再通过桥路逆变器发生输入PMSM的三相电压，颠末坐标变换后直接输入到PMSM 本体节制其运行.最终达到在操纵双闭环节制系统的节制下可以实现实际转速与期望转速相一致的目标.根据模块化的思想，我们可以将系统的整体布局划分为以下几个主要部分：在整个仿真过程中，电机本体模块是其中最重要的模块之一.而P 为极对数） (3.2)‘则可以建立如下的电机本体模块，如图3-2所示：图3-1 PMSM 电机本体模块转速节制模块是由比例积分节制器根据比例积分节制原理建立的，如图3-3所示的比例积分PI 节制模块.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 节制模块0则(3.3)由此可以看出转矩与电机交轴电流之间存在一定的线性关系.在仿真过程中是由程序实现的，转矩节制模块也是根据以上的原理建立的.在仿真中，主要有4个坐标变换的模块：两相旋转坐标系向两相运动坐标系变换（d —q 到到abc ），以及三相坐标系向两相运动坐标系变换（abc 到到 d —q ）,换式相同.相应的坐标变换公式如下所示：两相旋转坐标系向运动坐标系变换：（3.5） 两相运动坐标系向三相坐标系变换：(3.6)(3.7)（3.8）相应的反变换为：(3.9)（3.10）(3.11)（3.12）根据坐标变更公式（—）可以建立如图3-3、图3-4、图3-5、图3-6的坐标变换模块.图3—4α－β到abc坐标变换图3—5abc到α－β坐标变换图3—6α－β到d－q坐标变换对于电流节制方式而言，采取的是滞环节制.首先确定一个期望值，根据滞环的带将近在期望值的两侧来确定一个范围，当实际输出电流达到滞环宽度以上的时候，就会输出高值信号，从而达到对输出电流调节的目标.滞环节制器的模块是根据滞环节制原理搭建的，如图3-7所示.在图3-7中首先将实际电流与期望电流停止比较后发生误差，再颠末滞环节制器后发生三相电压信号.然后颠末数据逻辑非运算器器件和类型变换装置发生IGBT桥路6个IGBT管的门极脉冲信号.因同一相上的桥臂的管子触发脉冲是相反的，所以只要在原来的三相脉冲信号上加上逻辑非即可构成相应的6路脉冲触发信号，节制各个IGBT管的导通以及关闭.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，滞环节制器即守旧，输出值为1，当误差小于滞环宽度的负值时，滞环节制器即关断，输出为0.图3—7 滞环节制器布局电压源逆变器如图3-8所示，根据3.1.5小结小节中我们研究的电流节制器，它可以发生出IGBT的门极信号，而且通过这个信号来节制每一个IGBT管的导通以及关断.由直流电源发生的三相电流与三相实际电流值同时作用在负载上，根据误差的大小来发生输入到PMSM的三相电压Vabc，通过这个发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20V，左下角独立的部分是IGBT桥路中流经IGBT管的电流以及电压的丈量装置，可通过它得到流经每一个IGBT管的电压和电流，要想得到IGBT管上的损耗功率只需将同一个IGBT管的电压电流和电压相乘即可，要想得到在一段时间内单个IGBT管上的消耗功率的总和，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电压逆变器布局3.2 仿真成果图3-9 整体仿真框图0.027H，交轴感抗0.067H.粘滞磨擦系数B为0.本次仿真就是为了验证所设计的PMSM双闭环节制系统的仿真模子的静、动态性能是否得到改善，是否达到预想的成果以及系统空载启动的性能是否杰出它的优越性可否体现出来，系统先是在空载情况下启动，在t=0.4s时突加负载2Nm，可以得到系统转速、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节制转速图3.11 永磁同步电机双闭环节制转矩图3.12图3.13图 3.14 永磁同步电机双闭环i电流曲线通过上面的仿真图可以很分明的看出：在给定的参考转速不变的情况下，系统从接纳到信号到可以响应需要的时间很短而且上下的动摇不是很大总体来看还是很平稳的，在起动阶段系统是坚持转速恒定的，而且在空载稳定速度下运行时，不思索系统的磨擦转矩，因此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.在突然加上负载后，转速发生了突然的下降，但是又能比较快的恢复到稳定的状态，稳态运行时转速没有静差，但突然加上负载后，电磁转矩就会略有增大，这是由于开关的频繁切换所造成的.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，这很符合永磁同步电机的特性.仿真成果标明电机的动静态性能比较好，得到仿真之前预期的目标，说明建仿照真的方法是比较抱负的，是正确的.第四章永磁同步电机开环和双闭环仿真比较通过第二章的研究和分析，可以看出永磁同步电机在开环的运行形式下，得到的转矩、电流、转速的波形跟我们想要的效果有很大的差距，其中会出现从起动开端，达到稳定的时间比较长，而且到达稳定时的效果也比较差，波形很分明.这主要是由于开环运行的条件下系统普遍存在的问题较多（1）在开环系统中，各种参数间相互之间影响而且互相制约着，所以很难再对调节器的参数停止更好的调整，因而系统的动态性能的缺陷很分明，在这种情况下不是很抱负.（2）任何扰动在转速出现偏差后也无法调整，因而转速动态降落较大.相对开环来讲在第三章研究的永磁同步电机的双闭环节制系统就对电机调节的优势就很分明，如仿真成果标明：对永磁同步电机双闭环节制系统的仿真成果停止波形分析，可以很清楚的看到其的合感性，而且系统可以在非常平稳的状态下运行，跟开环节制系统相比较而言它具有较好的静、动态特性，可以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双闭环节制系统模子仿真，可以非常便捷地观察出它和开环情况下永磁同步电机相比较的优越性，实现同时也能很准确的验证其算法是否合理，只需要对其中一部分的功能模块停止替换或者是合理的适当的修改，就可以够实现对节制战略的更换或改进，不但可以间断对方案的设计周期停止节制，而且还能疾速验证所设计的节制算法是否正确是否合理，更优越的地方是可以充分地操纵计算机仿真的优越性.通过修改系统的参数变量或人为的加入分歧扰动因素来考查在各种分歧的试验条件下电机系统的动、静态性能，或者是摹拟相同的试验条件，通过各种参数或者分歧的波形来比较分歧的节制战略的优势和优势，为分析和设计分歧的永磁同步电机节制系统提供了更为有效的手段和工具，也给为了实际电机节制系统的设计以及调试提供了新的思路.在双闭环系统中应用到了直接转矩节制原理.直接转矩节制是近几年来继矢量节制技术之后发展起来的一种具有高性能的一种新型的交流变频调速技术.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节制实际[1]，1986年日本学者Takahashi提出了基于圆形磁链的直接转矩节制实际[2]，紧接着1987年在弱磁调速范围为涉及到了它.分歧于矢量节制技术，直接转矩节制自己的特点是很突出的.在矢量节制中遇到的计算复杂、特性易受电动机的参数变更所影响、实际性能很难达到实际分析成果等问题在直接转矩节制中得到了很大程度的改善.直接转矩节制技术一诞生，它就以自己新颖的节制思路，简洁了然的系统布局，杰出的静、动态性能而受到了人们普遍的注意，因而得到迅速的发展.今朝该技术已成功的应用到了电力机车的牵引以及提升机等大功率交传播动上.ABB公司已将直接转矩节制的变频器投放到了市场上.直接转矩节制的思想是想要直接节制电机的电磁转矩要来节制定子的磁链的方法，不像矢量节制那样，要通过电流来节制它的电磁转矩，而是在定子坐标系下观测电机的定子磁链和电磁转矩，并将磁链、转矩的观测值拿来与参考值经两个滞环比较强后得到的磁链、转矩节制信号，综合思索定子磁链的位置，要有开关选择适当的电压空间矢量，节制定子磁链的走向，从而来节制转矩[13].和矢量节制相比较，它的优点在于它抛开了矢量节制中的复杂的思想，直接对电机的磁链和转矩停止节制，并用定子的磁链方向来代替转子磁链的方向，从而避开了电机中不容易确定的参数[3].通过本次的毕业设计，使我把从讲义里学到的东西以及讲义以外的知识接洽在了一起，在本次的毕业设计中我从最基本的对永磁同步电机的基本布局、工作原理等开端研究，通过查阅大量的书籍资料，使我获得了在本课题之外的很多知识，在此期间虽然遇到了很多的问题，但是对于我来讲这是一种动力，可以促使我更多的学习相关的知识，使我对永磁同步电机才干有更深入的懂得，在做毕业设计的过程中才干得心应手.做毕业设计的过程中以永磁同步电机的开环仿真作为基础，最终搭建出对永磁同步电机的双闭环节制，使其发挥出其最好的性能，并与其开环时的电机性能停止对比，观察出双闭环节制系统对电机有效节制，达到我们预期和想要的目标.现代的社会中，电力电子技术、微电子技术、以及电机节制实际等都迅速的发展起来，正是因为以上的发展，才使得永磁同步电机可以更好的被深入研究，以及最终达到广泛的应用.虽然本次毕业设计对永磁同步电机的性能做出了一些改善，得到了一些有意义的成果，但是由于自己的才能有限，还需要进一步的学习和研究.比方关于永磁同步电机的一系列困难，以及它的局限性，都是需要得到更多的学者来停止研究，最后希望永磁同步电机有个更好的今天.。
永磁电机的磁路分析与设计精品68页PPT
56、死去何所道，托体同山阿。 57、春秋多佳日，登高赋新诗。 58、种豆南山下，草盛豆苗稀。晨兴 理荒秽 ，带月 荷锄归 。道狭 草木长 ，夕露 沾我衣 。衣沾 不足惜 ，但使 愿无违 。 59、相见无杂言，但道桑麻长。 60、迢迢新秋夕，亭亭月将圆。
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
25、学习是劳动，是充满思
永磁同步电机
二、永磁同步电动机的转子磁路结构
1. 表面式转子磁路结构 2. 内置式转子磁路结构 3. 爪极式转子磁路结构 4. 隔磁措施
1、表面式转子磁路结构
N
N
S
S
SN
NS
SN
NS
S N
(a)凸出式（隐极结构）
S N
(b)插入式（凸极结构）
1、表面式转子磁路结构
对采用稀土永磁的电机来说，由于永 磁材料的相对回复磁导率接近1，所以表 面凸出式转于在电磁性能上属于隐极转子 结构；而表面插入式转子的相邻两永磁磁 极间有着磁导率很大的铁磁材料，故在电 磁性能上属于凸极转子结构。
五．永磁同步电动机的参数计算和分析
六．异步起动永磁同步电动机的起动过程
永磁同步电动机的稳态性能
（一）稳态运行和相量图 （二）稳态运行性能分析计算 （三）损耗分析计算
（一）稳态运行和相量图
利用双轴电枢反应分析法（双反 应理论）研究永磁同步电动机。
同步电机的电枢反应：同步电机 电枢磁势基波对磁极主磁场的影响。
2、内置混合式转子磁路结构
2
1
1
N
3
4 S
NS
3
N S
N
N S
4
S
SN
NS
SN S 1 N
S
S
N
N
S N
(a)
(b)
1—转轴 2—永磁体槽 3—永磁体 4—转子导条
2、内置混合式转子磁路结构
2
3
2
3
N
N
N
4 1
NN NN
4
1
S
S
S
S
SS
S
SN
S
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（ １ ）
相电 有效 压 值：Ｅ 一 磁 基波 所 的 相 反电 有 值；凡 ｏ 永 气隙 磁场 产生 每 空载 动势 效 式中； Ｕ一
一
直 同 电 ； ；交 同 电 ； 一 矩 ； 轴 步 抗 Ｘ一 轴 步 抗 Ｂ 转 角
毋一电 动机的电 角速度； 相数； 用一 Ｐ一电 动机的
从图２可 在ｄ ａ 见， 轴和ｑ 它的电 气隙是等 轴， 磁 效的，
即 效 隙 ｆ ８ ｈ， 为 来 机 气 ， 当 等 气 ８ ＝ ＋ Ｓ 原 的 械 隙 气相 磁 ，
钢的径向高度。即可按下式计算： Ｎｉ
Ｘ ＝ ｎｔ 尹 份 Ｑ ４ ｆ一 礼 ｆｏ ｑ 声
得更优越的性能。
一 ６ ９一
２直 枢反 杭Ｘ 和交 枢反 抗‘的 Ｌ 轴电 应电 。 轴电 应电 二 一 程计算Ｉ Ｊ 法
可以 用有限元法更精确的计算计及饱和时的Ｘ ｄ ｅ和
Ｘ、 ， 往 过 繁 ・ 下 绍 述 型 磁 简 的 ａ 但往 于复以介上 典的路化 值
工 程计算方法， 磁路结构的差异， 抗的计 因 电 算方法亦不同。 ２ １面装式转子结构的电 ． 枢反应电抗的计算
２－ ｓ
刀ｏ
丝 Ｌ
２ ｐ
（０ １）
Ｒｏ Ｒ ， ｍ＝ ，＋ ｑ ８ Ｒ，
（１ １）
式 ： ｍ一 轴 Ｗ 阻 Ｒ， 交 磁 其 部 磁 。 中 Ｒ， 交 气 磁 ； ．一 轴 路 它 分 阻 ， ｑ
由 式 算出 相 组 链的 链Ｙｑ 下 计 与 绕 交 磁 ／ ．
／ Ｎｄ ， Ｖ 二 Ｋｖ． 、 １ ０
Ａ 硼永磁体 ｉ铁 磁势：
Ｆ 二 － Ｈ， ｈ （ ｂ ）
可 画 稀 永 体 势 电 磁 直 分 Ｆ和 枢 势 轴 量 ． 单 作 出 土 磁 磁 Ｆ、 枢 势 轴 量 ， 电 磁 交 分 Ｆ 各自 独 用 以 ， ｑ
时 生 应 气 磁 中、 枢 轴 通 ． 电 交 磁 中 的 值 路 ， 图 示 产 对 的 隙 通 Ｊ 电 直 磁 巾ｄ 枢 轴 通 、 等 磁 图 如 ５ 。 ・
（ 插 式 结构 图２所 这 结 可 把 磁 直 插 表 ， 如 ｂ 子 如 ｂ 示， 种 构 以 永 钥 接 在 面 亦可 图２所 ２ 入 转 ）
示， 插入转子槽内， 这对保护磁钢不受损伤和保证在高转速运行时的安全性均有好处。 磁角 从电 度出发， 它为凸极式的。 这种结构可以灵活地利用转子ｄ 轴和９ 轴磁路的不对称所产生的磁阻转
的转矩角大于９ ０ ０ ，而不象电励磁同步电 动机那样小于９ ０ ０ｅ 以下讨论几种典型的磁路结构、参数计算和应用场合。 （） ａ １ 面装式转子结构 （ 如图２ 所示） ，这种结构具有结构简单，制造成本低， 转动惯量小 等优点。 此外这种表面凸出式的转子结构， 极易实现永磁磁极的优化设计， 获得良 从而 好的气隙
步 抗Ｘ 和 轴 步 抗Ｘ 的 异 对 角 性 电 ｄ交 同 电 。差 ， 矩 特
的影响是不同的，当永磁同步电 动机直轴同步电 抗 图１ 永磁同 步电动机的矩角 特性曲线
一 ６ ８一
一 ， 户种 种 ．． ． ．． ． ．． 口 － － ， ， 种 种 ． ． ． ． ． 曰 －￣
刃 小 交 步 抗 ４ 磁 转 为 负 弦 数， 而 角 性 线上 矩 大 所 应 同 电 Ｘ ． 阻 矩 一 正 函 因 矩 特 曲 转 最 值 对 Ｊ于轴
图４插入式转子结构Ｐ Ｓ Ｍ Ｍ的直轴等效磁路图
一 ７ ０一
这９ 构ｄ 磁 １ 结 轴 钢磁阻 ９ 处为 磁 料， 小， 法按照 规电 抗的 算方 大， 轴 软 材 磁阻 故无 常 机电 计
法 当 饱和 应， 忽略 不计 效 并 铁心磁阻时， 型的直轴 其典 磁路如图４ 图中： ‘ 系每对极下永 ０ Ｒ
题 由 钦 硼 磁 的 导 与 同 这 结 的 ，戈 ， 电 磁 凸 同 电 机 矩 。 于 铁 永 体 磁 率 相 ， 种 构 Ｘ 与 励 的 极 步 动 的 ＞
角特性一样。
以上 三种典型结构都是内转子式的， 我们亦可设计成外转子式。 转子结构相比， 与内 在相同 机壳外径下， 显然外转子结构可以获得更大的电 枢直径， 可以更 合理的利用和布置磁钢， 从而获
卞磁路 比磁 导： （） ３
式 ： 相 ： ｄ一 波 组 数 每 每 槽 ： 极 ｍ： 一 效 磁 中 ｍ一 数 Ｋｐ 基 绕 系 ： 极 相 数ｑ ｚ 距（） Ｓ 电 气 、 一 ｆ等
隙 （ ； ｍ） 本结构
Ｘｄ 戈。 Ｘ ｏ＝ ＝ ａ
此算法己 通过有限元法的计算验证其正确性。 ２． 插入式转子结构的电 ２ 枢反应电 抗计算
程计算方法。 并结合某电梯用磁场定向控制的永磁电动机的 各种方案， 进行了讨论， 给出了结论一面装式外转子 磁路结构是磁场定向控制Ｐ Ｍ最理想得结构， ＭＳ 插入式结构则优先用于需进行弱磁控制和扩大动态转矩得场合，
并 通 在 轴 隔 槽 方 来 整 ， ， 比 ，满 不场 的冬 可 过 ｑ开 磁 的 式 调 Ｘ／ 的 值 以 足 同合 需 Ｘ
式中：厂 流频率 一电
（） ２
图３ 内装式转子结构
Ｐ ０ｒ ； ｏ ．ｘ Ｎ一绕组每相串联匝数；Ｐ一极对数；ｑ一每 ＝４ １ 呱 ）０ － ５
几 二＝二 ＇ｄ 下 ２ ｐ ｌ
＿ｍ ２ ｒ ｑ ｖ
汀 口 ｆ
极 相 数 Ｉ一 枢 向 算 度（） 每 槽 ： 电 轴 计 长 ｍ； ｆ ＝
制策略的不同，对电 动机的磁路结构和参数提出了 不同的要求。可以说 Ｐ Ｓ 的班路结构对电 ＭＭ 机的体积、重量、参数和性能都 有十分明显的影响， 在设计中必须认真选择。
１ 典型磁路结构
ＰＳ Ｍ Ｍ的电磁转矩
：＝，ｍ．ｉ Ｍ 件一 ｉ ＿Ｐ＝ ｓ Ｐ Ｕ Ｉ 拍ｓ０ ｐ ． Ｅ ． ０ ｎ ２
，系 对 气隙 每 极下 磁阻；Ｒ。 每 极 漏磁阻；中 。 示当 存 桥 ．系 对 下 。表 转子 在磁 漏磁 磁体磁阻； Ｒ
时的漏磁通
ｈ ， Ｒ 二 ， ｘｓ ｍ
（） ４
式中：ｈ 一 永磁体磁化方向 （ 径向） 即 一对极的厚度 〔 ） Ｕ 一钦铁硼永磁体磁导率 。 ；Ｉ Ｄ
ｕ ４１％； 磁面凡 ‘Ｌ ｍ丸 永体均长（： ｌ 。 ｘ Ｓ 永体积 一ｘ ； 一磁平弧 。 氛 。 ；ｒ 一 ｒ 一 Ｍ ． ，＇ ）
一几
土 下 １
！
ｅ’ 甄
肖 曰 日
０ －
Ｒ， 气 ｝
Ｆａ ，
鲡
ｈａ
（） ａ
与
Ｒ， Ｒｏ
Ｆ Ｒ 呐
尺 初
ａ Ｆ单独作用时 ）
ｂ凡单 作 时 用 ） 独 ） ｃ 凡单 作 时 独 用 单 作 时 等 磁 图 图５ 凡、 ‘ 凡 各自 独 用 的 值 路 ａ Ｆ和
磁场 形・以 转 动。 钱 材料的 率尸接 空 减小 矩脉 因 铁翻 波 磁导 近 气隙的 率， 在电 磁导 所以 磁上，
它相当于 气隙的隐 机， 均匀 极电 从而不 在ｄ 存 轴和４ 轴的磁阻差 即电 应电 ａ 别， 枢反 抗Ｘ 沿圆周
处处相等，没有磁阻转矩。
（）面装式 ａ （） ｂ 插入式 图２ 转子磁路结构
式 ： 数 。交 电 反 磁 波 系 Ｋ一 即 枢 轴 场 基 幅 对 最 枢 应 场 形 数＿ ， 电 交 磁 的 波 值 其 中 系 Ｋ为 轴 玉
大值之比。 式中系数Ｋ 为直轴电 ｄ 枢反应磁场波形系 即直轴磁场的 数， 基波幅值对其最大值之比。
方 ，
在此不再详述。
２ ３ 装式转子结构电枢反应电抗计算 ． 内
以图３ 充 横向 磁的内 转子 为 ｄ 系软 极部 ４ 安 钦铁 磁 其 装式 结构 例， 轴 磁磁 分， 轴 装 硼 钥， 磁
｀ ｔ 率很低， 如空气隙， 因此可以 用常规的电 磁式凸极同步电 机电 枢反应电 抗的方法来计算。 采用
矩 由 种 构 组 的 服 统 由 Ｘ＞ ｅ 在 转 运 区 控 Ｂ ， 它 生 ・ 这 结 所 成 伺 系 ， 于 ＱＸ ， 恒 矩 行 ， 制 角 使 发 在
％＜＜范内就 以高矩 ，在功运区通调和制角可提 ”二围。可提 转值 而恒率行，过整控 “，以高
输出转矩和实现弱磁控制，扩大调速范围。 （）内 ３ 装式转子结构如图３ 所示，这种结构对永磁体进行横向 充磁，相 邻磁极表面的极性 应该相同， 从而可获得比 上两种结构更大的气隙磁密。 显然亦带来漏磁系数大和制造成本高的问
关 ： 步 机 结 ｔｆ 抗 电 电 场 控 同 动 路 ， ｉ 电 “ “ 手 “ “ 键 永 电； 构 反 ； 枢 “ “ 词磁 磁 ＊ “ 电
；ｆ＊． ＡＩ ｌ ｔ Ｌ ＴＦ％Ｅ Ｊ（１ 称 Ｐ Ｓ 被愈来愈广 ＹＦ ｋ ｒ＿ ｉ ３ ． ． ａ＊ ｝ 下简 Ｍ Ｍ） 泛地应用于各 种场合，且 控 常因
现代永磁同步电动机的磁路结构和参数设计
谭苑娃 金如麟 王建辉 肖 杭 （ 上海交通大学 ２０３） ０００
摘 要：现代永磁同步电动机，常因控制策略的不同，对电动机的 磁路结构和参数提出了 不同的要求。文章
介 了 代 磁 步 动 的 型 磁 结 和 们 直 电 反 电 Ｘｄ 交 电 反 电 Ｘ； 工 绍现 永同电机典 的路构它 的轴枢应抗 ｎ 轴枢应抗 ， 和 的
（） ７
几 （， ＋ ） Ｒ， Ｒ， ， ． 九 二 尺Ｗ ＋ ．Ｒ ＋ ． ｍ ． ． Ｒ ＿ ， Ｒ， Ｒａ Ｒ
（） ８
汽＝ １ 式 ：Ｒ； 交 方向 阻。 交 方 仅 气 磁 时 中 ｍ 轴 磁 当 抽 向 有 隙 阻 ： 一 Ｒ４ Ｒ， ＝ ，＝
当 交轴方向还有其他线性磁阻时：
（） ９
一 ？ １一
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