永磁同步电机

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永磁同步电机基础知识
篇一:永磁同步电机

(一) PMSM的数学模型

交流电机是一个非线性、强耦合的多变量系统。永磁同步电机的三相绕组分布在定子上，永磁体安装在转子上。在永磁同步电机运行过程中，定子与转子始终处于相对运动状态，永磁体与绕组，绕组与绕组之间相互影响，电磁关系十分复杂，再加上磁路饱和等非线性因素，要建立永磁同步电机精确的数学模型是很困难的。为了简化永磁同步电机的数学模型，我们通常做如下假设：

1) 忽略电机的磁路饱和，认为磁路是线性的； 2) 不考虑涡流和磁滞损耗；

3) 当定子绕组加上三相对称正弦电流时，气隙中只产生正弦分布的磁势，

忽略气隙中的高次谐波；

4) 驱动开关管和续流二极管为理想元件； 5) 忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响。

永磁同步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和机械运动方程组成，在两相旋转坐标系下的数学模型如下：

(l)电机在两相旋转坐标系中的电压方程如下式所示:

did

udRsidLdcqdt

uRiLdiq qsqqcddt

其中，Rs为定子电阻；ud、uq分别为d、q 轴上的两相电压；id、iq分别为d、

q轴上对应的两相电流；Ld、Lq分别为直轴电感和交轴电感；ωc为电角速度；ψd、ψq分别为直轴磁链和交轴磁链。

若要获得三相静止坐标系下的电压方程，则需做两相同步旋转坐标系到三相静止坐标系的变换，如下式所示。

cos

ua2

ucos()b3uc2

cos()

3

(2)d/q轴磁链方程：



sin

2ud

sin()

3uq2

sin()

3

dLdidfqLqiq

其中，ψf为永磁体产生的磁链，为常数，f

c是机械角速，而rrp

度，p为同步电机的极对数，ωc为电角速度，e0为空载反电动势，其值为每项

e0

(3)转矩方程：

3Tepdiqqid 2

把它带入上式可得:

Te

3pfiq(LdLq)idiq2

33

pfiqp(LdLq)idiq

22

对于上式，前一项是定子电流和永磁体产生的转矩，称为永磁转矩；后一项是转

子突极效应引起的转矩，称为磁阻转矩，若Ld=Lq，则不存在磁阻转矩，此时，转矩方程为：

3

Tepfiqktiq

2

这里，kt为转矩常数，kt(4)机械运动方程：

3

pf。 2

dm

TeJBmTL

dt

其中，m是电机转速，TL是负载转矩，J是总转动惯量(包括电机惯量和负载惯量)，B是摩擦系数。

(二) 直线电机原理

永磁直线同步电机是旋转电机在结构上的一种演变，相当于把旋转电机的定子和动子沿轴向剖开，然后将电机展开成直线，由定子演变而来的一侧称为初级，转子演变而来的一侧称为次级。由此得到了直线电机的定子和动子，图1为其转变过程。

直线电机不仅在结构上是旋转电机的演变，在工作原理上也与旋转电机类似。在旋转的三相绕组中通入三相正弦交流电后，在旋转电机的气隙中产生旋转气隙磁场，旋转磁场的转速（又叫同步转速）为：

ns

60f

(r/min) （1-1） p

其中，f—交流电源频率，p—电机的极对数。

如果用v表示气隙磁场的线速度，则有：

2pvns2f(mm/s) （1-2）

60

其中，为极距。

当旋转电机展开成直线电机形式以后，如果不考虑铁芯两端开断引起的纵向边端效应，此气隙磁场沿直线运动方向呈正弦分布，当三相交流电随时间变化时，气隙磁场由原来的圆周方向运动变为沿直线方向运动，次级产生的磁场和初级的磁场相互作用从而产生电磁推力。在直线电机当中我们把运动的部分称为动子，对应于旋转电机的转子。这个原理和旋转电机相似，二者的差异是：直线电机的磁场是平移的，而不是旋转的，因此称为行波磁场。这时直线电机的同步速度为v=2fτ,旋转电机改变电流方向后，电机的旋转方向发生改变，同样的方法可以

级-以是电机的次级，要根据实际的情况来确定。基本结构如图3所示，永磁同步直线电机的速度等于电机的同步速度：

vvs2f （1-3）

(三) 矩）控制，使得其可以类似于直流电机中的电流（力矩）控制。

矢量控制技术是通过坐标变换实现的。

坐标变换需要坐标系，变化整个过程给出三个坐标系： 1) 静止坐标系（a，b，c）：定子三相绕组的轴线分别在此坐标系的a，b，c

三轴上；

2) 静止坐标系（α，β）：在（a，b，c）平面上的静止坐标系，且α轴与

a轴重合，β轴绕α轴逆时针旋转90度；

3) 旋转坐标系（d,q）:以电源角频率旋转的坐标系。



矢量控制技术对电流的控制实际上是对合成定子电流矢量is的控制，但是对



合成定子电流矢量is的控制的控制存在以下三个方面的问题：



1) is是时变量，如何转换为时不变量？

2) 如何保证定子磁势和转子磁势之间始终保持垂直？



3) is是虚拟量，力矩T的控制最终还是要落实到三相电流的控制上，如何

实现这个转换？



is从静止坐标系（a，b，c）看是以电源角频率旋转的，而从旋转坐标系（d,q）上看是静止的，也就是从时变量转化为时不变量，交流量转化为直流量。 所以，通过Clarke和Park坐标变换（即3/2变换），实现了对励磁电流id



和转矩电流iq的解耦。在旋转坐标系（d,q）中，is已经成为了一个标量。令is在q轴上（即让id=0），使转子的磁极在d轴上。这样，在旋转坐标系（d,q）中，我们就可以象直流电机一样，通过控制电流来改变电机的转矩。且解决了以上三个问题中的前两个。

但是，id、iq不是真实的物理量，电机的力矩控制最终还是由定子绕组电流ia、ib、ic（或者定子绕组电压ua、ub、uc）实现，这就需要进行Clarke和Park坐标逆变换。且解决了以上三个问题中的第三个。

力矩回路控制的实现：

1) 图中电流传感器测量出定子绕组电流ia,ib作为clarke变换的输入，ic可

由三相电流对称关系ia+ib+ic=0求出。

2) clarke变换的输出iα,iβ ，与由编码器测出的转角Θ作为park变换的

输入，其输出id与iq作为电流反馈量与指令电流idref及iqref比较，产生的误差在力矩回路中经PI运算后输出电压值ud,uq。

3) 再经逆park逆变换将这ud,uq变换成坐标系中的电压u α,uβ。

4) SVPWM算法将uα,uβ转换成逆变器中六个功放管的开关控制信号以

产生三相定子绕组电流。

(四) 电流环控制

交流伺服系统反馈分为电流反馈、速度反馈和位置反馈三个部分。其中电流环的控制是为了保证定子电流对矢量控制指令的准确快速跟踪。

电流环是内环，SVPWM控制算法的实现主要集中在电流环上，电流环性能指标的好坏，特别是动态特性，将全面影响速度、位置环。

PI调节器不同于P调节器的特点:

1) P调节器的输出量总是正比于其输入量;

2) 而PI调节器输出量的稳态值与输入无关, 而是由它后面环节的需要决

定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值, 它就能提供多少, 直到饱和为止。

电流环常采用PI控制器，目的是把P控制器不为0 的静态偏差变为0。电流环控制器的作用有以下几个方面：永磁同步电机。

3) 内环；在外环调速的过程中，它的作用是使电流紧跟其给定电流值（即

外环调节器的输出）；

4) 对电网电压波动起及时抗干扰作用；

5) 在转速动态过程中（起动、升降速）中，保证获得电机允许的最大电流-即加速了动态过程；

永磁同步电机的设计与电磁分析
篇二:永磁同步电机

编号：（ ）字 号

本科生毕业设计（论文）永磁同步电机。

题目： 永磁同步电机的设计与电磁分析 姓名： 耿艳华 学号： 21116258 班级： 电气工程与自动化11级1班

二 〇 一 五 年 六 月

中 国 矿 业 大 学

本科生毕业论文

姓 名：学 院：专 业：论文题目：专 题：指导教师：

耿艳华 学 号： 21116258 应用技术学院 电气工程与自动化 永磁同步电机的设计与电磁分析 邓先明 职 称： 教授 2015年 6月 徐州

中国矿业大学毕业论文任务书

学院 应用技术学院 专业年级 电气2011级 学生姓名 耿艳华

任务下达日期： 2015 年 3 月 15 日

毕业论文日期： 2015 年 3 月 16 日 至 2015 年 6 月 1 日

毕业论文题目： 永磁同步电机的设计与电磁分析

毕业论文专题题目：

毕业论文主要内容和要求：

1． 永磁同步电机的工作原理和基本结构； 2． 自启动永磁同步电机的一般设计方法；

3． 设计一台 永磁同步电机，参数： （1）、容量：40KW；（2）、额定电压380V，额定频率50Hz；（3）、额定转速1500；（4）、定子相数3；（5）、效率0.95；（6）功率因数0.95.；（7）能够自启动。 4． 利用有限元方法，计算验证设计结果。

5． 完成与毕业设计内容有关的英文翻译（近三年的文献），不少于3000汉字；

6． 完成毕业设计论文。

院长签字： 指导教师签字：

指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内

容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成 绩： 指导教师签字： 年 月

日

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解

决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的规范程度；⑦总体评价及建议成绩；⑧存在问题；⑨是否同意答辩等）：

成 绩： 评阅教师签字： 年 月

日

永磁同步电机毕业设计
篇三:永磁同步电机

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-Magnet

Synchronous Motor

Abstract

PMSM (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

2.1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

2.2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

2.3 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

3.2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 ...................................................................... 18

3.2.2 永磁体及定转子冲片设计 .............................................................. 19

3.2.3 绕组计算 .......................................................................................... 23

3.2.4 磁路计算 .......................................................................................... 26

3.2.5 参数计算 .......................................................................................... 29

3.2.6 工作特性计算 .................................................................................. 33

3.2.7 起动特性计算 .................................................................................. 37

3.3 小结 ......................................................................................................... 41

第4章 永磁同步电动机的性能分析及磁场分析 .......................................... 42

4.1 永磁同步电动机的性能分析 ................................................................. 42

4.1.1 永磁同步电动机性能曲线 .............................................................. 42

4.1.2 重要参数的变化对性能的影响 ...................................................... 44

4.2 永磁同步电动机的磁路分析 ................................................................. 46

4.2.1 永磁同步电动机的模型 .................................................................. 46

4.2.2 在Ansoft Maxwell 2D 中运行后的结果图 ................................... 47

4.3 小结 ......................................................................................................... 52

结论 .................................................................................................................... 53

致谢 .................................................................................................................... 54

参考文献 ............................................................................................................ 55

附录 A ............................................................................................................... 56

第1章 绪论

1.1 课题背景

永磁同步电动机（PMSM）具有体积小、效率高、功率因数高、起动力矩大、力能指标好、温升低等特点。永磁同步电机的运行原理与电励磁同步电机相同，但它以永磁体提供的磁通代替后者的励磁绕组励磁，使电机结构更为简单。近年来，永磁材料性能的改善以及电力电子技术的进步，推动了新原理、新结构永磁同步电机的开发，有力地促进了电机产品技术、品种及功能的发展，某些永磁同步电机已形成系列化产品，容量从小到大，已达到兆瓦级，应用范围越来越广；其地位越来越重要，从军工到民用，特殊到一般迅速扩大，不仅在微特电机中占优势，而且在电力推进系统中也显示出了强大的生命力。永磁同步电机以其效率高、功率大、结构简单、节能效果显著等一系列优点在工业生产和日常生活中逐步得到广泛应用。尤其是近年来高耐热性、高磁性能钕铁硼永磁体的成功开发以及电力电子元件的进一步发展和改进，目前正向超高速、高转矩、大功率、微型化、高功能化方向发展[1]。与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠，体积小，质量轻，损耗小，效率高，电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。与传统的同步电动机相比较，采用永磁体既简化了电机的结构、实现了无刷化，提高了可靠性，又节约用铜，省去了转子铜耗，提高了电机效率[2]。因而应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域[3]。新型永磁材料的出现大大促进了永磁同步电机的发展，同时也解决了制约稀土永磁电机发展的共性关键技术，其中之一就是改进永磁体加工工艺、提高材料利用率、降低成本，使用率提高20%，加工费降低50%[4]。日本1965年就开始研制电动车，于1967年成立了日本电动车协会

[5]。从1996年，丰田汽车公司的电动机RAV4就采用了东京电机公司的插入式永磁同步电机作为驱动电机，最大功率50kW，最高转速1300r/min到本田公2001年推出的燃料电池试验车FCX-V4的驱动电机最高功率为60kW，最大转矩为272N·m。欧洲许多发达国家很早就开始了对电动车的研究。在电动车驱动电机的选择上，不同国家各有侧重：英国、法国偏重于永磁无刷直流电机，德国偏重于开关磁阻电机。德国第三代奥迪混合电动车驱动电机采用了永磁同步电机。其最高转速为12,500r/min，最大输出功率32kW。美国的电动车开发比日本晚。在美国，感应电机的设计及其控制策略的发展较为成熟，所以电动车驱动电机还主要以感应电机为主。美国两个最高车速分别为72km/h和56km/h的短程混合电动公交车上也采用了永磁同步电机作为驱动电机[6]。

永磁同步电机状态方程
篇四:永磁同步电机

以表贴式的永磁同步电机的数学模型为研究对象基于以下假设可以建立永磁同步电机的d-q轴模型。

（1）忽略电动机的铁芯饱和。 （2）不计涡流和磁滞损耗。

（3）转子上没有阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用。 （4）相绕组中的感应电动势的波形是正弦波。

dLdidf永磁同步电机。

磁链方程为：

qLqiq

（1）

udLddid/dteLqiqRSid

电压方程为：uLdi/dtLdiRi

qqedefSqq

电磁转矩方程为：运动方程为：J

（2）

Te3*P*fiq/2KT*iq（3）

TeBTL（4）

方程（1）、（2）、（3）、（4）分别表示电机的磁链方程，电压方程，电磁转矩方程和运动方程，其中d,，q，电机直轴和交轴的磁链,f为合成的转子磁链。

Ld，Lq表示直轴和交轴的电感。ud,，uq表示直轴和交轴的电压，id，iq表示直轴和交轴的电流，e、Rs分别表示转速和定子电阻，J表示转动惯量，Te表示电磁转矩，TL表示转矩。电角速度和机械角速度之间满足：

ep*r。



udiqqRsIqLq

nprLdidprfdtudRsidLdiddPLidtrqq

TTdrelJB

ddtr



dtr

取状态变量为X=iq,id,r,e,TlTT

，输出变量为：Y=iq,id

将上述方程写成状态方程表达式的形式为：

RsPrP

f

0



iqLid

RL

0iq1d

s

L000dtPr

r3P

f1id

L



0

e0B0T2L0J

0PJ0J

r0

0e0

T

0L0

00

1L0uqud00

iqid

iq10000

rY

id01000

eTL

写成如下形式：

x.

AxBuyCx

则：A=

Rs

PrP

f

LL

0

PrRs

00L

3Pf0B02J00PJ00

10000

C=01000



Te3*P*fiq/2Kt*iq,

Kt3/2*P*f

0



, B=10L100J00

0

0

1L00

0

本文来源：http://www.myl5520.com/fanwendaquan/88258.html