永磁同步電機(jī)簡(jiǎn)介.課件

1、永磁同步電機(jī)簡(jiǎn)介同步電機(jī) 同步電動(dòng)機(jī)屬于交流電機(jī)，定子繞組與異步電動(dòng)機(jī)相同。它的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度與定子繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度是一樣的，所以稱為同步電動(dòng)機(jī)。正由于這樣，同步電動(dòng)機(jī)的電流在相位上是超前于電壓的，即同步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)容性負(fù)載。為此，在很多時(shí)候，同步電動(dòng)機(jī)是用以改進(jìn)供電系統(tǒng)的功率因數(shù)的。 定子中通三相對(duì)稱繞組，轉(zhuǎn)子有直流電源供電，運(yùn)行過程如下： （1）主磁場(chǎng)的建立：勵(lì)磁繞組通以直流勵(lì)磁電流，建立極性相間的勵(lì)磁磁場(chǎng)，即建立起主磁場(chǎng)。 （2）載流導(dǎo)體：三相對(duì)稱的電樞繞組充當(dāng)功率繞組，成為感應(yīng)電勢(shì)或者感應(yīng)電流的載體。 （3）切割運(yùn)動(dòng)：原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（給電機(jī)輸入機(jī)械能），極性相間的勵(lì)磁磁場(chǎng)隨

2、軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組（相當(dāng)于繞組的導(dǎo)體反向切割勵(lì)磁磁場(chǎng)）。 （4）交變電勢(shì)的產(chǎn)生：由于電樞繞組與主磁場(chǎng)之間的相對(duì)切割運(yùn)動(dòng)，電樞繞組中將會(huì)感應(yīng)出大小和方向按周期性變化的三相對(duì)稱交變電勢(shì)。通過引出線，即可提供交流電源。運(yùn)行方式 同步電機(jī)的主要運(yùn)行方式有三種，即作為發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和補(bǔ)償機(jī)運(yùn)行。作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行是同步電機(jī)最主要的運(yùn)行方式，作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行是同步電機(jī)的另一種重要的運(yùn)行方式。同步電機(jī)還可以接于電網(wǎng)作為同步補(bǔ)償機(jī)。這時(shí)電機(jī)不帶任何機(jī)械負(fù)載，靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感性或者容性無功功率，以達(dá)到改善電網(wǎng)功率因數(shù)或者調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓的目的。 轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率關(guān)系 f定子側(cè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的

3、交流電流頻率P電機(jī)極對(duì)數(shù) 只要電網(wǎng)頻率不變，則穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒為常值而與負(fù)載無關(guān)。 從原理上看，同步電機(jī)既可以作為發(fā)電機(jī)，也可以作為電動(dòng)機(jī)或補(bǔ)償機(jī)?，F(xiàn)代水電、火電及核電中的發(fā)電機(jī)幾乎都是用的同步發(fā)電機(jī)，在工礦企業(yè)和電力系統(tǒng)中，同步電動(dòng)機(jī)和補(bǔ)償機(jī)用的也不少。永磁電機(jī)的分類 永磁無刷直流電機(jī)（BDCM）以方波或梯形波供電。 永磁同步電機(jī)（PMSM）以正弦波或者方波供電。正弦波和方波永磁電機(jī)對(duì)比對(duì)比項(xiàng)目正弦波永磁同步電機(jī)方波永磁同步電機(jī)電動(dòng)機(jī)沒相勵(lì)磁磁通分布電動(dòng)機(jī)沒相電流波形電磁轉(zhuǎn)矩運(yùn)行特點(diǎn)（1）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小（2）可用相位補(bǔ)償電 流控制器的滯后（3）需磁極傳感器（4）電流控制復(fù)雜（1）相電

4、流切換時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動(dòng)（2）電流控制有延遲使轉(zhuǎn)矩降落（3）只需要簡(jiǎn)單的磁極位置傳感器（4）電流控制簡(jiǎn)單從結(jié)構(gòu)來分：面裝式、插入式、內(nèi)埋式 面裝式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，通常永磁體呈瓦片形，并安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯外表面上。這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)、工藝簡(jiǎn)單，成本低和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小等優(yōu)點(diǎn)，多用于中小功率伺服電機(jī)中。 插入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，是將永磁體嵌于轉(zhuǎn)子表面下，而永磁體的寬度小于一個(gè)極距。若永磁體都采用稀土永磁材料，由于永磁材料的相對(duì)磁導(dǎo)率接近1，所以面裝式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)在電磁性能上屬于隱極式電機(jī)，其直、交軸(d、q軸)同步電感基本相同，轉(zhuǎn)子磁路對(duì)稱。而插入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)因相鄰的永磁磁極之間是磁導(dǎo)率很大的鐵磁材料，故插入式轉(zhuǎn)

5、子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)在電磁性能上屬于凸極式電機(jī)，其q軸同步電感要大于d軸同步電感。這種因轉(zhuǎn)子磁路的不對(duì)稱性所產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩可以被利用來提高電動(dòng)機(jī)的功率密度，改善動(dòng)態(tài)性能。 內(nèi)埋式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，每個(gè)永磁體都被鐵芯所包容。內(nèi)埋式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在電磁性能上也屬于凸極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，d軸主磁通穿過兩個(gè)永磁體，相當(dāng)于在d軸磁通路徑上存在兩個(gè)額外的大氣隙，而q軸主磁通僅穿過鐵芯和氣隙；因空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率是1，所以q軸同步電感要明顯大于d軸同步電感。通常用凸極率(p=Lq/Ld)來表示永磁同步電動(dòng)機(jī)的凸極性。在相同條件下，面裝式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的凸極性最小，內(nèi)埋式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的凸極性最大

6、。凸極性不但可以用來提高永磁同步電動(dòng)機(jī)功率密度和效率，還可以用來實(shí)現(xiàn)無位置傳感器的控制。永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型 在永磁同步電機(jī)的定子上裝有A、B、C三相對(duì)稱繞組，轉(zhuǎn)子上裝有永久磁鋼（有些電機(jī)轉(zhuǎn)子上還裝有阻尼繞組），定子和轉(zhuǎn)子通過氣隙磁場(chǎng)耦合。由于電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，定轉(zhuǎn)子之間的位置關(guān)系是隨時(shí)間變化的，因此，定轉(zhuǎn)子個(gè)參量的關(guān)系非常復(fù)雜，無法準(zhǔn)確的分析同步電機(jī)定轉(zhuǎn)子各參量的變化規(guī)律，給永磁同步電機(jī)的分析和控制帶來諸多困難。 為了簡(jiǎn)化對(duì)永磁同步電機(jī)的分析，建立實(shí)現(xiàn)可行的同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，做如下假設(shè)： （1）忽略磁路飽和、磁滯和渦流影響，視電機(jī)磁路是線性的，可以應(yīng)用疊加原理對(duì)電機(jī)回路各電磁參

7、數(shù)進(jìn)行分析。 （2）電機(jī)定子繞組三相對(duì)稱，各繞組軸線在空間上相差120度電角度。（3）轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組，永磁鐵沒有阻尼作用。 （4）電機(jī)定子的電勢(shì)按正弦規(guī)律變化，定子電流在氣隙中只產(chǎn)生正弦分布磁勢(shì)，忽略磁場(chǎng)場(chǎng)路中的高次諧波磁勢(shì)。 按照以上條件對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行理論分析時(shí)，其所得到的結(jié)果與實(shí)際情況非常接近，誤差在工程允許內(nèi)。 在同步電機(jī)運(yùn)行過程中，電機(jī)微分方程有多種形式。在A、B、C坐標(biāo)系下，將定子三相繞組中A相繞組軸線作為空間坐標(biāo)系的參考軸線as，在確定好磁鏈和電流正方向后，可以得到永磁同步電機(jī)在 A、B、C坐標(biāo)系下的定子電壓方程：（1）A、B、C三相坐標(biāo)系中同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型圖1 PMSM電

8、機(jī)物理模型 在圖中，as、bs、cs為電機(jī)三相定子繞組的軸線，為轉(zhuǎn)子d軸軸線與A相繞組軸線的夾角，f為轉(zhuǎn)子永磁鐵產(chǎn)生的過定子磁鏈，is為電機(jī)定子三相電流的綜合矢量。 在A、B、C三相坐標(biāo)系下的磁鏈方程為： （2） 式（1）、（2）中： 向量形式： 除了電壓方程和磁鏈方程外， A、B、C坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型還包括電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程和轉(zhuǎn)矩方程。因在A、B、C坐標(biāo)系下的電壓方程和磁鏈方程比較復(fù)雜，磁鏈的數(shù)值隨永磁同步電機(jī)的相對(duì)位置隨時(shí)間的變化而變化，而電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程是描述電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之間的關(guān)系的，方程表述比較簡(jiǎn)單，但轉(zhuǎn)矩方程方程涉及永磁同步電機(jī)的電流向量和磁鏈矩陣，表述比較復(fù)雜。 從PM

9、SM在A、B、C坐標(biāo)系下的電壓方程和磁鏈方程可以看出在A、B、C坐標(biāo)系下，因?yàn)橥诫姍C(jī)定轉(zhuǎn)子在磁、電結(jié)構(gòu)上的不對(duì)稱，同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一組與轉(zhuǎn)子瞬時(shí)位置有關(guān)的非線性時(shí)變方程。因此，采用A、B、C坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型對(duì)PMSM進(jìn)行分析和控制是十分困難的，需要尋求比較簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型以實(shí)施對(duì)同步電機(jī)的控制。、o坐標(biāo)系中PSMS數(shù)學(xué)模型 由于電機(jī)在靜止的、o坐標(biāo)系下的各個(gè)變量可以直接測(cè)量，因此在研究電機(jī)特性和電機(jī)控制時(shí)也可采用、o坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型。 將PMSM在三相坐標(biāo)系下的電流參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)變換，可以將三相坐標(biāo)系下的電壓與磁鏈方程在、o坐標(biāo)系中表示出來。 如圖，將、o坐標(biāo)放在定子上， 與A相軸線相重

10、合， 超前軸90度。 在、o坐標(biāo)系下的電流和電壓可以直接從A、B、C坐標(biāo)系中的電流電壓方程通過簡(jiǎn)單的線性變換得到。一個(gè)旋轉(zhuǎn)的矢量從三相坐標(biāo)系變換到、o坐標(biāo)系稱為3/2變換，變換矩陣為：電流變換如下：變換后的靜止坐標(biāo)系下的電壓方程（3）靜止坐標(biāo)系下的磁鏈方程分別為同步電機(jī)直軸交軸電感為永磁磁極產(chǎn)生的與定子繞組交鏈的磁鏈。（4） 在、o坐標(biāo)系中，經(jīng)3/2變換是三相坐標(biāo)系下的電機(jī)模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化。針對(duì)內(nèi)永磁同步電機(jī)，因?yàn)檗D(zhuǎn)子直交軸的不對(duì)稱性而具有凸極效應(yīng)，直軸交軸電感不相等，因此，在 、o坐標(biāo)系中的內(nèi)永磁同步電機(jī)磁鏈、電壓方程是一組非線性方程組，數(shù)學(xué)模型相當(dāng)復(fù)雜，將該模型應(yīng)用于電機(jī)的分析和控制時(shí)也相當(dāng)

11、復(fù)雜，一般不采用該坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。 對(duì)于具有對(duì)稱轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的表面式PMSM，因?yàn)長(zhǎng)d=Lq，電機(jī)模型相對(duì)簡(jiǎn)單，可以對(duì)該電機(jī)進(jìn)行分析控制。而實(shí)際上，即便是表面式PMSM，也不能保證Ld=Lq，故而分析永磁同步電機(jī)的控制盒運(yùn)行時(shí)也不使用這個(gè)模型。和三相坐標(biāo)系一樣，在該坐標(biāo)系下電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩方程表述復(fù)雜。d、q、o同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中PMSM數(shù)學(xué)模型圖3 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系圖4 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電機(jī)模型 d、q、o坐標(biāo)系是隨電機(jī)氣隙磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系，可以將其視為放置在定子上的坐標(biāo)系，其d軸是PMSM轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁鏈方向，q軸超前d軸90度，如圖所示。 在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電機(jī)模型中，為電機(jī)定子三相電流合成空間矢量與PMSM勵(lì)磁磁場(chǎng)軸線（直軸）之間的夾角，又稱轉(zhuǎn)矩角，為轉(zhuǎn)子d軸軸線與A相繞組軸線的夾角。 f為轉(zhuǎn)子永磁鐵磁極的勵(lì)磁磁鏈。 由三相靜止坐標(biāo)到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的坐標(biāo)變換矩陣為：電流、電壓、磁鏈方程： （5）（6）（7）PMSM的電磁轉(zhuǎn)矩方程的矢量形式可表示為即電磁轉(zhuǎn)矩等于電流空間矢量與定子磁鏈?zhǔn)噶康牟娣e，其中，pn為電機(jī)極對(duì)數(shù)。又因?yàn)椋海?）（9） 所以可以得到：（10）將（6）式帶入（10）式得：（11） 又圖4可知： 所以：（12） 式（12）中第一項(xiàng)是電機(jī)定子電流與永磁體勵(lì)磁磁場(chǎng)之間產(chǎn)