maxwell软件- 调速永磁同步电机

13调速永磁同步电机在用户已经掌握RMxprt 基本使用的前提下，我们将一些过程简化，以便介绍一些更高级的使用。

有关RMxprt 的详细介绍请参考第一部分的章节。

13.1基本原理调速永磁同步电机的转子转速是通过调节输入电压的频率来控制的。

与标准的直流无刷电机不同，这种电机不需要位置传感器。

永磁同步电机的转子上安装永磁体（有内转子与外转子之分），定子上嵌有多相电枢绕组，其极数与转子相同。

永磁同步电机既可用作发电机，也可用作电动机。

当电机工作在电动状态时，定子多相绕组可由正弦交流电源供电或由直流电源经DC/AC 变换来供电。

当电机工作在发电状态时，定子多相绕组为负载提供交流电源。

13.1.1 定子绕组正弦交流电源供电永磁同步电机分析方法与三相凸极同步电机相同，电机既可工作在发电状态也可工作在电动状态，通常采用频域矢量图来分析电机的特性。

电机发电状态矢量图如图13.1a ，电机电动状态矢量图如图13.1b 。

发电机b. 电动机图13.1 同步电机相量图图13.1中，R 1、X d 、X q 分别为定子电枢的电阻、d 轴同步电抗和q 轴同步电抗。

aq1q ad 1d X X X X X X +=+=(13.1)上式中，X 1为电枢绕组漏电抗，X ad 和X aq 分别为d 轴电枢反应电抗和q 轴电枢反应电抗。

以输入电压U 为参考矢量， I 滞后U 的角度为φ， 称φ为功率因数角， 则电流矢量为：ϕ-∠=I I(13.2)令I 滞后E 0的角度为ψ。

则可得d 轴和q 轴的电流为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=ψψcos sin I I I q d I (13.3)所以：qd 1I I -=tan ψ (13.4)13.1.1.1 发电机模型在图13.1a ，OM 所代表的矢量可表示为：)j j (aq 11X X R OM +++=I U (13.5)OM 所代表的矢量可用来确定E 0的位置。

令U 滞后E 0的角度为θ，对于发电机称θ为功角，则角度ψ为θϕψ+=(13.6)对于给定的功角θ，我们有；⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡-θθsin cos U U E I I X R R X 0q d q 11d (13.7)求得I d 和I q 为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+-+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡θθθθsin )cos (sin )cos (U X U E R U R U E X X X R 1I I d 0110q qd 21q d(17.8)功率角φ：θψϕ-=(13.9)输出电功率：ϕcos UI 3P 2=(13.10)输入机械功率：)(Fe Cua fw 21P P P P P +++= (13.11)式中P fw 、P Cua 、P Fe 分别为风摩损耗、电枢铜损和铁心损耗输入机械转矩：ω11P T =(13.12)ω为同步角速度rad/s13.1.1.2 电动机模型在图13.1， OM 所代表的矢量可表示为：)j j (aq 11X X R OM ++-=I U (13.5’)OM 所代表的矢量可用来确定E 0的位置。

令E 0滞后U 的角度为θ，对于电动机称θ为转矩角，则角度ψ为θϕψ-=(13.6’)对于给定的转矩角θ， 我们有；⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡-θθsin cos U E U I I X R R X 0q d q 11d (13.7’)求得I d 和I q 为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+-+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡θθθθsin )cos (sin )cos (U X E U R U R E U X X X R 1I I d 0110q qd 21q d(13.8’)功率因数角φ：θψϕ+=(13.9’)输入电功率：ϕcos UI 3P 1=(13.10’)输出机械功率：)(Fe Cua fw 12P P P P P ++-= (13.11’)式中P fw 、P Cua 、P Fe 分别为风摩损耗、电枢铜损和铁心损耗输出机械转矩： ω22P T =(13.12’)ω为同步角速度rad/s电机效率：%100P P 12⨯=η(13.13’)13.1.2 定子绕组由DC/AC 逆变器供电这种情况下，调速永磁同步电机工作在电动机状态，其分析方法与直流无刷电动机相似。

为了在气隙中产生旋转磁场，定子多相绕组被联结在DC/AC 逆变器上。

调速永磁同步电机与直流无刷电动机的主要区别如下：在无刷永磁直流电动机中， 触发时间完全由转子位置决定，但是在永磁同步电机中，触发时间完全与转子位置无关。

对于无刷永磁直流电动机，如果机械负载增加，则转速和感应电压下降，引起电枢电流和转矩的增加以平衡增加的机械负载。

然而，对于调速永磁同步电机， 如果机械负载增加， 则转速短时下降，这将引起转矩角(等同与无刷永磁直流电动机中的触发导通角)增加，从而使转矩增加来保持转速不变。

因此，无刷永磁直流电动机的转速随输入电压和机械负载变化，而永磁同步电机的转速则不是这样。

调速永磁同步电机的转速可以通过改变控制信号的频率来实现，这就是我们称其为调速永磁同步电机的原因。

采用时域数学模型来分析电机的特性。

派克电压方程如下：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡++-+=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡0q d 01q 1e d e q d 10q d 0q d i i i L R 000L R L 0L L R e e e u u u p p pωω (13.14)其中R 1电枢绕组电阻，L d ,、L q 和L 0分别是d 轴，q 轴和0轴电感，ωe 是电角速度，其单位为rad/s ，微分算子是t d d p =(13.15)端电压、感应电势、电枢绕组电流的坐标变换方程如下：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡0q d b a b a T 0q d b a T 0q d i i i i i e e e e e u u u u u C C C :,:,: (13.16)两相，三相和四相的变换矩阵C 2，C 3和C 4分别为⎥⎦⎤⎢⎣⎡=002θθθθcos sin sin cos C(13.17a)⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡----=21222121323)sin()cos()sin()cos(sin cos αθαθαθαθθθC (13.17b)⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡----=00004θθθθθθθθcos sin sin cos cos sin sin cos C(13.17c)其中：πα32= (13.18)输入电功率功率：⎰++=T00q q d d 1ti u i u i u T 1P 0d )( (13.10″)输出机械功率：)(t Fe Cua fw 12P P P P P P +++-= (13.11″)式中P fw 、P Cua 、P Fe 和P t 分别为风摩损耗、电枢铜损、铁心损耗和开关损耗。

输出机械转矩和效率可由公式(13.12)和(13.13)计算得到。

13.2 主要特点13.2.1 对同步电动机和同步发电机均适用永磁同步电动机和永磁同步发电机结构基本相同，但相量关系和计算方法有些差别，输出性能数据也有所不同，这些将在设计中详细说明。

13.2.2 适用于内转子结构和外转子结构永磁同步电机的永久磁钢安装在转子上，内转子为常见结构。

当用于车辆驱动时，则多为外转子结构。

RMxprt 能适用于这两类转子结构的永磁同步电机设计。

13.2.3 五种常用的转子结构适用于五种常用的转子结构。

13.2.4 适用于六种绕组连接和开关电路的组合永磁同步电机的定子为多相绕组，最常用的是两相、三相和四相。

绕组联结有Y、X、△、◇等多种方式。

开关电路一般为桥式或星形。

RMxprt 可对六种最常用的绕组和开关电路组合进行设计。

13.2.5 适用于常见的三种外接电源对于永磁同步电动机常用的三种开关电源类型（DC、PWM、Sine Wave），RMxprt 都予以支持。

13.2.6线圈和绕组的排布优化设计当设计者采用全极式单层绕组时，RMxprt将自动对绕组按链式或交叉式进行排布，以减少绕组端部长度13.2.7支持任何单、双层绕组设计的绕组编辑器对于具有交流多相绕组的电机，除常用的链式、叠式、同心式和交叉式单、双层绕组外，RMxprt 提供一种非常灵活的绕组编辑器，使用户可以根据自己的需要，设计出各种特殊绕组。

如单双层混合式绕组、大小相带变极多速绕组、三相正弦绕组等。

在绕组编辑器中，通过改变每个线圈的相属、匝数、入边槽号和出边槽号，可排布出任意所需的单、双层绕组分布形式。

13.2.8 分析气隙磁场分布对于均匀气隙和非均匀气隙（磁极偏心），都能通过许克变换求解气隙磁场的分布。

13.3 设计调速永磁同步电机这一节, 我们将演示永磁同步电机设计的一般流程。

点击Start>Programs>Ansoft>Maxwell 12>Maxwell 12从桌面进入Maxwell界面。

从RMxprt主菜单条中点击File>New新建一个空白的Maxwell工程文件Project1。

从RMxprt主菜单栏中点击Project>Insert RMxprt Design。

在Select Machine Type 会话框中选择Adjust-Speed Synchronous Machine，然后点击OK返回RMxprt主窗口。

这样就添加一个新的RMxprt设计。

从RMxprt菜单栏中点击File>Save。

如果想把项目另存为PMSG_4p50Hz550W.mxwl，可从下拉菜单选择Save As然后点击Save返回RMxprt 主窗口。

(参见3.2.6设置默认的项目路径)分析这个算例，需要做以下几项设置：1. 设置模型单位(参考章节2.3.2.7设置模型单位)：2. 配置RMxprt 材料库(参考章节3.4.1配置材料库)：3. 编辑线规库(参考章节3.3.2 到3.3.6)：当选择Adjust-Speed Synchronous Machine做为电机模型时，必须输入如下几项：1. General data. （基本性能数据）2. Stator data. （定子数据）3. Rotor data. （转子数据）4. Solution data. （解算数据）13.3.1 主要性能数据在项目树中双击Machine图标，显示Properties对话框，如图13.2。

图13.2主要性能数据1. Machine Type：调速永磁同步电机.2. Number of Poles：极数3. Rotor Position：转子位置。