(完整word版)永磁电机

1.论述永磁电机相对于传统电励磁电机的优缺点
优点：
①取消了励磁系统，降低了损耗，提高了效率；
②取消了励磁绕组和励磁电源，结构简单，运行可靠；
③稀土永磁电机结构紧凑，体积小，重量轻；
④电机的尺寸和形状灵活多变；
⑤微型永磁直流电动机，由于结构工艺简单、质量减轻，总成本一般比电励磁电机低。

缺点：
①控制问题
由于永磁电机是靠永磁体建立机电能量转换所需，气隙磁场永磁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。

永磁发电机难以从外部调节其输出电压和功率因数，永磁直流电动机不能再用改变励磁的办法来调节其转速。

②不可逆退磁问题
如果设计或使用不当，永磁电机在过高（钕铁硼永磁）或过低（铁氧体永磁）温度时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或在剧烈的机械震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。

③成本问题
铁氧体永磁电机，特别是微型永磁直流电动机，由于结构工艺简单、质量减轻，总成本一般比电励磁电机低，因而得到了极为广泛的应用。

由于稀土永磁目前价格还比较贵，稀土永磁电机的成本一般比电励磁电机高，这需要用它的高性能和运行费用的节省来补偿。

2.画出永磁材料的特性曲线，并列出其主要参数
永磁材料的主要磁性能指标是：剩磁(Jr, Br)、矫顽力(bHc)、内禀矫顽力(jHc)、磁能积(BH)m。

我们通常所说的永磁材料的磁性能，指的就是这四项。

永磁材料的其它磁性能指标还有：居里温度(Tc)、可工作温度(Tw)、剩磁及内禀矫顽力的温度系数(Brθ, jHcθ)、回复导磁率(μrec.)、退磁曲线方形度( Hk/ jHc)、高温减磁性能以及磁性能的均一性等。

永磁材料的物理性能还包括密度、电导率、热导率、热膨胀系数等；机械性能则包括维氏硬度、抗压（拉）强度、冲击韧性等。

此外，永磁材料的性能指标中还有重要的一项，就是表面状态及其耐腐蚀性能。

磁能积曲线
(BH)max 退磁曲线上任何一点的B和H的乘积即Bm、 Hm和（BH）代表了磁铁在气隙空间所建立的磁能量密度，即气隙单位体积的静磁能量，由于这项能量等于磁铁Bm与Hm的乘积，因此称为磁能积，磁能积随B而变化的关系曲线称为磁能曲线，其中一点对应的Bd和Hd的乘积有最大值，称为最大磁能积。

回复线
回复磁导率：当永磁体处于外加磁场时，工作点为A；当去掉外加磁场是，工作点不是沿着退磁曲线变化，而是到一个新的位置A’。

如果循环改变外磁场，得到一个局部磁滞回线，由于其非常狭窄，故可以用一条直线代替，称为回复线，其斜率称为回复磁导率。

3.画出永磁材料的等效磁路，并写出其各元件的含义；
元件含义: φm是永磁体向外电路提供的每极总磁通；Fm是每对极磁路中永磁体两端向外磁路提供的磁动势；Λσ为漏磁导；φσ为漏磁通；Λδ为主磁导；φδ为主磁通；
4.什么是永磁电机的气隙系数、计算极弧系数和有效铁心长
度；
气隙系数：是考虑到电机开槽因槽口对气隙磁场的影响而引入的系数。

在一般微型直流电机的设计中常采用半闭口槽。

极弧系数：的物理意义是假想每极气隙磁通集中在计算极弧长度b′P范
围内,并认为在这个范围内气隙磁场均匀分布,其磁密等于最大值。

计算极弧系数即为极弧计算长度b′P与极距Σ之比:Α′P=b′P/Σ。

由于磁极形状和磁路结构的不同,影响电机气隙磁场的波形和计算极弧系数的因素也各不相同。

对于永磁电机,其计算极弧系数主要取决于计算极弧、气隙长度与极距的比值。

电枢铁心有效长度：电机是靠电磁感应工作的,因此除了线圈、鼠笼（或
用磁体）外,还需要有导磁物质,而且线圈之类的也需要有固定框架,人们通常用硅钢片叠起来做成圆柱体（内）、圆筒（外）,挖出槽,固定线圈或者磁铁等,它不仅起到固定作用还是磁的良导体,而且电阻率大,涡流损耗小.这些硅钢片叠加的厚度就是铁芯的长度。

而电枢铁心有效长度Lef的引入就是考虑了磁路计算中边缘效应对气隙磁通的影响。

利用磁场分析软件求解，可得到电枢绕组轴向长度范围内气隙磁密分布，进而得到电枢绕组轴向长度范围内磁通Φ和中心线出转子表面的气隙磁密Bδ，则电枢铁心的有效长度为 Lef=Φ/Bδ.
5.论述永磁直流电机的调速原理和调速方式，并与他励直流
电机比较；
调速原理：n=(Ua-RaIa)/(CΦ)
调速方式：
1、调压调速：保持励磁，保持电阻不变，改变电压，转速下降，机械特性曲线平行下移。

2、电枢回路串电阻调速：保持励磁，电压不变，增加电阻，转速下降，机械特性曲线变软。

3、弱磁调速：永磁电机永磁体不容易调磁，一般不采用。

他励直流电机调速方式：
1 、降低电枢电压调速（基速以下调速）
2 、电枢电路串电阻调速
3 、弱磁调速（基速以上调速）
调速方法特点：
1、降低电枢电压调速，电枢回路必须有可调压的直流电源，电枢回路及励磁回路电阻尽可能小，电压降低转速下降，人为特性硬度不变、运行转速稳定，可无级调速。

2、电枢回路串电阻调速，人为特性是一族过 n 。

的射线，串电阻越大，机械特性越软、转速越不稳定，低速时串电阻大，损耗能量也越多，效率变低。

调速范围受负载大小影响，负载大调速范围广，轻载调速范围小。

3、弱磁调速，一般直流电动机，为避免磁路过饱和只能弱磁不能强磁。

电枢电压保持额定值，电枢回路串接电阻减至最小，增加励磁回路电阻 Rf ，励磁电流和磁通减小，电动机转速随即升高，机械特性变软。

4、转速升高时，如负载转矩仍为额定值，则电动机功率将超过额定功率，电动机过载运行、这是不允许的，所以弱磁调速时，随着电动机转速的升高，负载转矩相应减小，属恒功率调速。

为避免电动机转子绕组受离心力过大而撤开损坏，弱磁调速时应注意电动机转速不超过允许限度。

6.永磁直流电机的电枢反应和他励直流电机有何异同；
1、控制问题永磁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。

永磁发电机难以从外部调节其输出电压和功率因数，永磁直流电动机不能再用改变励磁的办法来调节其转速。

2、不可逆退磁问题如果设计或使用不当，永磁电机在过高（钕铁硼永磁）或过低（铁氧体永磁）温度时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或在剧烈的机械震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。

3、成本问题铁氧体永磁电机，特别是微型永磁直流电动机，由于结构工艺简单、质量减轻，总成本一般比电励磁电机低，因而得到了极为广泛的应用。

由于稀土永磁目前价格还比较贵，稀土永磁电机的成本一般比电励磁电机高，这需要用它的高性能和运行费用的节省来补偿。

因此永磁电机适于小功率的场合。

励磁电机与永磁电机相比励磁电机控制简单、不怕振动、装配容易:只要控制励磁电流就可控制磁场强度，而励磁电流远小于电枢电流，所以励磁控制器简单、可靠性高，成本也低，通常用于大功率场合，如大型发电机、电动机。

7.论述永磁无刷直流机的工作原理，并画出三相六状态工作
方式下的控制主电路；
工作原理：
直流电动机是一种新型的机电一体化产品，主要由电动机主体和驱动器组成。

电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。

电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。

驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，它的主要功能是接受电动机的启动、停止的制动信号，用以控制电动机的启动、停止和制动；以及接受位置传感器信号和正反转信号，以控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等。

永磁直流电机的基本工作原理如下：
主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频5-26KHZ 调制波的对称交变矩形波。

首先永磁体的N-S交替交换，位置传感器产生相位差120°的U、V以及W 方波，结合正、反转信号产生有效的六状态编码信号:101、100、110、010、011、001，通过逻辑组件处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，T1-T6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。

在每种状态下，只有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电角度，转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电角度，如此循环，无刷直流电机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。

正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。

8.论述永磁直流机电磁因素引起转矩脉动的原因
这是由于定子电流和转子磁场相互作用而产生的转矩脉动．它与电流波形、感应电动势波形、气隙磁通密度的分布有着直接关系。

理想情况下，定子电流为方波，感应电动势为梯形波，平顶宽度为120°电角度，电磁转矩为恒值。

而实际电机中．由于设计和制造方面的原因．很难保持感应电动势为梯形波，或者平顶宽度不是120°电角度：或者由于转子位置检测和控制系统精度不够而造成感应电动势与电流不能保持严格同步；或者电流波形偏离方波，只能近似地按梯形波变化等。

这些因素的存在都会导致电磁转矩脉动的产生。

9.论述永磁直流机电流换向引起转矩脉动的原因
无刷直流电动机工作时．定子绕组按一定顺序换流。

由于各相绕组存在电感．阻碍电流的瞬时变化．每经过一个磁状态，电枢绕组中的电流从某一相切换到另一相时将引起电磁转矩的脉动。

抑制由电流换向引起的转矩脉动的方法有电流反馈法、滞环电流法、重叠换向法、脉宽调制(PwM)斩波法等。

10.比较永磁同步电机和永磁无刷直流机的异同
两者用的材料大体都一样,主要是设计上的不同。

一般无刷直流电机设计的时候,气隙磁场是方波的(梯形波)而且平顶的部分越平越好,因此在极对数选择上一般选取整数槽集中绕组例如4极12槽,并且磁钢一般是同心的扇形环,径向冲磁。

并且一般装Hall传感器来检测位置和速度,驱动方式一般是六步方波驱动,用于位置要求不是很高的场合。

永磁同步电机是正弦波气隙, 越正弦越好,因此极对数上选择分数槽绕组,如4极15槽,10极12槽等,磁钢一般是面包形,平行充磁, 传感器一般配置增量型编码器,旋转变压器,绝对编码器等。

驱动i方式一般采用正弦波驱动,如FOC 算法等.用于伺服场合。

可以从内部结构, 传感器, 驱动器,以及应用场合判别。

这种电机也可以互换使用,不过会使性能下降。

对于大多数气隙波形介于两者之间永磁电机,主要看驱动方式。

无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢，经过磁路设计，可以获得梯形波的气隙磁密，定子绕组多采用集中整距绕组，因此感应反电动势也是梯形波的。

无刷直流电机的控制需要位置信息反馈，必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术，构成自控式的调速系统。

控制时各相电流也尽量控制成方波，逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。

本质上，无刷直流电动机也是一种永磁同步电动机，调速实际也属于变压变频调速范畴。

通常说的永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。

永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制策略。

两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。

BLDC和PMSM的差别有时候取决于应用，传统的说法是他们的反电动势不同，BLDC接近于方波，PMSM接近于正弦波。

控制上来说BLDC一般使用6节拍的方波驱动，控制方波的相位和倒通时间，PMSM采用FOC。

性能上来说BLDC的输出功率密度会大点，因为BLDC的转矩充分利用了谐波，也因此BLDC的谐波会严重点。

1、无刷直流电机的电机本体：
定子绕组为集中绕组，永磁转子形成方波磁场；永磁同步电机的电机本体：定子绕组为分布绕组，永磁转子形成正玄磁场；
2、无刷直流电机的位置传感器：
低分辨率，60度分辨率，霍尔元件，电磁式、光电式；永磁同步电机的位置传感器：高分辨率，1/256,1/1024，旋转变压器，光码盘；
3、控制不同：
无刷直流电机：120度方波电流，采用PWM控制。

永磁同步电机：正玄波电流，采用SPWM、SVPWM控制。

无刷直流电机：磁钢为方波充磁，控制电压PWM也为方波，电流也为方波。

一个电周期有6个空间矢量。

控制简单，成本低，一般的MCU就可实现。

永磁同步电机：磁钢为正弦波充磁，反电动势也为正弦波，电流也为正弦波。

一般采用矢量控制技术，一个电周期一般最少会有18个矢量（当然越多越好），需要高性能的MCU或DSP才能实现。

直流伺服：这个范围就很广了啊。

直流伺服，指直流电机再控制系统的控制下，根据控制指令（转速、位置、角度等）来进行动作，一般用于执行机构。

一、传感器的不同：
直流无刷电机(BLDC)：位置传感器，如霍尔等；
永磁同步电机(PMSM)：速度和位置传感器，如旋转变压器、光电编码器等；
二、反电势波形不同：
BLDC ：近似梯形波（理想状态）；
PMSM ：正弦波（理想状态
三、三相电流波形不同：
BLDC ：近似方波或梯形波（理想状态）；
PMSM ：正弦波（理想状态
四、控制系统的区别：
BLDC：通常包括位置控制器、速度控制器和电流（转矩）控制器；
PMSM：不同控制策略的会有不同的控制系统；
五、设计的原理与方法上的区别：
BLDC：尽量拓宽反电势波形的宽度（使之近似为梯行波）；
PMSM：使反电势接近与正弦波；
体现在设计上主要是定子绕组、转子结构（如极弧系数）上的区别。

11.永磁同步电机Xd和Xq的大小关系如何？为什么？
电抗参数对同步发电机的性能和特性影响很大。

电抗之间有如下关系：
Xd= Xad+X Xd=Xaq+X
式中
Xad——直轴电枢反应感抗；
Xaq——交轴电枢反应电抗；
Xd——直轴同步电抗；
Xq——交轴同步电抗；
Xa——漏抗。

直轴电枢反应电抗是指单位直轴电流在直轴磁路产生的交变磁链在电枢绕组中感应电势的大小。

其他电抗的物理意义与其类似。

从电抗的物理意义出发，根据稀土永磁发电机的磁炉特点，其电抗参数与电励磁同步发电机有两点重要区别。

12.画出永磁同步电机Id=0时的向量图
13.论述永磁同步电机矢量控制的原理
矢量控制的基本思想是在三相永磁同步电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分量分解成产生磁通的励磁电流分量id和产生转矩的转矩电流iq分量，并使两分量互相垂直，彼此独立。

当给定Id=0，这时根据电机的转矩公式可以得到转矩与主磁通和iq乘积成正比。

由于给定Id=0，那么主磁通就基本恒定，这样只要调节电流转矩分量iq就可以像控制直流电动机一样控制永磁同步电机。

矢量控制的基本思想是在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成两个相互垂直，彼此独立的矢量id(产生磁通的励磁电流分量)和iq(产生转矩的转矩电流分量)，也就是说，控制id和iq便可以控制电动机的转矩。

通过上面的简化过程可以看出，只要准确地检测出转子空间位置的θ角，并通过控制逆变器使三相定子的合成电流(磁动势)位于q轴上，那么，通过控制定子电流的幅值，就能很好地控制电磁转矩。

14.论述永磁同步电机单位电流转矩最大控制策略原理，并画出控制框图
此种控制方法又叫做单位电流输出最大转矩的控制，通过控制id和iq来获得最大转矩。

在凸极永磁同步电机里此种方法的应用很广泛。

因为在转矩一定的情况下，此种方法所需的定子电流最小，所以损耗会降低，这对变流器开关器件的正常工作是很有利的，能很好的提高效率。

基于这个优点，在永磁同步电机领域本方法比较适用。

但本方法也存在一定的不足，随着输出转矩的增大功率因数会下降比较快。

在电机的控制中可以运用id0的控制方法，但是此种方法只适用于正弦波表面式永磁电动机(SPM)，因为id0的控制方法忽略了磁阻转矩的作用，而此种电机的Ld Lq，即隐极式的电机，其磁阻转矩不明显所以适用。

但此种方法对于凸极永磁同步电机来说并不是最好的控制方法。

所以就自然而然出现了最大转矩电流比的控制方法来与凸极永磁同步电机相匹配。

控制框图：
永磁电机课程作业
指导老师：黄嵩
班级：2012级1班
姓名：王杉
学号：20123930。