永磁同步电机的原理及结构

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第一章永磁同步电机的原理及结构

1.1永磁同步电机的基本工作原理

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，由于在转子上安装了永磁体，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，在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转，最终达到转子的旋转速度与定子中产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看成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始逐渐增大的，造成上诉的主要原因是其在异步转矩、永磁发电制动转矩、由转子磁路不对称而引起的磁阻转矩和单轴转矩等一系列的因素共同作用下而引起的，所以在这个过程中转速是振荡着上升的。在起动过程中，只有异步转矩是驱动性质的转矩，电动机就是以这转矩来得以加速的，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能会超过同步转速，而出现转速的超调现象。但经过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。

1.2永磁同步电机的结构

永磁同步电机主要是由转子、端盖、及定子等各部件组成的。一般来说，永磁同步电机的最大的特点是它的定子结构与普通的感应电机的结构非常非常的相似，主要是区别于转子的独特的结构与其它电机形成了差别。和常用的异步电机的最大不同则是转子的独特的结构，在转子上放有高质量的永磁体磁极。由于在转子上安放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

插入式，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结构。就面贴式、插入式和嵌入式而言，各种结构都各有其各自的优点。

a）面贴式b）插入式C）内嵌式

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拟的优点，例如其制造方便，转动惯性比较小以及结构很简单等。并且这种类型的永磁同步电机更加容易被设计师来进行对其的优化设计，其中最主要的方法是把气隙磁链的分布结构设计成近似正弦的分布，将其分布结构改成正弦分布后能够带来很多的优势，例如能减小磁场的谐波以及它所带来的负面效应，应用以上的方法能够很好的改善电机的运行性能。插入式结构的电机之所以能够跟面贴式的电机相比较有很大的改善是因为它充分的利用了它设计出的磁链的结构有着不对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，并且在也能很方便的制造出来，所以永磁同步电机的这种结构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。嵌入式的永磁同步电机中的永磁体是被安置在转子的内部，相比较而言其结构虽然比较复杂，但却有几个很明显的优点是毋庸置疑的，因为有高气隙的磁通密度，所以很明显的它跟面贴式的电机相比较就会产生很大的转矩；因为在转子永磁体的安装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能性就会很小，因此电机能够在更高的旋转速度下运行但是并不需要考虑转子中永磁体是否会因为离心力过大而被破坏。

为了体现永磁同步电机的优越性能，与传统异步电机来进行比较，永磁同步电机特别是最常用的稀土式的永磁同步电机具有结构简单，运行可靠性很高；体积非常的小，质量特别的轻；损耗也相对较少，效率也比较高；电机的形状以及大小可以灵活多样的变化等比较明显的优点。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，几乎遍及航空航天、国防、工农业的生产和日常生活等的各个领域。永磁同步电动机与感应电动机相比，可以考虑不输入无功励磁电流，因此可以非常明显的提高

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 可以不用风扇）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。

1.3永磁同步电机的数学特性

先对永磁同步电机的转速进行研究，在分析定子和转子的磁动势间的转速关系 时，假定转子的转速为n r/min,所以转子的磁动势相应的转速也为 n r/min ,所以定 一 Pn

一 子的电流相应的频率是f= ,因为定子旋转的磁动势的旋转速度是由定子上的电流

60

产生的，所以应为

60 f 60 Pn

n

P P 60

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，可以利用电动机的惯例来直接写出它的电 动势平衡方程式

所以可以得到以下公式

n ι

(1.1)

U=

E O jl d X d

j I q X q

(1.2)

对于永磁同步电机的功率而言,

的电磁功率为

同样根据发电机的惯例能够得到永磁同步电机

UE)

PM= m Sin

X

d

U 2

1

X

q

1 sin2

X

d

(1.3)

对于永磁同步电机的转矩而言,

在恒定的转速I 1下 ，转矩和功率是成正比的,

F M mUE ・ mU 1 T

Sln

V

1 1z

d 2 1 X q X d —Sir2-

(1.4

)

第二章 永磁同步电机物理模型开环仿真

2.1永磁同步电机模块及仿真

下面对永磁同步电机物理模型的开环进行仿真，在仿真之前先介绍各个单元模 块，以便于对模型进行更好的仿真。

2.1.1物理单元模块

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，包括有源逆变以及无源逆变。其中有源逆变的定义为当交流侧 连接电网时，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说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，它们是由电力电子器件及其 辅助电路组 成的。当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压U o 为正；当S1、S4断开，S2、 S3闭合时，U o 为负，其波形如图2-2所示。

UO

S1

io

Ud

S2

负载

Uo

S3

S4