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XX八一农垦大学课程报告

2011年6 月30 日

目录

1、永磁同步电机简介1

2、永磁同步电机工作原理1

3、永磁同步电机基本结构2

4、永磁同步电机的控制2

4.1永磁同步电动机伺服控制2

4.2 永磁同步电机矢量控制3

5、永磁同步电动机在工业中的应用4

6、永磁同步电动机的应用和发展8

7、心得体会11

参考文献12

附录13

1、永磁同步电机简介

永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的磁通替代后者的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用。同步电动机的转速是由定子电流交变频率和极对数决定的。在电励磁的同步电动机中,允许电动机在任何功率因数下工作。自控式调频方法从根本上解决了振荡、失步问题。因此,同步电动机变频调速的应用X围越来越广阔,在电气传动领域里占有相当大的比重。随着电机制造与控制技术的飞速发展,加之大规模集成电路、半导体功率器件和微处理器技术的进步,伺服技术作为自动化的基础技术,有了革命性的进步。再加上永磁铁的加入,使得电机的效率更高,体积更小,永磁同步电机的特点是用永磁体取代绕线式同步电机转子中的励磁绕组,从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，提高了电动机的效率和功率密度。因此永磁伺服电机得到了广泛的发展和应用。

2、永磁同步电机工作原理

当永磁同步电机通入由三相逆变器经脉宽调制获得的正弦交流电源后,电机的定子绕组会产生一个旋转磁场,它与转子永磁体磁钢所产生的磁场互相作用,产生一个与定子绕组旋转磁场方向一致的转矩。当电磁转矩克服了转子本身的惯量和由永磁体磁钢所产生的阻尼转矩时,电机就开始转动起来,并且不断加速,直至定子旋转磁场带动转子永磁体磁钢一起同步运行。为了获得最大转矩,输入到三相绕组的正弦波电压必,须使得定子磁通和转子磁通的夹角接近90°。为此,必须通过合适的电子控制来使得电机能够正常运行,而其中最重要的是获得转子的位置,转子的位置可以通过位置传感器来获得,也可以通过无传感器控制算法计算来获

得。

3、永磁同步电机基本结构

永磁同步电动机包括定子和转子两部分。永磁同步电动机的定子部分与一般同步电机的定子相同，定子铁心通常带有齿和槽的冲片叠成，在槽中嵌入交流绕组。当交流电流通入交流绕组时，在气隙中产生圆形磁场，带动转子同步旋转。其转子结构与异步电机的转子区别是多了一套永磁体。其结构随永磁材料性能不同和应用领域的差异而不同，根据剩磁密度Br和矫顽力Hc等技术参数的不同，而磁极结构不同。如图1-1所示为永磁同步电动机的表面式转子结构。其中表面凸出式，结构简单、制造成本较低、转动惯量小等优点，在矩形波永磁同步电动机和恒功率运行X围不宽的正弦波永磁同步电动机中得到了广泛应用。此外，表面凸出式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设计，使之成为能使电动机气隙磁密波形趋近于正弦波的磁极形状，可显著提高电动机乃至整个传动系统的性能。表面插入式，可充分利用转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩，提高电动机的功率密度，动态性能较凸出式有所改善，制造工艺也较简单，常被某些调速永磁同步电动机所采用。但漏磁系数和制造成本都较凸出式大。

1）凸出式2）插入式

1－永磁体2－转子铁心3－转轴

4、永磁同步电机的控制

4.1永磁同步电动机伺服控制

永磁同步电动机伺服系统的基本结构如图4-1所示。

图4-1 永磁同步伺服系统

其基本工作原理是通过转子位置传感器获得电机转子的位置信号和定子电流传感器获得的三相电流值后,送人到主控单元,控制器通过某种控制算法,并与系统给定信号进行比较,从而得到逆变器的六路PWM信号,实现了电机的自同步运行。

通过对伺服系统的分析,可以用matlab进行仿真,并进行测试。根据仿真的结果,可以方便得修改系统参数,或者认为加入不同扰动因素来考察不同实验条件下电机系统的动,静态性能,或者模拟相同的实验条件,比较不同控制策略的优劣,为分析和设计交流异步电机控制系统提供了有效的手段和工具,也为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。

4.2 永磁同步电机矢量控制

矢量控制的基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律。按磁场定向坐标,将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量,并使两分量互相垂直,彼此独立,然后分别进行调节。这样交流电动机的转矩控制。从原理和特性上就和直流电动机相似了。

矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能．而最终仍然是对定子电流的控制。由于在定子侧的各物理量,如电压、电流、电动势、磁动势都是交流量,其空

间矢量在空间以同步转速旋转,调节和控制都不容易。因此需要借助于坐标变换,使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系,这时各空间矢量就都变成了直

流量。电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量i

d 和产生转矩的转矩电流分量i

q

,

如图4-2所示,这样转矩和被控量定子电流之间的关系就一目了然。

图4-2.转矩和被控量定子电流之间的关系

永磁同步电机的矢量控制系统由四部分组成：1．位置、速度检测模块；2．转速环、电流环PI控制器；3．坐标变换模块；4．SVPWM模块和逆变模块。控制过程为：速度给定信号指令与检测到的转子速度相比较,经速度控制器的调节,输出I指令信号(电流控制器得给定信号)。同时,经过坐标变换后,定子反馈的三相电

流变为i

d ,i

q

,通过电流控制器使：i

d

=0,i

q

与给定的*

q

i相比较后,经过电流调节器的输出

为d,q轴的电压,经Park逆变换后为α、β电压。通过SVPWM模块输出六路PWM 驱动IGBT．产生可变频率和幅值的三相正弦电流输入电机定子。

5、永磁同步电动机在工业中的应用

现代工农业中的驱动电机常用的有交流异步电动机、有刷直流电动机和永磁同步电动机（包括无刷直流电动机）三大类，它们的综合特性比较见表1：

表1.三大类电动机的综合特性比较表

机械特性过载

能力

可控性平稳性噪声

电磁

干扰

维修

性

寿命体积效率成本

交流异步电动机软小难较差较大小易长大低低有刷直流电动机软大易较好大严重难短较小高较高