永磁同步电动机
永磁同步电动机的工作原理
永磁同步电动机的工作原理
永磁同步电动机是一种利用永磁体产生磁场与电流产生的磁场之间的相互作用来实现电动机工作的电机。
其工作原理如下：
1. 永磁体磁通产生：在永磁同步电动机内，通过一组永磁体（通常为强大的永磁体磁铁）产生持久稳定的磁通，这个磁场是固定的，不需要外部电源。
2. 定子产生旋转磁场：在电动机的定子中通过三相交流电源输入三相电流，产生旋转磁场。
这个旋转磁场的频率和大小由输入电源的电压和频率决定。
3. 磁场相互作用：永磁体产生的稳定磁场与旋转磁场相互作用产生转矩。
旋转磁场的磁场分布会推动永磁体内的磁场旋转，从而使电动机动起来。
4. 运动控制：通过控制电动机输入的电流频率和幅值，可以调整旋转磁场的磁场分布，实现对电动机运动的控制。
通过调整电流频率和幅值，可以改变磁场相互作用的方式，从而实现调速、定位等功能。
总结起来，永磁同步电动机的工作原理是通过永磁体产生的稳定磁场与电流产生的旋转磁场相互作用，从而产生转矩，驱动电动机工作。
控制电流的频率和幅值可以实现对电动机运动的精确控制。
永磁同步电机的通俗定义
永磁同步电机的通俗定义
永磁同步电机是一种利用永磁体产生磁场与电流磁场相互作用而产生运动的电动机。
通俗来说，它是一种利用永磁体产生磁场，通过电流在电磁线圈中产生磁场，与永磁体的磁场相互作用，从而驱动转子运动的电动机。
永磁同步电机通常由永磁体和电磁线圈组成，永磁体在转子上固定，电磁线圈在定子上固定。
由于采用永磁体提供励磁，因此省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性。
同时，由于无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。
永磁同步电机广泛应用于电动汽车、工业生产设备、船舶、风力发电机等领域，其高效、低噪音、低振动、高功率密度等特点受到广泛关注。
其控制方法主要包括FOC（磁场定向控制）和DTC（直接转矩控制）两种。
如需了解更多信息，可以阅读电机相关书籍或请教电机专业人士。
永磁同步电动机的结构
永磁同步电动机的结构永磁同步电动机，这个名字听起来挺高大上的吧？它就像一位隐形的英雄，在我们的日常生活中默默奉献。
想象一下，你早上起床，咖啡机在旁边“嗡嗡”作响，洗衣机也在努力地旋转，它们可都是靠这个家伙在背后“撑场子”。
说到永磁同步电动机的结构，那真是一门学问，咱们来聊聊吧。
永磁同步电动机的核心部分是转子。
这家伙就像电动机的心脏，负责旋转，给力！转子里有一圈圈的永磁体，像小太阳一样，散发着磁场。
这个磁场和定子产生的磁场相互作用，转子就开始转起来了。
哎，这个过程就像一场舞蹈，转子和定子的配合简直天衣无缝，让人忍不住想给它们点赞。
想象一下，你在舞会上，和舞伴配合得如此默契，真是让人心潮澎湃啊。
再说说定子，定子就像是一个稳重的大叔，虽然不动，但却非常重要。
它里面绕着很多线圈，通电后就能产生变化的磁场。
这个磁场就像是一道无形的力量，推动着转子的旋转。
很多人可能不知道，这些线圈的布置可是经过精心设计的，就像是拼图游戏，每个部分都得恰到好处，才能发挥最佳效果。
想象一下，定子就像是在和转子打无声的信号战，每一次电流的变化都是一次交互，简直像是在玩“你追我赶”的游戏，既刺激又有趣。
永磁同步电动机还有一个关键的部件，那就是电源。
电源就像是电动机的粮食，提供能量，让它们活力四射。
我们用的都是交流电，这样转子和定子的磁场才能不停地变化，让转子一直保持旋转。
这就像是给一只小狗喂食，喂得越好，它就越活泼，越听话。
电源稳定，电动机才能稳定运转，真是一荣俱荣、一损俱损的道理。
有趣的是，永磁同步电动机的结构相对简单，维护也比较容易。
这就像是你买了一辆车，发动机不复杂，保养起来省心多了。
很多人认为电动机就应该复杂，实际上，越简单越好。
就像有些事情，看似简单，做起来却得心应手，越琢磨越觉得它的美妙。
大家也知道，越简单的东西，往往越容易被忽视，但它们在关键时刻却能展现出非凡的能力。
别忘了，永磁同步电动机的效率可是杠杠的。
相较于传统的电动机，它能把电能转化为机械能的效率大大提高，这就像是你去跑步，跑得更快更省力，简直太棒了。
永磁同步电机能效等级
永磁同步电机能效等级
永磁同步电机是一种高效率的电机类型，其能效等级通常根据国际标准IEC 60034-30-1进行评定。
根据该标准，永磁同步电机的能效等级分为以下几个级别：
IE1级：标准效率级别，通常为传统的非高效电机，效率较低。
IE2级：高效级别，相对于IE1级，具有更高的效率。
这些电机在节能方面有一定的改进。
IE3级：超高效级别，相对于IE2级，具有更高的效率。
这些电机在节能方面有显著的改进。
IE4级：超高效级别，是目前最高的能效等级。
这些电机在节能方面具有最佳的性能，效率非常高。
根据欧洲联盟的要求，从2017年开始，欧洲市场上销售的三相电机功率范围为0.75千瓦至375千瓦的电机必须符合IE3级或更高的能效等级。
而在中国，根据《电动机能效限定值及能效等级》标准，从2019年开始，销售的三相异步电动机功率范围为0.75千瓦至375千瓦的电机必须符合IE3级或更高的能效等级。
需要注意的是，永磁同步电机由于其自身的设计和特性，通常具有较高的效率，因此在实际应用中，往往能够达到IE4级或更高的能效等级。
这使得永磁同步电机成为许多领域中的首选电机类型，以提高能源利用效率和降低能源消耗。
永磁同步电动机工作原理
永磁同步电动机工作原理一、简介永磁同步电动机是一种常见的电动机类型，其工作原理基于磁场相互作用以实现机械能转换。
本文将详细探讨永磁同步电动机的工作原理以及相关技术。
1.1 永磁同步电动机的定义永磁同步电动机，简称PMSM（Permanent Magnet Synchronous Motor），是一种将电能转换为机械能的设备。
它与其他类型的电动机相比，具有高效率、高功率密度和低噪声等优点，因此被广泛应用于各个领域。
1.2 磁场相互作用的原理永磁同步电动机利用磁场相互作用的原理进行工作。
通过在电动机中引入磁场，可以实现电能向机械能的转化。
二、永磁同步电动机的工作原理永磁同步电动机的工作原理可以分为以下几个方面进行探讨。
2.1 基本原理永磁同步电动机的基本原理是利用定子和转子之间的磁场相互作用，实现电能向机械能的转化。
其工作原理如下： 1. 定子：定子是由三个相互独立的线圈组成，分别称为A相、B相和C相。
每个线圈中通过电流，生成相应的磁场。
2. 转子：转子上有一组恒定的永磁体，能够产生固定的磁场。
当转子与定子的磁场相互作用时，将产生转矩，驱动电动机旋转。
2.2 磁场同步永磁同步电动机的磁场同步是指定子磁场与转子磁场的同步运动。
在永磁同步电动机中，通过控制定子线圈的电流，使得定子磁场与转子磁场保持同步，从而实现高效率的转换。
2.3 传感器与无传感器控制永磁同步电动机的控制方式有两种：传感器控制和无传感器控制。
1. 传感器控制：传感器控制是指通过安装角度传感器来反馈电动机的转子位置，从而实现对电动机的控制。
传感器控制具有高精度的优点，但需要额外的硬件成本。
2. 无传感器控制：无传感器控制是一种通过估算电动机转子位置的方法进行控制。
它是基于电动机本身的响应特性，通过电流和电压等参数的计算，估算电动机转子位置。
无传感器控制降低了硬件成本，但精度较传感器控制有所降低。
2.4 磁场定向控制（FOC）磁场定向控制是一种常见的永磁同步电动机控制策略，它通过控制定子线圈的电流，使得定子磁场与转子磁场保持同步，并使定子磁场沿着转子磁场旋转的方向变化。
永磁同步电动机原理与分析
U2Ud2Uq2Um2 ax
其中，Ud Usin ，Uq Ucos 。（参考图10.5)
（10-13）
忽略定子绕组电阻,并根据内置PMSM的相量图,则有:
将上式以及
E0 1f
Ud E0 xdId Uq xqIq
代入式(10-13)得:
（10-14）
(LdId f)2(LqIq)2(Um )a2x 1
B、电压平衡方程式与相量图
U E 0 ra I ajd x I djq x I q
（10-3）
图10.5 正弦波内置永磁同步电动机的时空相量图
C、矩角特性
Tem
mE0U xd 1
sin
1 2
mU2 1
(1 xq
1 xd
) s in 2
mpE0U sin 1 mpU2 ( 1 1 )sin2
根据相量图10.3,可得:
输入功率: P 1 m a c U o m I a s ( E 0 I c o r a I a s )
（10-5）
电磁功率:
电磁转矩:
结论:
Pe mP1pc uaP1maI2ra m0EIac o s
T e m P e1m m10 pIaE co sm p fIaco s
（10-6）
对表面永磁同步电动机, f =常数,当保持内功率因数角 固定不变,通过控制定子绕组相电流的幅值便可以调整表面永磁
PMSM的电磁转矩。 完当全相同0(见（图亦1即0.8E)E.0故0与自I a 控同式相正）弦时波,上表式面与永直磁流PM电S机M的有转时矩也特称性为 无刷直流电动机.
图10.8 正弦波表面永磁同步电动机的相量图(当 0 时）
根据式（10-6）以及结构特点，得正弦波表面永磁PMSM的控制方案如下：
举例永磁同步电动机的应用
举例永磁同步电动机的应用
永磁同步电动机是一种高效、可靠的电动机，广泛应用于工业和交通领域。
以下是一些永磁同步电动机的应用举例：
1. 汽车驱动：永磁同步电动机被广泛应用于电动汽车，因为它们具有高效、高转矩和轻巧的特点。
它们可以通过电池或燃料电池进行供电，提供持续的动力和最佳的能源利用率。
2. 工业机械：永磁同步电动机也被广泛应用于各种工业机械，如泵、风机、压缩机、机床等。
这些电动机具有高效、节能、低噪音和高精度控制等优点，可以提高生产效率和产品质量。
3. 轨道交通：永磁同步电动机也是地铁、高铁、有轨电车等轨道交通的重要组成部分。
它们可以提供高效、安全、稳定的牵引力，同时具有低噪音和低振动的特点，保证了乘客的乘坐舒适性。
4. 风力发电：永磁同步电动机也被广泛应用于风力发电。
它们可以将风能转化为电能，具有高效、可靠和低维护成本等优点。
它们可以在风力较弱的情况下运行，并且可以通过变速器调节输出功率。
总之，永磁同步电动机作为一种高效、可靠的电动机，具有广泛的应用前景。
未来随着科技的发展，它们的应用范围还将不断扩大。
- 1 -。
《永磁同步电动机》课件
面临的挑战与解决方案
成本问题
随着高性能永磁材料价格的上涨，永磁同步电动机的成本 也随之增加。解决方案包括采用替代性材料、优化设计等 降低成本。
控制精度问题
在某些高精度应用场景中，永磁同步电动机的控制精度仍 需提高。解决方案包括采用先进的控制算法和传感器技术 提高控制精度。
可靠性问题
在高温、高湿等恶劣环境下，永磁同步电动机的可靠性可 能会受到影响。解决方案包括加强散热设计、提高材料耐 久性等提高可靠性。
总结词
风力发电系统中应用永磁同步电动机，具有 高效、可靠、低噪音等优点。
详细描述
风力发电系统需要能够在风能不稳定的情况 下高效、可靠运行的电机，永磁同步电动机 能够满足这些要求。其高效、可靠、低噪音 的特性使得风力发电系统在能源利用效率和
可靠性方面具有显著优势。
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工作原理
永磁同步电动机通过控制器调节电机电流，使电机转子与定子磁场保持同步， 从而实现电机的运转。其工作原理基于磁场定向控制和矢量控制技术。
种类与特点
种类
永磁同步电动机根据结构可分为 表面贴装式、内置式和无铁心式 等类型。
特点
永磁同步电动机具有效率高、节 能效果好、运行稳定、维护方便 等优点，广泛应用于工业自动化 、新能源、电动汽车等领域。
05
CATALOGUE
永磁同步电动机的发展趋势与挑战
技术发展趋势
高效能化
随着技术的不断进步，永磁同步电动机的效率和性能不断提升， 能够满足更多高效率、高负载的应用需求。
智能化
随着物联网、传感器等技术的发展，永磁同步电动机的智能化水平 不断提高，可以实现远程监控、故障诊断等功能。
紧凑化
为了适应空间受限的应用场景，永磁同步电动机的尺寸和重量不断 减小，同时保持高性能。
永磁同步电动机系统原理
永磁同步电动机系统原理永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）是一种采用永磁体作为励磁源的同步电动机。
与传统的交流感应电动机相比，永磁同步电动机具有更高的效率和功率因数，更快的响应速度和更高的转矩密度。
它在许多领域，如交通工具、工业机械和家用电器中得到了广泛应用。
1.永磁同步电动机结构2.变流器变流器是永磁同步电动机系统的关键部分，用于将直流电源的能量转换为交流电能。
它包括整流单元、逆变单元和滤波电路。
整流单元将交流电源转换为直流电源，逆变单元将直流电源逆变为供给电动机的交流电源。
3.控制系统控制系统负责对永磁同步电动机系统的运行进行控制。
它将传感器得到的电机转速、转矩等信号传递给控制器，并根据系统的工作状态来控制变流器的工作。
控制系统根据需求控制电机的转速和转矩，确保电动机在不同负载条件下的稳定运行。
4.工作原理在永磁同步电动机系统中，控制器会根据传感器传递的信号计算出电机的转速和转矩。
然后，控制器会遵循特定的控制算法，调整变流器的输出电压和频率，以确保电机的转矩和速度与期望值匹配。
当电动机开始运行时，变流器通过向定子绕组加载相应的电流，产生旋转磁场。
永磁体上的永磁场会与定子绕组中的电流产生的磁场相互作用，从而在转子上形成一个旋转磁场。
转子上的磁场会随着旋转，而永磁体保持其磁场方向不变。
这种磁场的相对运动产生了电磁转矩，推动转子旋转。
同时，定子绕组中的交变磁场也会感应出其中一种电势，控制器通过调整变流器的输出电压和频率来保持电势稳定。
通过控制变流器输出的电流和频率，可以实现电动机的速度和转矩控制。
例如，增大电流可以增加电机的转矩，增大频率可以增加电机的速度。
控制器会通过对变流器的电压和频率进行调整，从而使电动机能够满足不同工况下的需求。
总结：永磁同步电动机系统通过使用永磁体作为励磁源，结合功率电子变流器和控制系统，实现对电机速度和转矩的精确控制。
《永磁同步电机》课件
contents
目录
• 永磁同步电机概述 • 永磁同步电机的设计与优化 • 永磁同步电机的控制技术 • 永磁同步电机的应用实例 • 永磁同步电机的挑战与展望
01
永磁同步电机概述
定义与工作原理
定义
永磁同步电机是一种利用永久磁体产 生磁场，通过控制器对电机电流的精 确控制实现电机转子和定子磁场同步 运行的电动机。
电动汽车驱动系统
01
电动汽车驱动系统是永磁同步电机的重要应用领域之
一。
02
永磁同步电机具有高效、可靠、低噪音等优点，能够
提高电动汽车的续航里程和性能。
03
在电动汽车驱动系统中，永磁同步电机可以作为主驱
电机，提供动力输出，实现车辆的加速和减速控制。
工业自动化设备
工业自动化设备是永磁同步电 机的另一个重要应用领域。
内运行。
噪声与振动分析
03
对电机运行过程中的噪声和振动进行测试和分析，以评估其运
行平稳性。
03
永磁同步电机的控制技 术
控制策略
PID控制
传统的控制方法，通过 比例、积分、微分三个
参数调整电机性能。
模糊控制
基于模糊逻辑的方法， 处理不确定性和非线性
问题。
神经网络控制
模仿人脑神经元网络， 处理复杂的模式和预测
02
永磁同步电机的设计与 优化
电机设计
磁路设计
根据电机性能要求，选择合适的磁路结构，如径 向、轴向或横向磁路。
绕组设计
根据电机尺寸和功率要求，设计绕组的匝数、线 径和绕组方式。
冷却系统设计
为确保电机长时间稳定运行，需设计有效的冷却 系统，如风冷或水冷。
永磁同步电动机工作原理
永磁同步电动机工作原理
永磁同步电动机是一种利用永磁体产生磁场与电流产生的磁场相互作用从而进行能量转换的电动机。
它工作的原理如下：
1. 永磁体磁场：永磁同步电动机中的永磁体产生一个恒定的磁场。
这个磁场由永磁体产生的磁力线组成，它们具有固定的方向和大小。
2. 定子磁场：在电动机的定子中通入三相对称的电流，从而在定子绕组中产生一个旋转磁场。
这个磁场的方向和大小随时间而变化，从而形成一个旋转的磁场。
3. 磁场相互作用：当永磁体的磁场与旋转磁场相遇时，由于两者的磁场方向和大小是相互匹配的，永磁体和旋转磁场之间会发生相互作用。
4. 产生力矩：由于磁场相互作用，永磁体和旋转磁场之间产生了力矩。
这个力矩使得永磁体开始旋转，并从电能转化为机械能。
同时，旋转磁场也会受到永磁体的力矩作用，使其保持旋转。
5. 实现同步：当电动机的转子旋转速度与定子旋转磁场的频率相匹配时，永磁体会与旋转磁场保持同步运转。
这种同步运转可以确保电动机的稳定性和高效性。
综上所述，永磁同步电动机的工作原理是通过利用永磁体产生
的磁场与旋转磁场的相互作用来实现能量转换，从而将电能转化为机械能。
永磁同步电机
二、永磁同步电动机的转子磁路结构
1. 表面式转子磁路结构 2. 内置式转子磁路结构 3. 爪极式转子磁路结构 4. 隔磁措施
1、表面式转子磁路结构
N
N
S
S
SN
NS
SN
NS
S N
(a)凸出式（隐极结构）
S N
(b)插入式（凸极结构）
1、表面式转子磁路结构
对采用稀土永磁的电机来说，由于永 磁材料的相对回复磁导率接近1，所以表 面凸出式转于在电磁性能上属于隐极转子 结构；而表面插入式转子的相邻两永磁磁 极间有着磁导率很大的铁磁材料，故在电 磁性能上属于凸极转子结构。
五．永磁同步电动机的参数计算和分析
六．异步起动永磁同步电动机的起动过程
永磁同步电动机的稳态性能
（一）稳态运行和相量图 （二）稳态运行性能分析计算 （三）损耗分析计算
（一）稳态运行和相量图
利用双轴电枢反应分析法（双反 应理论）研究永磁同步电动机。
同步电机的电枢反应：同步电机 电枢磁势基波对磁极主磁场的影响。
2、内置混合式转子磁路结构
2
1
1
N
3
4 S
NS
3
N S
N
N S
4
S
SN
NS
SN S 1 N
S
S
N
N
S N
(a)
(b)
1—转轴 2—永磁体槽 3—永磁体 4—转子导条
2、内置混合式转子磁路结构
2
3
2
3
N
N
N
4 1
NN NN
4
1
S
S
S
S
SS
S
SN
S
永磁同步电机简介
转矩可以被利用来提高电动机的功率密度，改善 动态性能。
内埋式转子结构，这类结构的永磁体位于转子
内部，每个永磁体都被铁芯所包容。内埋式转子
结构在电磁性能上也属于凸极式转子结构。从图 中可以看出，d轴主磁通穿过两个永磁体，相当于 在d轴磁通路径上存在两个额外的大气隙，而q轴 主磁通仅穿过铁芯和气隙；因空气的相对磁导率 是1，所以q轴同步电感要明显大于d轴同步电感。 通常用凸极率(p=Lq/Ld)来表示永磁同步电动机的凸 极性。在相同条件下，面装式转子结构的凸极性
式（1）、（2）中：
us uA uB
is iA iB
s A B
uC T
iC T
T
C
Rs 0 0
R
0
Rs
0
0 0 Rs
LA MAB MAC
L
M
BA
LB
M BC
MCA MCB LC
sin(t )
（4）电机定子的电势按正弦规律变化，定子 电流在气隙中只产生正弦分布磁势，忽略 磁场场路中的高次谐波磁势。
按照以上条件对永磁同步电机进行理论分 析时，其所得到的结果与实际情况非常接 近，误差在工程允许内。
在同步电机运行过程中，电机微分方程有多种
形式。在A、B、C坐标系下，将定子三相绕组中A 相绕组轴线作为空间坐标系的参考轴线as，在确 定好磁链和电流正方向后，可以得到永磁同步电 机在 A、B、C坐标系下的定子电压方程：
为了简化对永磁同步电机的分析，建立实 现可行的同步电机数学模型，做如下假设：
举例永磁同步电动机的应用
举例永磁同步电动机的应用永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）是一种应用广泛的电动机，具有高效率、高功率密度、高控制精度等特点。
它广泛应用于各种领域，以下是一些永磁同步电动机的应用示例：1. 电动汽车：永磁同步电动机作为电动汽车的动力源，具有高效率、高输出功率和高扭矩密度的特点。
它可以提供足够的动力，提高电动汽车的续航里程和加速性能。
2. 工业机械：永磁同步电动机在各种工业机械中广泛应用，如机床、注塑机、压缩机等。
其高效率和高控制精度可以提高生产效率和质量。
3. 电梯和升降机：永磁同步电动机在电梯和升降机中被广泛采用，其高输出功率和高控制精度可以提供安全可靠的运行和舒适的乘坐体验。
4. 家用电器：永磁同步电动机在家用电器中的应用越来越广泛，如洗衣机、冰箱、空调等。
其高效率和低噪音特点可以提高家电的能效和使用体验。
5. 风力发电：永磁同步电动机在风力发电机组中作为发电机使用，具有高效率和高可靠性。
它可以将风能转化为电能，为可再生能源的利用做出贡献。
6. 太阳能发电：永磁同步电动机在太阳能跟踪器中被广泛应用。
通过控制电动机的转动，可以实现太阳能电池板的最佳朝向，提高光能的利用效率。
7. 轨道交通：永磁同步电动机在地铁、高铁等交通工具中被广泛采用。
其高功率密度和高控制精度可以提供高速、高效的运输服务。
8. 水泵与风机：永磁同步电动机在水泵和风机中的应用越来越普遍。
其高效率和高控制精度可以提高水泵和风机的效率和可靠性。
9. 智能家居：永磁同步电动机在智能家居系统中扮演重要角色。
通过电动机的控制，可以实现智能门窗、智能窗帘、智能家居等功能。
10. 医疗设备：永磁同步电动机在医疗设备中的应用也越来越广泛，如手术机器人、医用注射泵等。
其高精度和高可靠性可以提高医疗设备的安全性和精确性。
永磁同步电动机在各个领域都有广泛的应用，其高效率、高功率密度和高控制精度的特点使其成为许多设备和系统的理想选择。
永磁同步电机
第5章永磁同步电动机系统及其SPWM 控制除一些利用异步转矩或磁阻转矩起动的永磁同步电动机之外，绝大多数的永磁同步电动机(PermanentMagnetSynchronousMotor,PMSM)需要逆变器驱动以平稳起动及稳定运行。
因此一般意义上的永磁同步电动机系统是指具有位置传感的、SPWM 逆变器驱动的永磁同步电动机，或称为正弦波驱动的无刷直流电动机，很多的文献也直接将之简称为永磁同步电动机。
本章主要阐述永磁同步电动机即正弦波无刷直流电动机的原理及其SPWM 控制。
5.1.1均由永方SPWM 图p θ。
3（5-1） 式中，V er ?输入控制指令，为速度误差信号或转矩指令信号。
相电流指令与电流负反馈信号经电流调节器处理后，生成SPWM 信号控制逆变功率电路，驱动永磁同步电动机自同步运行。
考虑较简单的比例电流调节器的情况。
设电流调节器的比例增益为K p ，电流反馈系数为K f ，逆变功率电路的等效增益为K s ，则定子绕组三相电压为：)()()(θθθp i K K K P u K K P U j f s p j s p j -=3,2,1=j （5-2）对于三相半桥SPWM 逆变驱动电路，一般可以认为SPWM 功率逆变电路基本可以复现调制信号的波形。
忽略高次谐波，逆变功率电路的等效增益K s 可以表示为：ts V U K 2=（5-3） 式中，U 为桥臂母线电压，V t 为三角形载波信号的幅值。
（5-4）式中，L （5-5） 式5.1.2机本体基本一致。
存在的差别主要体现在气隙磁场波形及反电动势波形的设计等方面。
在永磁同步电动机中，由于电枢电流波形是正弦波，电动机反电动势波形一般也设计为正弦波形，以产生恒定的电磁转矩。
因此电动机的性能在很大程度上取决于每相反电动势波形，而电动势波形则最终由气隙磁场波形所确定。
为提高电机系统的效率、比功率，减小力矩波动，一般将电动机气隙磁场波形设计为正弦波。
因此在电动机本体的设计中，首先存在的问题就是电动机气隙磁场的正弦化设计问题1．气隙磁场波形的正弦化设计对于采用表面磁钢结构的永磁无刷直流电动机，当不考虑开槽影响时，气隙磁场波形由转子磁钢的表面形状及磁化情况所确定。
(完整版)永磁同步电机的原理和结构
WORD文档可编辑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等一系列的因素共同作用起的磁阻转矩和单轴转矩下而引起的，所以在这个过程中转速是振荡着上升的。
在起动过程中，质的转矩，只有异步转矩是驱动性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。
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。
举例永磁同步电动机的应用
举例永磁同步电动机的应用永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）是一种使用永磁体作为励磁源的同步电动机，具有高效率、高功率密度、响应快等优点，在许多领域都有广泛的应用。
以下是关于永磁同步电动机应用的十个例子：1. 电动汽车：永磁同步电动机可以作为电动汽车的驱动电机，利用其高效率和高功率密度，提供持续的动力输出，使电动汽车具备出色的加速性能和续航里程。
2. 高速列车：永磁同步电动机可以用于高速列车的牵引系统，通过高效率的电动传动，提供强大的牵引力，使列车能够以更高的速度行驶。
3. 机床：永磁同步电动机可以用于机床的主轴驱动，通过精确的控制和高速响应，实现高速、高精度的加工操作。
4. 空调压缩机：永磁同步电动机可以用于空调压缩机的驱动，通过高效率的电动传动，提供稳定的冷气制冷功率，降低能耗和噪音。
5. 风力发电：永磁同步电动机可以用于风力发电机组的发电机，通过高效率的电能转换，将风能转化为电能，提供可再生能源。
6. 水泵：永磁同步电动机可以用于水泵的驱动，通过高效率的电动传动，提供稳定的水流输送能力，广泛应用于工业、农业等领域。
7. 电梯：永磁同步电动机可以用于电梯的驱动，通过高效率的电动传动，提供平稳的上升和下降运动，保证乘客的安全和舒适。
8. 机器人：永磁同步电动机可以用于机器人的关节驱动，通过精确的控制和高速响应，实现机器人的灵活运动和精准操作。
9. 纺织机械：永磁同步电动机可以用于纺织机械的驱动，通过高效率的电动传动，提供稳定的纺纱和织造能力，提高生产效率和产品质量。
10. 医疗设备：永磁同步电动机可以用于医疗设备的驱动，通过精确的控制和高速响应，实现医疗设备的精准操作和稳定运行，提高医疗效果。
以上是永磁同步电动机应用的十个例子，这些应用领域的广泛性和多样性充分展示了永磁同步电动机的优越性能和潜力。
随着技术的不断发展和创新，永磁同步电动机在更多领域的应用将会不断拓展和深化。
永磁同步电动机原理
永磁同步电动机原理
永磁同步电动机是一种使用磁场互作用来产生机械转动的电动机。
它由一个固定的外部磁场和一个旋转的内部磁场组成。
首先，永磁同步电动机的外部磁场由永久磁铁或永磁体产生，这种磁场在空间中保持不变。
而内部磁场则通过将电流通入电动机的转子中来产生。
内部磁场的产生是通过电流产生的磁场与外部磁场相互作用而实现的。
当电流通过转子绕组时，产生的磁场会与外部磁场相互作用。
由于外部磁场是恒定的，转子绕组的磁场会以同步的速度旋转。
这样，转子就会跟随磁场的旋转而实现机械转动。
为了实现持续的机械转动，永磁同步电动机必须通过控制电流的频率和相位来确保内部磁场与外部磁场始终保持同步。
这通常是通过电机驱动系统中的电子控制器实现的。
总的来说，永磁同步电动机利用外部磁场和内部磁场之间的相互作用来产生机械转动。
通过控制电流的频率和相位，可以使内部磁场与外部磁场始终保持同步，从而实现稳定的机械运动。
永磁同步电机矢量控制原理
永磁同步电机矢量控制原理1.永磁同步电动机简介永磁式同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。
和其他类型交流电动机相比，它由于没有励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比较大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好；但它与异步电机相比，也有成本高、起动困难等缺点。
和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。
永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。
近些年，人们对它的研究也越来越感兴趣，在医疗器械、化工、轻纺、数控机床、工业机器人、计算机外设、仪器仪表、微型汽车和电动自行车等领域中都获得应用。
1.1 永磁同步电机系统的结构永磁同步电机的基本组成：定子绕组、转子、机体。
定子绕组通过三相交流电，产生与电源频率同步的旋转磁场。
转子是用永磁材料做成的永磁体，它在定子绕组产生的旋转磁场的作用下，开始旋转。
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第一章 绪论
目前来说，国内外对永磁同步电机的研究主要 在以下几个方面： 结构设计研究 优化设计 磁场分析计算和数值方法的研究 测试技术的研究 调速系统的研究
第一章 绪论
1.3 永磁同步电动机的设计方法
用于永磁同步电动机电磁性能分析的方法主要 有以下三种： 等效磁路法 简单快速，采用大量经验数据或曲线，设计周期 长，精确度不高。 电磁场数值计算法 精度高，占用计算机资源较多，时间较长。 场路结合法 结合了等效磁路法和电磁场数值计算法的优点。
第三章 PMSM的有限元分析
3.2 运用ANSYS计算主要参数
通过ANSYS对电磁场的有限元分析，可以准确地 获得电机内磁场的分布，并求出电机的各种计算 系数，如漏磁系数、极弧系数等等。 气隙磁通 在ANSYS中，可以通过 宏命令FLUXV求出在一个极 距路径上的气隙磁通(单位 轴向长度)。 如右图所示。
第三章 PMSM的有限元分析
3.1 运用ANSYS进行有限元分析
应用ANSYS对样机进行有限元分析时，需要永磁 同步电动机的几何尺寸（定转子内外径、槽型、 气隙等）、转子磁路结构、铁心材料（硅钢片的 磁化曲线）、永磁体参数（磁导率、矫顽力等） 等主要的参数。 应用ANSYS进行有限元分析，主要包括以下三 个步骤。 前处理 整个前处理都是在Main Menu的Preprocessor中 完成的。 定义物理环境：包括坐标选用、单位制设定、有 限元单元选用等。
第四章 PMSM软件对ANSYS的封装
4.1 APDL语言
APDL语言是ANSYS软件提供的参数化设计语言，它 的全称是ANSYS Parametric Design Language。它 是一种类似FORTRAN的解释性语言，实质上由类似于 FORTRAN的程序设计语言和1000多条ANSYS命令组成。 其中，程序设计语言部分与其他编程语言一样，具 有参数、数组表达式、函数、流程控制（循环与分 支）、重复执行命令、缩写、宏以及用户程序等。 标准的ANSYS程序运行是由1000多条命令驱动的，这 些命令可以写进程序设计语言编写的程序，命令的 参数可以赋确定值，也可以通过表达式的结果或参 数的方式进行赋值。
第三章 PMSM的有限元分析
后处理
ANSYS有两个结果后处理器：POST1和POST26，本 文采用POST1 ，它是通用后处理器，可以观看整 个模型或模型的一部分在某一时间上针对特定载 荷组合时的结果。 常用的图形显示选择有：等位线绘图Contour Plo t，矢量绘图Vector Plot、磁力线Flux Lines。
第一章 绪论
1.4 本文的主要研究内容
本文采用场路结合法，借助于有限元计算软件 ANSYS和程序设计语言C++，编写了一套较完整的 永磁同步电动机设计分析软件系统。功能如下： 具有友好的人机界面和方便的数据库管理系统。 具有三种磁路结构的计算方案 建立了ANSYS和C++设计程序的接口，有效地实现 了场路结合法。 提供各种图形和表格供设计人员参考。 本文设计了样机并进行了实验，验证了本设计 系统的准确性，同时也积累了工程设计经验。
基于ANSYS的永磁同步 电动机设计系统
报告人：杨振华 导 师：胡虔生 周建华 单位：东南大学电气工程学院
主要内容
一、绪论 二、永磁同步电动机的基本理论和设计 特点 三、永磁同步电动机的有限元分析 四、永磁同步电机软件对ANSYS的封装 五、永磁同步电动机设计系统 六、样机的设计、制造与实验 七、总结与展望
第二章 PMSM的基本理论和设计特点
下图是一种W型的混合式转子磁路结构，其永磁 体的径向部分和切向部分的磁化长度相等，也采用 了隔磁磁桥隔磁。在该结构中，转子可为安放永磁 体提供更多的空间，空载 漏磁系数也小，但制造工 艺更复杂，转子冲片的机 械强度也下降。
第二章 PMSM的基本理论和设计特点
2.2 PMSM的稳态性能
右图为感性去磁作用下的相量图， 稀土永磁同步电动机的额定工作状 态一般都设计在此状态下。
第二章 PMSM的基本理论和设计特点
功角特性
稀土永磁同步电动机的 X q X d ，其功角特性与电 磁式同步电动机有明显的差异，如下图所示。其凸 极效应转矩在0°~90°范围内呈现负值，最大功 角大于90°，额定功角相对较大，甚至会在原点附 近出现一个不可实现的“回环”。
第二章 PMSM的基本理论和设计特点
2.3 设计特点
永磁同步电动机电磁设计的主要任务是确定电 机主要尺寸、选择永磁体材料和转子磁路结构、估 算永磁体的尺寸、设计定转子的冲片和选择绕组数 据，然后利用有关的公式对初始设计方案进行性能 校核，调整电动机的某些设计参数，直至电动机的 电磁设计方案符合技术经济指标要求。 主要尺寸及气隙长度的选择 Di2 Lef ，然 由电动机的功率和转速可选定电动机的 1 后凭经验选取一定的主要尺寸比 Di1 / 1 ，得出电动机 的主要尺寸 。 气隙长度参照相同规格或近似规格的感应电动机 的气隙长度，并加以适当的修改。
第一章 绪论
1.2 永磁同步电动机的发展及研究现状
发展：
1831年出现了世界上第一台永磁电机。 永磁同步电动机是随着永磁体材料的不断发展而 发展的。直到第三代稀土永磁材料的问世，永磁 电机得到了飞速发展。 研究现状： 国外：80年代、90年代出现了大量永磁同步电动 机理论和研究方法的文章。 国内：80年代起，以唐任远的《现代永磁电机理 论和设计》和李钟明的《稀土永磁电机》 为代表。
第三章 PMSM的有限元分析
定义材料属性：气隙定义为空气 ；槽与转轴定义 为铜 ；定转子冲片选用DW510-50硅钢片 ；永磁体 采用钕铁硼NTP264 ，Br=1.12T，Hc=820kA/m。 建模：创建一个模型的顺序是由点到线、由线到 面。 槽的建立是电机建模的重要部分。为了使建立的 模型更通用化，要根据槽型确定其各个关键点相对 于电机轴中心的逻辑位置。 转子磁路结构的建立是整个电机建模的关键部分。 本设计系统包含3种磁路结构：表面型、U型和W型 转子磁路结构。根据每种结构的特点以及永磁体相 对于电机轴中心的逻辑位置，分别建立一组关键点 公式，从而完成转子磁路结构的建立。
直轴电枢反应时直轴的磁密分布图以及气隙磁密 分布图如下图所示。
第三章 PMSM的有限元分析
运用ANSYS内部自带的傅立叶函数，对直轴电枢反 应气隙磁密进行傅立叶分解后得到基波幅值Bd1，从 而计算得直轴合成电动势Ed，然后根据
求得Xad。 同理可得Xaq。交轴电枢反应时交轴的磁密分布图 以及气隙磁密分布图，如下图所示。
第三章 PMSM的有限元分析
空载漏磁系数
两点间标量磁位的绝对值之差就是通过单位轴向 长度内两点间的磁通量，根据空载漏磁系数的定 义，其永磁体空载时的总磁通Φ与进入电枢的气隙 主磁通Φ0之比，即 。
0
A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8
式中，A1-A8是节点1-8处 的磁位值。
相量图
根据永磁同步电动机的电路模型，当电动机稳定 运行于同步转速时，根据双反应理论可写出永磁同 步电动机的电压方程：
U I1 R1 j I 1 X1 E ad E aq E 0
I1 R1 j I 1 X1 j I d X ad j I q X aq E 0
I1 R1 j I d X d j SM软件对ANSYS的封装
4.2 VC调用ANSYS程序设计
整个设计软件系统的流程 图如右图。它主要由前处理 参数输入、传递参数到APDL 文件、提交APDL文件给ANSYS 进行批处理计算以及ANSYS计 算结果后处理等部分组成。
第二章 PMSM的基本理论和设计特点
2.1 PMSM的结构特点
按照永磁体在转子上的位置不同，永磁同步电 动机的转子磁路结构一般可分为三种：表面式、 内置式和爪极式。 表面式 这种结构中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转 子铁心的外表面上，永磁体提供磁通的方向为径 向，且永磁体外表面与定子铁心内圆之间一般仅 套以起保护作用的非磁性圆筒，或在永磁磁极表 面包以无纬玻璃丝带作保护层。
第三章 PMSM的有限元分析
计算极弧系数
计算极弧系数可以定义为气隙平均磁通密度与最 大磁通密度的比值。 结合ANSYS对样机 磁场的分析，一个极 距范围内分布的空载 磁场气隙径向磁通密 度如右图所示。
第三章 PMSM的有限元分析
交直轴电枢反应电抗
当定子中通入三相对称电流时，即
iA I m sin iB I m sin( 120 ) i I sin( 120 ) m C
第二章 PMSM的基本理论和设计特点
表面式转子磁路结构又分为凸出式和插入式两 种。
凸出式 插入式 特点：隐极，结构简单， 特点：凸极，磁阻转矩， 动态性能好，漏磁大，成 成本低，转动惯量小 本高本低
第二章 PMSM的基本理论和设计特点
内置式
按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系， 内置式转子磁路结构又可以分为径向式、切向式和 混合式三种。 径向式：漏磁系数小，不需隔磁措施，极弧系数易 控制，转子强度高，永磁体不易变形。 切向式：漏磁系数大，需隔磁措施，每极磁通大， 极数多，磁阻转矩大。 混合式：结合径向式和切向式优点，结构和工艺复 杂，成本高。
第三章 PMSM的有限元分析
样机采用的是U型永磁体的转子磁路结构，其整 个模型如下图所示。
第三章 PMSM的有限元分析
赋予模型属性：把之前定义的各个材料的属性赋 予模型中相应的面。 剖分网格：ANSYS具有强大的网格剖分能力，样机 采用了自由剖分。 加载和求解 这部分的工作在Main Menu的Solution中完成。 首先需要对模型施加边界条件（即第一类边界条 件、第二类边界条件）和载荷（如电流、电压等）。 将定子外侧表面取为第一类边界条件，即Az取为0。 永磁同步电动机由永磁体作为激励源，通过前面材 料属性中矫顽力设置即可，不必另外加激励。在命 令输入窗口中输入命令magsolve就可以进行求解了。