電氣方面的設(shè)計(jì)

1、中國礦業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)姓 名： 陸朝陽 學(xué) 號(hào)：21078036學(xué) 院：應(yīng)用技術(shù)學(xué)院專 業(yè)： 電氣工程與自動(dòng)化設(shè)計(jì)題目： 永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)專 題：指導(dǎo)教師： 胡堃 職稱： 講師2010年 6月徐州中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)院專業(yè)年級(jí) 電氣07-4 學(xué)生姓名 陸朝陽任務(wù)下達(dá)日期：2010年 3月8日畢業(yè)設(shè)計(jì)日期：2010年3月10日至 2010年 6月10日畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)畢業(yè)設(shè)計(jì)專題題目：畢業(yè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和要求：1. 掌握永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理；2. 永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)意義；3. 分析比較各種轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)方法；4. 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)系統(tǒng)。院長(zhǎng)

2、簽字：指導(dǎo)教師簽字:中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)評(píng)閱教師評(píng)閱書扌旨導(dǎo)教師評(píng)語（基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力；研究?jī)?nèi)容的理論依據(jù)和技術(shù)方法；取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；工作態(tài)度及工作量；總體評(píng) 價(jià)及建議成績(jī)；存在問題；是否同意答辯等）：評(píng)閱教師評(píng)語（選題的意義；基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力；工作量的大?。蝗〉玫闹饕晒皠?chuàng)新點(diǎn)；寫作的規(guī)范程度；總體評(píng)價(jià)及建議成績(jī)；存在問題；是否同意答辯等 ）:評(píng)閱教師評(píng)語（選題的意義；基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力；工作量的大??；取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；寫作的規(guī)范程度；總體評(píng)價(jià)及建議成績(jī)；存在

3、問題；是否同意答辯等 ）:成績(jī):評(píng)閱教師簽字:年月日中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯及綜合成績(jī)答辯情況提出問題回 答 冋題正確基本正確有一般性錯(cuò)誤有原 則性 錯(cuò)誤沒有回答答辯委員會(huì)評(píng)語及建議成績(jī)： 答辯委員會(huì)主任簽字：年月日學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組綜合評(píng)定成績(jī)： 學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)人：年月日摘要永磁同步電動(dòng)機(jī) ( Permanent magnet synchronous Machine, PMSM) 由于無需勵(lì)磁電流、 體積輕便、運(yùn)行效率很高，在工業(yè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。只有知道了精確的轉(zhuǎn)子位 置信息，才能實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的運(yùn)動(dòng)控制。在傳統(tǒng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn) 動(dòng)控制系統(tǒng)中，通常采用光電編碼器或旋轉(zhuǎn)

4、變壓器來檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置。然而，這些傳感器 增加了系統(tǒng)的成本，并且降低了系統(tǒng)的可靠性。因此，無傳感器檢測(cè)永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子 位置已逐漸成為熱點(diǎn)。本文闡述了永磁同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷程、永磁材料的發(fā)展，以及它的結(jié)構(gòu)、工作原理 和特點(diǎn)等。介紹了永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的常用方法分兩種：即直接方式檢測(cè)和間 接方式檢測(cè)。直接方式可分為：旋轉(zhuǎn)變壓器法、磁編碼器法、光電編碼器法；間接方式可 分為：電感法、磁鏈法、假想坐標(biāo)系法、基于各種觀測(cè)器的估算方法、卡爾曼濾波器法、 高頻注入法和人工智能理論基礎(chǔ)上的估算方法。針對(duì)本課題主要做了以下研究工作：在構(gòu)建其數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，深入分析電機(jī)定子 電感的飽和效應(yīng)，得出旋轉(zhuǎn)

5、高頻電壓注入法能夠準(zhǔn)確跟蹤轉(zhuǎn)子凸極位置，但其存在不能確 定估算結(jié)果是 N 極還是 S 極位置的問題。對(duì)于這個(gè)問題 , 本文又分析了永磁同步電機(jī)定子 電流對(duì)電機(jī)磁路飽和度的影響，根據(jù)旋轉(zhuǎn)電流矢量幅值變化特性，提出了一種判定轉(zhuǎn)子永 磁體 N/S 極極性的方法，解決了常規(guī)高頻注入法所存在的估算結(jié)果可能反向的問題。關(guān)鍵詞： 永磁同步電動(dòng)機(jī) ；高頻電壓注入 ；轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)ABSTRACTAs the permanent magnet synchronous motor without excitation current, volume light, high efficiency, more and

6、more widely in the industrial fields of application. Only know the exact rotor position information, to achieve permanent magnet synchronous motor rotor flux orientation motion control. In a traditional permanent magnet synchronous motor motion control system, usually optical encoder or resolver to

7、detect the rotor position. However, these sensors increase the system cost and reduced reliability of the system. Therefore, sensorless permanent magnet synchronous motor rotor position detection has gradually become a hot spot.This paper describes the development process of permanent magnet synchro

8、nous motor, permanent magnet materials development, and its structure, working principle and characteristics. Introduced a permanent magnet synchronous motor rotor position detection of the common methods in two ways: the direct detection and indirect detection methods. Direct methods can be divided

9、 into: rotating transformer, magnetic encoder method, optical encoder method; indirectly, can be divided into: inductance method, flux method, imaginary coordinate system method, the various observer-basedestimation method, Kalman filtering device method, high frequency injection method and Artifici

10、al Intelligence based on the theory of estimation methods.The main topics for research work to do the following: In building a mathematical model based on in-depth analysis of the saturation effect of the stator inductance, obtained rotating high frequency signal injection method to accurately track

11、 the position of the rotor salient, but its existence can not be determined or estimated results is N pole S pole position of the problem. For this problem, this paper analyzed the current permanent magnet synchronous motor stator magnetic circuit saturation, according to the amplitude variations of

12、 current vector rotation, a permanent magnet rotor determine N / S pole polar solutions to Injection of conventional high-frequency estimation results are likely to reverse the existing problems.Keywords：Permanent magnet synchronous motor, High frequency signal injection, Rotor position detection目錄第

13、一章 緒論 . 11.1 課題的研究背景 . 11.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.3 永磁材料的發(fā)展 . 4第二章 永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 42.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu) . 42.1.1 定子結(jié)構(gòu) . 52.1.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) . 62.1.3 永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)型式 . 62.2 永磁同步電機(jī)的特點(diǎn) . 10第三章 永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理及數(shù)學(xué)模型 113.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理 . 113.2 坐標(biāo)變換原理 123.3 永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 . 133.4 磁路結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)學(xué)模型中參數(shù)的影響 . 15第四章 永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的方法 174.1

14、 直接方式 . 174.2 間接方式 . 18第五章 旋轉(zhuǎn)高頻注入法的原理及應(yīng)用 225.1 旋轉(zhuǎn)高頻信號(hào)激勵(lì)下永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型 . 225.2 旋轉(zhuǎn)高頻電壓信號(hào)注入法原理 . 235.3 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè) . 275.3.1 基于旋轉(zhuǎn)高頻注入法的轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)原理 285.3.2 面貼式永磁同步電機(jī)定子電感飽和效應(yīng)分析研究 295.3.3 根據(jù)高頻電流響應(yīng)幅值判定 N、S 極 31第六章 結(jié)論 . 32參考文獻(xiàn) . 34翻譯部分 . 36英文原文 36中文譯文 45致 謝. 54第一章 緒論1.1 課題的研究背景直流電氣傳動(dòng)和交流電氣傳動(dòng)在 19 世紀(jì)中期先后誕生， 由于直

15、流電氣傳動(dòng)具有 良好的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制性能，改變決定交流調(diào)速的電源頻率的改變和對(duì)電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)矩控制極為困難， 因此，在 20 世紀(jì)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)直流傳動(dòng)成為電氣傳動(dòng)的 主流。然而，由于直流電動(dòng)機(jī)具有電刷和換向器， 成為限制其自身發(fā)展的主要缺陷， 導(dǎo)致其生產(chǎn)成本高、制造工藝復(fù)雜、運(yùn)行維護(hù)工作量大，加之機(jī)械換向困難，其單 機(jī)容量、轉(zhuǎn)速及使用環(huán)境都受到限制。從 20世紀(jì) 30年代，人們致力于交流調(diào)速技 術(shù)的研究。現(xiàn)代電機(jī)調(diào)速技術(shù)是一門比較復(fù)雜的交叉技術(shù)，涉及的領(lǐng)域廣泛，包括電機(jī)、 電力電子技術(shù)、控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)與仿真等幾個(gè)方面。近四十年來，電機(jī)調(diào)速 技術(shù)在世界上得到了蓬勃發(fā)展，特別是電力電子

16、器件技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了現(xiàn)代電機(jī)控 制技術(shù)的發(fā)展，如不斷出現(xiàn)了 SCR，GTO，GTR，IGBT 等新器件。以微電子技術(shù) 為基礎(chǔ)、自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心 （ 即綜合機(jī)電一體化技術(shù) ） 發(fā)展起來的交流 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，正在沖擊著整個(gè)傳統(tǒng)工業(yè)模式。尤其在近十年來，現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)不 斷成熟，并朝著數(shù)字化智能化方向發(fā)展，因此對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行深入研究就顯得 十分重要。雖然目前感應(yīng)電動(dòng)機(jī)以其較低廉的價(jià)格、可靠的機(jī)械特性和優(yōu)越的高速運(yùn)行范 圍成為廣泛使用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但是基于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仍存在一些缺點(diǎn)。首 先，矢量控制理論的提出及應(yīng)用在對(duì)感應(yīng)電機(jī)控制方法上有了重大突破，但是在低 速時(shí)其可控性差、 散熱

17、性差等問題較難以解決。 其次，感應(yīng)電機(jī)的控制技術(shù)較復(fù)雜， 運(yùn)算量大。如果采用永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，就可以克服感應(yīng)電機(jī)上述方面的 不足。矢量控制是高性能的永磁電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中主要采用的控制方法。交流電機(jī) 矢量控制是1971年由德國Blaschke等人提出的，它從理論上解決了交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 矩的高性能控制問題。 該控制方法首先應(yīng)用在感應(yīng)電機(jī)上， 很快被移植到同步電機(jī)。 事實(shí)上，在永磁同步電機(jī)上更容易實(shí)現(xiàn)矢量控制，因?yàn)橥诫姍C(jī)在矢量控制過程中 沒有感應(yīng)電機(jī)中的轉(zhuǎn)差頻率電流而且控制受參數(shù) （ 主要是轉(zhuǎn)子參數(shù) ）的影響也小。目 前，矢量控制技術(shù)在永磁同步電機(jī)中得到了廣泛地應(yīng)用，其地位超過了該控制方式

18、 在異步電機(jī)中的地位。永磁同步電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)需要機(jī)械傳感器來檢測(cè)電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)子的磁極位置。 這些機(jī)械傳感器和僅能檢測(cè)速度信號(hào)的測(cè)速發(fā)電機(jī)的存在增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性 和成本，降低了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也限制了永磁同步電動(dòng)機(jī)在一些特殊場(chǎng)合的應(yīng) 用。為了克服使用機(jī)械傳感器給系統(tǒng)帶來的缺陷，研究開發(fā)一種可靠的、低成本的 無機(jī)械傳感器控制方法便成了電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)，這種控制方法 稱為無傳感器控制技術(shù)。它利用檢測(cè)出來的電機(jī)電壓、電流和電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行 一些運(yùn)算來確定電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和速度，具有不改造電機(jī)結(jié)構(gòu)、省去昂貴的機(jī)械傳感 器、降低維護(hù)費(fèi)用和不怕粉塵與潮濕等優(yōu)點(diǎn)。 隨著控制理論以及計(jì)算機(jī)

19、技術(shù)的發(fā)展， 無速度傳感器控制技術(shù)得到廣泛重視。隨著對(duì)交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究的深入和對(duì)性能要求的不斷提高，涌現(xiàn)出了多種復(fù)雜 而先進(jìn)的算法，單片機(jī) MC51、96 及多片 MCS96 系統(tǒng)的運(yùn)算速度已不能滿足要求。 數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 正成為電機(jī)控制系統(tǒng)中的首選器件。 DSP 運(yùn)算功能強(qiáng)大，專 門處理以運(yùn)算為主的不允許延遲的實(shí)時(shí)信號(hào)， 它包含靈活可變的 1/O 接口和片內(nèi) I/O 管理，高速并行數(shù)據(jù)處理算法的優(yōu)化指令集，其先進(jìn)的品質(zhì)與性能可為電機(jī)控制提 供高效的平臺(tái)。 DSP 由于采用多總線的哈佛結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置了專用硬件乘法器以及 專用的 DSP 命令，使其具有高速運(yùn)算功能在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)就能

20、完成乘法運(yùn) 算，這比通用微處理器快10-100倍，能夠?qū)崟r(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法。隨著 DSP技術(shù) 水平的提高及價(jià)格不斷降低且性能不斷改進(jìn)，使其廣泛應(yīng)用于交流驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域成為可 能。由DSP組成的全數(shù)字化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以通過修改控制程序，無須改變系統(tǒng)硬件， 便可實(shí)現(xiàn)不同的控制算法，實(shí)現(xiàn)控制的軟件化、柔性化，保證實(shí)時(shí)性的要求。綜上所述，由數(shù)字信號(hào)處理器技術(shù)和無機(jī)械傳感器技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的永磁同步 電機(jī)全數(shù)字化交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)己成為運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容1。1.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀世界上第一臺(tái)永磁電機(jī)是 1831 年發(fā)明的， 但是由于當(dāng)時(shí)采用的天然磁鐵磁性能 太差，電機(jī)的磁能積不足而很快被電勵(lì)磁

21、電機(jī)所取代。隨著高性能永磁材料的不斷 開發(fā)和相繼問世，其優(yōu)異的性能又使永磁電機(jī)的開發(fā)和應(yīng)用得到迅速發(fā)展。特別是 第二代稀土永磁材料的研制成功后， 為高效永磁同步電動(dòng)機(jī)的開發(fā)提供了重要條件。 國內(nèi)外利用稀土永磁的優(yōu)異磁性能研制開發(fā)高效永磁同步電動(dòng)機(jī)已有 20 多年的歷 史。1978年，法國CEM公司推出ISOSYN系列0.55-18.5kW稀土鉆永磁同步電動(dòng)機(jī)， 效率比一般感應(yīng)電動(dòng)機(jī)高 2%-8%，功率因數(shù)提高 0.05-0.15，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為 1.6-2.2， 英國、前蘇聯(lián)、美國等也相繼推出類似系列，但功率普遍做得不大。與電勵(lì)磁電機(jī)相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)具有節(jié)能高效等一系列優(yōu)點(diǎn)。永磁同步電 動(dòng)

22、機(jī)已成為電機(jī)行業(yè)的發(fā)展熱點(diǎn)，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，國內(nèi)外研究人員在永 磁同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、性能分析方面作了很多研究工作，在電機(jī)性能電磁場(chǎng)數(shù) 值計(jì)算方面取得了大量的成果。1983年，英國著名學(xué)者 T.J.E.Miller 在墨西哥 IEEE 會(huì)議上首次提出異步起動(dòng)永 磁同步電動(dòng)機(jī)的概念，并于次年在雜志上發(fā)表文章對(duì)異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的工 作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述。1987年，Tommy Sebastian發(fā)表了一篇關(guān)于永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)建模 的文章，從理論上系統(tǒng)分析了永磁同步電動(dòng)機(jī)利用 PARK 模型隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的 d,q,0 系統(tǒng)。1990年，加拿大學(xué)者 M.A.Rahman

23、等給出了較為全面的異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng) 機(jī)似穩(wěn)態(tài)分析的等值電路。1994年，英國學(xué)者B.J.Chalmers等提出永磁同步電動(dòng)機(jī)采用“ V”型永磁體結(jié) 構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在保證足夠的起動(dòng)籠設(shè)計(jì)空間的前提下增加了磁鋼的有效利用體積。1994 年， Zhou P. 等發(fā)表了用有限元法計(jì)算永磁同步電動(dòng)機(jī)參數(shù)和性能的文章， 指出以往的不計(jì)永磁作用、不計(jì)交直軸交叉耦合影響，單獨(dú)計(jì)算交直軸電樞磁場(chǎng)求 取電機(jī)參數(shù)的方法是不合理的。提出了采用負(fù)載法進(jìn)行交直軸電樞反應(yīng)電抗計(jì)算， 是參數(shù)真實(shí)反應(yīng)負(fù)載時(shí)電機(jī)材料的飽和程度。1994 年， Kurihara K. 在 IEEE 上發(fā)表文章，提出采用場(chǎng)路耦合時(shí)步有限元法分 析永

24、磁同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能，探討了由于諧波磁場(chǎng)存在而引起的電流諧波和 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)問題，開辟了永磁同步電動(dòng)機(jī)新的研究方法。1998年，GE公司提出一種新的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：起動(dòng)繞組內(nèi)置，而永磁體分塊面貼， 從而達(dá)到好的起動(dòng)性能。從 80年代起，國內(nèi)學(xué)者對(duì)永磁電機(jī)也進(jìn)行了大量的研究， 沈陽工業(yè)大學(xué)特種電 機(jī)研究所的唐任遠(yuǎn)教授編著的現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)一書中采用以等效磁路 解析求解為主，結(jié)合磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)多種永磁電機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)進(jìn)行 了研究，總結(jié)了近年來永磁電機(jī)的研究成果。西北工業(yè)大學(xué)李鐘明、劉衛(wèi)國等編著 的稀土永磁電機(jī)中闡述了稀土永磁電機(jī)的特殊性，全面介紹了各類永磁電機(jī)的 理論和設(shè)計(jì)技術(shù)。19

25、86 年，上海電器科學(xué)研究所開發(fā)化纖用外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)，這是一種高 速紡機(jī) ， 作變速卷繞 頭傳動(dòng) 裝置 的 專用 電 機(jī) ， 調(diào)速范圍 1500-9000r/min 或 1500-12720r/mi n,調(diào)速平穩(wěn)、性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠。1996 年，邱捷等發(fā)表用有限兀法分析永磁同步電動(dòng)機(jī)的文章。計(jì)算實(shí)心轉(zhuǎn)子永 磁同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)電抗參數(shù)，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)子參數(shù)和起動(dòng)性能。1999 年，王秀和等發(fā)表用有限元法確定用永磁電機(jī)漏磁系數(shù)的文章。提出了單 位端部漏磁系數(shù)的新概念。2003年，張東等發(fā)表關(guān)于U形轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)極間漏磁分析的文 章。計(jì)算分析了 U形永磁體轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)的隔磁

26、措施對(duì)極間漏磁系 數(shù)的影響。2004 年，竇滿鋒等發(fā)表高效節(jié)能稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)研究的文章。提 出了油田抽油機(jī)專用稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法和特點(diǎn)。2005 年，王秀和等發(fā)表關(guān)于自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩研究的文章提出了 一種針對(duì)自起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的解析分析方法，得到了齒槽轉(zhuǎn)矩的解析表達(dá)式。2006年，王步來等發(fā)表稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的工程設(shè)計(jì)研究的文章。提出了適用于電機(jī)制造公司的工程設(shè)計(jì)方法。隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁材料的熱穩(wěn)定性和耐 腐蝕性的改善和價(jià)格的逐步降低以及電力電子器件的進(jìn)一步發(fā)展，加上永磁電機(jī)開 發(fā)經(jīng)驗(yàn)的逐步成熟，除了大力推廣和應(yīng)用已有的研究

27、成果，還促進(jìn)了永磁電機(jī)在國 防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面的廣泛的應(yīng)用，使稀土永磁電機(jī)的研究開發(fā)進(jìn)入 一個(gè)新階段。一方面，正向大功率 ( 高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩 ) 、高功能化和微型化發(fā)展。另 一方面，促使永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法、結(jié)構(gòu)工藝和控制技術(shù)等方面的研究 工作出現(xiàn)了嶄新的局面 2 。1.3 永磁材料的發(fā)展 電機(jī)是以氣隙磁場(chǎng)為媒介進(jìn)行機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換的裝置，傳統(tǒng)異步電機(jī)的氣隙磁 場(chǎng)是由定子電流形成的，而永磁體的出現(xiàn)使電機(jī)勵(lì)磁機(jī)理發(fā)生了根本性的變化。 19 世紀(jì) 20 年代出現(xiàn)了世界上第一臺(tái)由永磁體勵(lì)磁的電機(jī)。 但由于當(dāng)時(shí)用的永磁材料是 天然的磁鐵礦石，磁能密度非常低，所以用其制造的電機(jī)體積龐大

28、，不久就被電勵(lì) 磁電機(jī)所取代。近年來，永磁材料開發(fā)得很快，現(xiàn)有鋁鎳鉆、鐵氧體和稀土永磁體三大類。稀 土永磁體又有第一代稀土永磁材料 1:5 型( RC05 ) ，第二代稀土永磁材料 2:17 型 ( R2C017 ) ，還有第三代新型稀土永磁材料釹鐵硼，由 1983 年日本住友特殊金屬公 司和美國通用汽車公司各自研制成功，在世界上引起轟動(dòng)。釹鐵硼具有高的剩磁感 應(yīng)強(qiáng)度、高的矯頑力和高的磁能積，是目前磁性能最好的永磁材料。這些特點(diǎn)都特 別適合在電機(jī)中使用。由于鐵、硼的價(jià)格便宜，且不含鉆，因此釹鐵硼的價(jià)格比稀 土鈷便宜得多。因此自從問世以來，釹鐵硼在工業(yè)和民用的永磁同步電機(jī)中迅速得 到推廣應(yīng)用。但

29、是釹鐵硼也有缺點(diǎn)，就是溫度系數(shù)較高，居里溫度較低，容易氧化 生銹而需涂覆處理。但隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，這些缺點(diǎn)大多己經(jīng)克服，能夠滿足絕 大多數(shù)電機(jī)的使用。 2004 年又一種新型稀土永磁材料釹鐵氮也在我國實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化 并具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。第二章 永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)2.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)與其它旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，也由定子、轉(zhuǎn)子和端蓋等部件組成，定 轉(zhuǎn)子之間存在空氣隙。整體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖 2-1 所示。11定子鐵心；2定子槽；3轉(zhuǎn)子槽；4轉(zhuǎn)子鐵心；5永磁體；6軸2-1磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖2.1.1定子結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同。為減小磁場(chǎng)引起的渦流損耗

30、和 磁滯損耗，定子鐵心通常由0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，上面沖有均勻分布的槽， 內(nèi)嵌二相對(duì)稱繞組。定子槽型通常采用半閉口槽，如圖2-2所示，其中梨形槽的槽面積利用率高，沖模壽命長(zhǎng)，且槽絕緣的彎曲程度較小，不易損傷，應(yīng)用廣泛。定 子繞組由圓銅線繞制而成，通常采用星形接法的雙層短距繞組以避免電動(dòng)機(jī)繞組中 產(chǎn)生環(huán)流，并削弱電動(dòng)勢(shì)諧波，減小雜散損耗。a）梨形槽b）梯形槽圖2-2定子槽形為提高零部件的通用性、縮短開發(fā)周期，在進(jìn)行永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，常常 選用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子沖片、機(jī)殼、端蓋和軸等。2.1.2轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)按照轉(zhuǎn)子是否有起動(dòng)籠，可將轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為實(shí)心永磁轉(zhuǎn)子和籠型永磁轉(zhuǎn)子兩種。 實(shí)心永磁轉(zhuǎn)子結(jié)

31、構(gòu)鐵心由整塊鋼加工而成，上面銑出槽以放置永磁體。這種結(jié)構(gòu)靠 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子鐵心感應(yīng)的渦流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩起動(dòng)，無需起動(dòng)繞組。有時(shí)為提高起動(dòng) 轉(zhuǎn)矩，采用表面鍍銅的方法增大渦流。籠型永磁轉(zhuǎn)子是最常見的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子鐵心由0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，上面沖有均勻分布的槽，通常采用半閉口槽，如圖2-3a）d）所示。小功率電動(dòng)機(jī)可采用圖2-3a）、圖2-3b）所示的槽型。為增強(qiáng)集膚效應(yīng)、提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可采用圖2-3c）所示的凸形槽和圖2-3d）所示的刀形槽。但由于轉(zhuǎn)子上要放置永磁體，槽一般不深， 電流的趨膚效應(yīng)沒有同功率感應(yīng)電動(dòng)機(jī)那么明顯。圖2-3e）、圖2-3f）所示的閉口槽也有一定的應(yīng)用，它可以簡(jiǎn)化沖模制造

32、、減小雜散損耗，且不影響運(yùn)行時(shí)的功率因 數(shù)，但轉(zhuǎn)子漏抗較大，對(duì)起動(dòng)性能有一定影響。需要注意的是，當(dāng)選用內(nèi)置徑向式 轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)且轉(zhuǎn)子槽形尺寸較小時(shí)，通常采用平底槽，以保證合適的隔磁磁橋， 避免過大的漏磁系數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)子槽形尺寸足夠大時(shí)，也可采用圓底槽。圖2-3轉(zhuǎn)子槽形e)f)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中通常采用轉(zhuǎn)子斜槽，但在永磁同步電動(dòng)機(jī)中，鑒于因有永磁體槽 而不便斜槽，一般將電動(dòng)機(jī)的定子疊片沿軸向扭斜一定距離以削弱諧波，減小電動(dòng) 機(jī)雜散損耗和附加轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子籠型繞組有銅導(dǎo)條焊接式和鑄鋁式兩種。前者在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)插入銅導(dǎo)條，在 轉(zhuǎn)子鐵心兩端各放置一個(gè)銅端環(huán)，將銅端環(huán)和導(dǎo)條焊接在一起；后者采用離心鑄鋁 或壓力鑄鋁工藝，將

33、導(dǎo)條、風(fēng)扇和端環(huán)一次鑄出。與焊接法相比，鑄鋁式具有工藝 簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，因此永磁同步電動(dòng)機(jī)通常采用鑄鋁轉(zhuǎn)子。永磁體的固定方式 有兩種：一是在永磁體上涂樹脂，然后插入轉(zhuǎn)子鐵心，樹脂凝固后將永磁體和轉(zhuǎn)子 鐵心固定在一起；二是先將永磁體插入轉(zhuǎn)子鐵心，然后在鐵心兩端加非磁性端環(huán)， 端環(huán)固定在轉(zhuǎn)子鐵心上。2.1.3永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)型式永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)不同，則其運(yùn)行性能、控制系統(tǒng)、制造工藝和適 用場(chǎng)合也不同。永磁同步電動(dòng)機(jī)可采用多種轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)，通常永磁體放置在轉(zhuǎn)子 上，其放置的方式影響到氣隙磁通、漏磁乃至電機(jī)的性能，是永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì) 中的核心問題。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上放置的位

34、置不同，分為表面式和內(nèi)置式兩種轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)1）表面式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)a）b）1鐵心；2永磁體；3導(dǎo)條；4護(hù)環(huán)；5極間填充物；6軸圖2-4表面式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)表面式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)永磁體用高強(qiáng)度非導(dǎo)磁圈固定在籠型轉(zhuǎn)子的外部，磁極之 間可以用非導(dǎo)磁材料，如樹脂、鋁、銅等填充，也可用導(dǎo)磁材料填充，其結(jié)構(gòu)如圖 2-4所示。這種結(jié)構(gòu)中，永磁體通常呈瓦片形，永磁體提供磁通的方向?yàn)閺较?，?永磁體外表面與定子鐵心內(nèi)圓之間一般僅套以起保護(hù)作用的非磁性圓筒，或在永磁 磁極表面包以無緯玻璃絲帶作保護(hù)層。當(dāng)極數(shù)較少時(shí)，每極永磁體圓弧角度較大， 材料利用率低、加工困難，可以采用拼塊式結(jié)構(gòu)，由多塊永磁體拼成整個(gè)磁極。表 面式轉(zhuǎn)子

35、磁極結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是：導(dǎo)條在轉(zhuǎn)子內(nèi)部，產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩較小，僅適合于對(duì)起 動(dòng)性能要求不高的場(chǎng)合。2）內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)中，永磁體位于導(dǎo)條和鐵心軸孔之間的鐵心中，永磁體外 表面與定子鐵心內(nèi)圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴， 極靴中可以放置鑄鋁籠或銅條籠， 起動(dòng)阻尼或（和）起動(dòng)作用，動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能好，廣泛用于要求有異步起動(dòng)能力或動(dòng) 態(tài)性能高的永磁同步電動(dòng)機(jī)。按永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的相互關(guān)系，內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)可分為徑 向式、切向式和混合式三種。a.徑向式結(jié)構(gòu)徑向式結(jié)構(gòu)是指稀土永磁體產(chǎn)生的磁通方向是沿轉(zhuǎn)子圓的半徑方向，優(yōu)點(diǎn)是漏磁路磁阻較大，漏磁系數(shù)小，轉(zhuǎn)軸上不需采取隔磁措施，極弧系數(shù)易于

36、控制，轉(zhuǎn)子 沖片的機(jī)械強(qiáng)度高等。如圖2-5所示為典型的徑向式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)，其永磁體軸向 插入永磁體槽并通過隔磁磁橋限制漏磁通，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度高,近年來得到廣泛應(yīng)用，其中圖2-5a）所示徑向式結(jié)構(gòu)為美國的專利，圖 2-5b）所示的 V形結(jié)構(gòu)最早見于英國某產(chǎn)品中，該結(jié)構(gòu)有效的利用了轉(zhuǎn)子空間。a）b）1轉(zhuǎn)軸；2永磁體槽；3永磁體；4轉(zhuǎn)子導(dǎo)條圖2-5內(nèi)置徑向式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)b切向式結(jié)構(gòu)切向式結(jié)構(gòu)是指稀土永磁體產(chǎn)生的磁通方向是沿轉(zhuǎn)子圓周的切線方向，這種結(jié) 構(gòu)的漏磁路磁阻相對(duì)小一些，漏磁系數(shù)較大，并需采取相應(yīng)的隔磁措施，優(yōu)點(diǎn)是一 個(gè)極距下的磁通由相鄰兩個(gè)磁極并聯(lián)提供，可得到更大的每極磁通，

37、尤其是當(dāng)電動(dòng) 機(jī)極數(shù)較多、徑向結(jié)構(gòu) 不能提供足夠的每極磁通時(shí)，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)更為突出。圖 2-6所示為兩種典型的切向式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)，其中圖a）所示切向結(jié)構(gòu)永磁體內(nèi)側(cè)采用非磁性套筒或非磁性轉(zhuǎn)軸；圖b）所示切向結(jié)構(gòu)利用空氣隙隔磁，省去了圖a）中的隔磁套，轉(zhuǎn)子沖片具有整體性，當(dāng)勵(lì)磁不足時(shí)還可在隔磁槽中放置永磁體來增加勵(lì) 磁。3A2a)b)1轉(zhuǎn)軸；2空氣隔磁槽；3永磁體；4轉(zhuǎn)子導(dǎo)條圖2-6內(nèi)置切向式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)c.混合式結(jié)構(gòu)混合式結(jié)構(gòu)集中了徑向式和切向式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)和制造工藝 均較復(fù)雜，制造成本較高。4-b)a)31c）d）1轉(zhuǎn)軸；2永磁體槽；3永磁體；4轉(zhuǎn)子導(dǎo)條圖2-7內(nèi)置混合式轉(zhuǎn)子磁

38、極結(jié)構(gòu)如圖2-7所示為四種典型的混合式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)，其中圖a）所示結(jié)構(gòu)是由德國西門子公司發(fā)明的，需采用非磁性轉(zhuǎn)軸或采用隔磁銅套，主要用于剩磁密度較低的 鐵氧體永磁同步電動(dòng)機(jī)，隨著永磁材料的高速發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)已失去其優(yōu)勢(shì)；圖b）所示結(jié)構(gòu)近年來用得較多，也采用隔磁磁橋隔磁，這種結(jié)構(gòu)的徑向部分永磁體磁化 方向長(zhǎng)度約是切向部分永磁體磁化方向長(zhǎng)度的一半；圖c）和d）是由圖2-5徑向式結(jié)構(gòu)衍生來的兩種混合式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)，其永磁體的徑向部分與切向部分的磁化方向 長(zhǎng)度相等，也采取隔磁磁橋隔磁。圖 2-5a）和b）、圖2-7c）和d）這四種結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子 依次可為安放永磁體提供更多的空間，空載漏磁系數(shù)也依次減小，

39、但制造工藝依次 更復(fù)雜，轉(zhuǎn)子沖片的機(jī)械強(qiáng)度也依次有所下降。2.2永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)在上面的章節(jié)中，可以看到各種永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)差異很大，但是由于 永磁材料的使用，永磁同步電機(jī)具有以下幾種特點(diǎn)：1. 電機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率始終保持準(zhǔn)確的同步關(guān)系，控制頻率就能控制轉(zhuǎn)速；2. 永磁同步電機(jī)具有較硬的機(jī)械特性，對(duì)于因負(fù)載變化而引起的電機(jī)轉(zhuǎn)矩的擾 動(dòng)具有較強(qiáng)的承受能力；3. 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子上有永久磁鐵無需勵(lì)磁，因此電機(jī)可以在很低的轉(zhuǎn)速下保 持同步運(yùn)行，調(diào)速范圍寬。與其它電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1. 電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩紋波系數(shù)小，運(yùn)行平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，過載能力強(qiáng)。永磁同步 電機(jī)比異步電機(jī)對(duì)電壓和

40、轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)具有更強(qiáng)的承受能力。異步電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)，要求電機(jī)轉(zhuǎn)差也跟隨變化，也就是轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，但系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng) 部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量阻礙轉(zhuǎn)速的相應(yīng)變化， 降低了響應(yīng)頻率。而永磁同步電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)，僅需要電機(jī)的功角適當(dāng)改變，而轉(zhuǎn)速維持在原來的同 步轉(zhuǎn)速不變，則轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不會(huì)影響電機(jī)轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)，瞬間最大轉(zhuǎn)矩可達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的三倍以上，使永磁同步電機(jī)非常適合在負(fù)載轉(zhuǎn)矩變 化較大的場(chǎng)合下運(yùn)行；2. 永磁同步電機(jī)具有高功率因數(shù)和高效率， 顯示出明顯的節(jié)能效果。永磁同步電機(jī)用永磁體代替電勵(lì)磁，無勵(lì)磁損耗，由于定、轉(zhuǎn)子同步，轉(zhuǎn)子鐵心沒有 鐵耗，因此永磁同步電機(jī)的效率較電勵(lì)磁同步電機(jī)和異步電機(jī)高

41、，且不需要從電網(wǎng)吸取滯后的勵(lì)磁電流，從而節(jié)約了無功功率，提高了電機(jī)的功率因數(shù)。 永磁同步電機(jī)在25%-120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的功率因數(shù)和效 率，使輕載運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果更為顯著，在長(zhǎng)期使用過程中可大幅度地節(jié)省電 能;3. 稀土永磁同步電機(jī)較異步電機(jī)尺寸大大減少，重量較輕，且轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，提高了電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性；4. 結(jié)構(gòu)多樣化，應(yīng)用范圍廣。由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的多樣化，衍生出許多特點(diǎn)和性能 各異的品種，從工業(yè)到農(nóng)業(yè)，從民用到國防，從日常生活到航空航天， 從簡(jiǎn) 單電動(dòng)工具到高科技產(chǎn)品，幾乎處處涉及；5. 永磁同步電機(jī)沒有電刷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的可靠性高。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鋼的幾何形狀不

42、同，使得轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在空間的分布 可分為正弦波和梯形波兩種。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，在定子上產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)波形 也有兩種：一種為梯形波，被成為無刷直流電機(jī)(Brushless DC Motor, BLDCM)；另一種為正弦波，被成為永磁同步電動(dòng)機(jī)( Perma nent mag net synchronous Machi ne, PMSM)。本文主要針對(duì)的是 PMSM 3。第三章 永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理及數(shù)學(xué)模型3.1永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理圖3-1永磁同步電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖當(dāng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子三相對(duì)稱繞組通入三相交流電時(shí)，三相電流在定子繞組的電阻上產(chǎn)生電壓降。由三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)60 fi

43、ni :N1、 S1。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為P 。由于轉(zhuǎn)子為永磁體，產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)場(chǎng)N1、S1與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng) N2、子與定子磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)。3.2坐標(biāo)變換原理大多數(shù)常用的交流電機(jī)都是三相電機(jī)，但我們?cè)谶M(jìn)行分析計(jì)算時(shí)經(jīng)常使用 的是靜止a坐標(biāo)軸系及同步旋轉(zhuǎn) dq坐標(biāo)軸系，因此必須進(jìn)行三相到兩相之間, 兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)之間的變換。三相對(duì)稱繞組通過對(duì)稱三相電流將產(chǎn)生幅值恒定的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。然而這個(gè)恒 定幅值的磁場(chǎng)也可由兩相對(duì)稱繞組中的對(duì)稱兩相電流來產(chǎn)生。事實(shí)上，一組對(duì) 稱多相電流量是可以用另外一組多相電流來代替，只要它們產(chǎn)生的磁場(chǎng) 幅值和分布）在任何時(shí)刻都是相同的，那么這種代替就是等效的圖3-2所示是常用的三個(gè)坐標(biāo)軸

44、系，即靜止三相坐標(biāo)軸系、靜止 系及同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)軸系的示意圖， 其中B是兩相靜止aB坐標(biāo)系 旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系d軸之間的夾角。三個(gè)軸系的位置及相互間關(guān)系按 慣例來設(shè)置，本論文中所涉及的坐標(biāo)軸系如無特殊說明均遵循這一慣例。N2、 S2。定子磁S2之間產(chǎn)生磁拉力，從而產(chǎn)生電磁力矩拖動(dòng)轉(zhuǎn)（包括a0坐標(biāo)軸 a軸和同步MATLAB 中B圖3-2三種常用坐標(biāo)軸系為滿足三相繞組的合成磁勢(shì)與兩相繞組的合成磁勢(shì)相等的原則，定義C3/2為三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止aB坐標(biāo)系的變換矩陣（以下簡(jiǎn)稱3/2變換矩陣）得:-i01/72-1/2、3/21/ .2-1/2-.3/2(3.1)其中N2、N3分別是三相繞組和兩相繞組

45、每相的有效匝數(shù)，矩陣存在第三行是 因?yàn)榭紤]三相電流之和不等于零，兩相坐標(biāo)軸系中存在零序電流io。由兩相定子坐標(biāo)系到三相定子坐標(biāo)系變換矩陣(以下簡(jiǎn)稱2/3變換矩陣)可以由3/2變換矩陣求逆獲得:C2/3巴2Na 3-11-1/2-1/2o1/72、3/21八 2(3.2)3/21八2在變換過程中，保持了矢量的幅值不變。如果在變換過程中還要滿足保持功率不變條件，并使電流電壓具有同一變換矩陣，則變換矩陣系數(shù) 叢 等于，2，N23可得。_ 1-1/2 -1/2 1C3/2=J2 043/2-43/2( 3.3)y 42 1/ 72 1M/2 _當(dāng)A、B、C各相繞組上的電壓與電流分別為相位互差120的正

46、弦時(shí)，在aB繞組上的電壓與電流為相位互差90的正弦。三相繞組與兩相繞組在氣隙中產(chǎn)生的磁勢(shì)是一致的，并且磁勢(shì)為一旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，旋轉(zhuǎn)角速度為電源電流(電壓)的角速度。定義Cdq為兩相靜止a坐標(biāo)系到同步旋轉(zhuǎn)cos)sin )1Cp/dq_sin(日)cos).dq坐標(biāo)系的變換矩陣(3.4)a 坐標(biāo)系的變換矩陣(3.5)Cdq/ /是同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系到兩相靜止_cos )- sin(。) ICdq/oPsin(T)cosC).3.3永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型電機(jī)轉(zhuǎn)子3i sqXsd圖3-3定子、轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系為了便于分析，在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，假設(shè)以下參數(shù)：1. 忽略電動(dòng)機(jī)的鐵心飽和；2. 不計(jì)電機(jī)中的渦流和

47、磁滯損耗；3. 定子和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)沿定子內(nèi)圓按正弦分布，即忽略磁 場(chǎng)中所有的空間諧波；4. 各相繞組對(duì)稱，即各相繞組的匝數(shù)與電阻相同，各相軸線相互位移 同樣的電角度。在分析同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，常采用兩相同步旋轉(zhuǎn)（d， q）坐標(biāo)系和兩相靜止（a， 坐標(biāo)系。圖3-3給出永磁同步電動(dòng)機(jī)在 （d，q）旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué) 模型。（1）定子電壓方程為：ud 二pdrid - 屮q3f(3.6)Uq =p 叭riq Ud3f(3.7)式中：r為定子繞組電阻；p為微分算子，p=d/dt ； id， iq 為疋子電流；Ud，uq為定子電壓；帕，臨分別為磁鏈在d,q軸上的分量；cof為轉(zhuǎn)子角速度（3

48、 =np）； np為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。（2）定子磁鏈方程為：W d - Ldid W f(3.8)2 q = L q i q(3.9)式中：W為轉(zhuǎn)子磁鏈。(3)電磁轉(zhuǎn)矩為：Tem - np iqWd - idWq - np W f iq Ld Lq id iq(3.10)(4)J電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程為：d 3Tern _JJ為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。np式中：若電動(dòng)機(jī)為隱極電動(dòng)機(jī)，則Ld=Lq,選取id , iq及電動(dòng)機(jī)機(jī)械角速度狀態(tài)變量，由此可得永磁同步電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)方程式為：idl.DiqID-Rs/Lnp二 np-Rs/L! 0np 屮 f/J0idUd/L-npWj/U iq-B/J JsUq/L-嘰/

49、J丿(3.11)(3.12 )由式(3.12)可見，三相永磁同步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)多變量系統(tǒng)，而且id , iq ,3之間存在非線性耦合關(guān)系，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)三相永磁同步電機(jī)的高性能控制，是一 個(gè)頗具挑戰(zhàn)性的課題5。3.4磁路結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)學(xué)模型中參數(shù)的影響由于永磁體磁導(dǎo)率很小，因此與電勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的電機(jī)相比永磁同步電機(jī)繞組電感較小。且電勵(lì)磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣，其d軸電感比q軸電感要大。但對(duì)于永磁同步電機(jī)，其 d軸磁路中的永磁體磁導(dǎo)率和空氣差不多，故其d軸磁阻較大，相反q軸磁路中的鐵心磁導(dǎo)率很大，因此對(duì)于具有結(jié)構(gòu)凸極性的嵌入式 及內(nèi)置式永磁同步電機(jī)其q軸的電感反而比d軸電感大。這就是由于永磁體的存在

50、 改變了磁路結(jié)構(gòu)后凸極永磁同步電機(jī)與常規(guī)電勵(lì)磁電機(jī)模型中參數(shù)的區(qū)別。面貼式永磁同步電機(jī)，如前所述，由于永磁體相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率約等于1，接近于空氣，結(jié)合圖2.1(a)的示意圖可以看出，面貼式永磁同步電機(jī)的 d、q軸磁路的磁 阻大小很接近，因此一般在分析面貼式永磁同步電機(jī)時(shí)把其 d、q軸電感取為一樣， 即認(rèn)為其電磁性能上類似與電勵(lì)磁的隱極同步電機(jī)。該結(jié)論在進(jìn)行近似分析時(shí)是成 立的，但若考慮由于永磁體磁通的存在對(duì)磁路飽和度造成的影響，則該結(jié)論就不夠 確切，以下對(duì)其做理論上的分析。在永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)中，通常使主磁路具有一定的飽和度，以提高空間的利用 率，因此對(duì)于圖2.1(a)所示的面貼式永磁同步電機(jī)，其

51、 d軸已處于飽和狀態(tài)，定子 三相線圈的電感值是與轉(zhuǎn)子d軸位置有關(guān)的函數(shù)。以A相為例，A相繞組自感為1 a 1 a-1 am( 3.13)其中1日匚為A相繞組漏電感，lam為通過主磁路閉合的磁鏈對(duì)應(yīng)的主電感，主磁 路的狀態(tài)將影響lam值的大小。在空載情況下，當(dāng)d軸和A相軸線的夾角分別為9 =0和9 =時(shí)A相繞組交鏈 的永磁體磁通最多，飽和度最高，la最?。? =n /和9 =3n /時(shí)，永磁磁通路徑與 A 相軸線正交，A相磁路最不飽和，la最大。其變化曲線大致如圖2.4所示，即在平 均分量上疊加了一個(gè)二次諧波分量。圖3-4永磁同步電動(dòng)機(jī)空載情況下繞組電感曲線在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中d軸磁路處于飽和

52、狀態(tài)，導(dǎo)致d軸磁阻增大，電感減小， 這就是電感的飽和效應(yīng)。而且不論是在本身結(jié)構(gòu)上就具有凸極性的嵌入式及內(nèi)置式 永磁同步電機(jī)，還是面貼式永磁同步電機(jī)都由于永磁體的作用而存在電感的飽和效 應(yīng)。對(duì)嵌入式及內(nèi)置式永磁同步電機(jī)飽和效應(yīng)使本就不等的d、q軸電感差別增大，對(duì)于面貼式永磁同步電機(jī)則造成 d、q軸電感的不等。但由于飽和效應(yīng)造成的凸極性 一般較弱，因此如不考慮磁路飽和對(duì)電機(jī)性能的影響，在建立永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模 型時(shí)可以不考慮由此造成的d、q軸電感的變化，對(duì)于面貼式永磁同步電機(jī)可以采用 Ld二Lq二Ls。如需要考慮磁路飽和對(duì)電機(jī)的電磁性能產(chǎn)生的影響或者需要利用磁 路飽和效應(yīng)造成的飽和凸極性，則在建立

53、面貼式電機(jī)數(shù)學(xué)模型時(shí)應(yīng)取不同的d、q軸電感值進(jìn)行分析研究。第四章 永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的方法4.1 直接方式 永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置的直接式檢測(cè)方法主要是指裝在轉(zhuǎn)子軸上與轉(zhuǎn)子同步 運(yùn)行的位置傳感器；間接式是指通過檢測(cè)電氣物理量，如電流、電壓，磁鏈和反電 動(dòng)勢(shì)等信號(hào)來估計(jì)辨識(shí)轉(zhuǎn)子位置。直接式位置傳感器一般采用高分辨率的旋轉(zhuǎn)變壓器、磁編碼器、光電編碼器等 元件。1）旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種微特電機(jī)，也是由定子和轉(zhuǎn)子組成。通過與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸連 接的旋轉(zhuǎn)變壓器獲得調(diào)制位置信號(hào)， 然后經(jīng)位模變換或軸角數(shù)字變換獲得位置轉(zhuǎn)角。 這是正弦波無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的位置傳感方式。目前所使用的旋轉(zhuǎn)變壓器包

54、括 普通有刷旋轉(zhuǎn)變壓器、無刷型旋轉(zhuǎn)變壓器、以及磁阻型旋轉(zhuǎn)變壓器等結(jié)構(gòu)。從相數(shù) 上分類，常用的一般有兩相及三相旋轉(zhuǎn)變壓器兩種類型，兩相情況又稱為正余弦旋 轉(zhuǎn)變壓器。從轉(zhuǎn)子極數(shù)上分類，旋轉(zhuǎn)變壓器又可以分為兩極和多對(duì)極情況。兩極旋 轉(zhuǎn)變壓器的位置信號(hào)是以 360角度為一個(gè)周期的，因此也成為絕對(duì)位置傳感器。 在正弦波無刷直流電動(dòng)機(jī)中，也往往采用與電動(dòng)機(jī)同極數(shù)的旋轉(zhuǎn)變壓器，這樣位置 信號(hào)與電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以具有相同的電周期，存在以一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。旋轉(zhuǎn)變壓 器輸出兩相正交波形，能輸出轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置，但其解碼電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴。2）磁編碼器 磁編碼器數(shù)據(jù)處理電路簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)多相輸出。但要獲得高分辨率，就要

55、求 有很高的機(jī)械加工精度。把增量脈沖進(jìn)行 U/f 變換，可以得到速度反饋信號(hào)。用增 量脈沖作系統(tǒng)的定位信號(hào)，容易產(chǎn)生原點(diǎn)脈沖。在磁鼓的適當(dāng)部位上充磁，也可以 用來檢測(cè)磁極位置。3）光電編碼器光電編碼器與前兩種檢測(cè)元件相比有明顯的優(yōu)點(diǎn)， 如數(shù)字量信號(hào)輸出、 慣量低、 噪聲低、高精度、高分辨率、制作簡(jiǎn)便、成本低等。其缺點(diǎn)是不耐沖擊及振動(dòng)，容 易受溫度變化影響，適應(yīng)環(huán)境能力較差。光電編碼器又分為絕對(duì)式和增量式兩種： 1. 絕對(duì)式編碼器可直接輸出轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置，不需要進(jìn)行編碼器定位。但其工藝 復(fù)雜、成本高，實(shí)現(xiàn)高分辨率、高精度較為困難。2. 增量式編碼器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，一般在碼盤上刻 A ，B，Z

56、 三道均勻分布的 刻線。由于其給出的位置信息是增量式的，當(dāng)系統(tǒng)初始化時(shí)需要進(jìn)行編碼器定 位。光電編碼器一般由發(fā)光二極管、 旋轉(zhuǎn)部分 （或動(dòng)光柵 ）、固定部分 （或定光柵 ） 和光 敏元件四個(gè)部分組成。目前電梯用永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)無一例外地使用 直接式法，并且全部采用是絕對(duì)式光電編碼器。其中復(fù)合式光電編碼器就是較常用 的一種， 它帶有簡(jiǎn)單磁極定位功能的增量式光電編碼器。 它輸出兩組信息 :一組信息 為A、B, Z與增量式光電編碼器的輸出信號(hào)完全相同，其中 A和B信號(hào)互差90 （電角度），通過判斷 A 和 B 的相位和個(gè)數(shù)可以得到電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度， Z 為零位 校準(zhǔn)脈沖 ;另一組為 U， V， W 三相互差 120（電角度）用于檢測(cè)磁極位置，帶有 絕對(duì)信息功能。4.2 間接方式 間接式永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)方法又稱為無傳感器方法。無傳感器方 法是因應(yīng)電機(jī)高速化、小型化的要求和一些特殊場(chǎng)合的要求而提出來的，它是利用 永磁同步電機(jī)定子繞組的有關(guān)電信號(hào)，通過適當(dāng)方法估計(jì)出轉(zhuǎn)子