【文章內(nèi)容簡介】 a)梨形槽 b)梯形槽 圖 22 定子槽形 為提高零部件的通用性、縮短開發(fā)周期，在進(jìn)行永磁同步電動機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，常常選用感應(yīng)電動機(jī)的定子沖片、機(jī)殼、端蓋和軸等。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 按照轉(zhuǎn)子是否有起動籠，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)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)磁場在轉(zhuǎn)子鐵心感應(yīng)的渦流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩起動，無需起動繞組。有時(shí)為提高起動轉(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 ，上面沖有均勻分布的槽，通常采用半閉口槽，如圖 23a)~d)所示。小功率電動機(jī)可采用圖 23a) 、圖 23b)所示的槽型。為增強(qiáng)集膚效應(yīng)、提高起動轉(zhuǎn)矩，可采用圖 23c)所示的凸形槽和圖 23d)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)電動機(jī)那么明顯。圖 23e)、圖 23f)所示的閉口槽也有一定的應(yīng)用，它可以簡化沖模制造、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，對起動性能有一定影響。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。 a) b) c) d) e) f) 圖 23 轉(zhuǎn)子槽形 感應(yīng)電動機(jī)中通常采用轉(zhuǎn)子斜槽，但在永磁同 步電動機(jī)中，鑒于因有永磁體槽而不便斜槽，一般將電動機(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，鑄鋁式具有工藝簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，因此永磁同步電動機(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。 永磁同步電動 機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)型式 永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)不同，則其運(yùn)行性能、控制系統(tǒng)、制造工藝和適用場合也不同。永磁同步電動機(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 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁 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 24 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24 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?，且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，僅適合于對起動性能要求不高的場合。 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，起動阻尼或（和）起動作用，動、穩(wěn)態(tài)性能好，廣泛用于要求有異步起動能力或動態(tài)性能高的永磁同步電動機(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 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁 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)易于控制，轉(zhuǎn)子沖片的機(jī)械強(qiáng)度高等。如圖 25 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 25a)所示徑向式結(jié)構(gòu)為美國的專利，圖 25b)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 25 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，尤其是當(dāng)電動機(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)勢更為突出。圖26 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。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁 a) b) 1— 轉(zhuǎn)軸； 2— 空氣隔磁槽； 3— 永磁體； 4— 轉(zhuǎn)子導(dǎo)條 圖 26 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。 a) b) 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁 c) d) 1— 轉(zhuǎn)軸； 2— 永磁體槽； 3— 永磁體； 4— 轉(zhuǎn)子導(dǎo)條 圖 27 內(nèi)置混合式轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu) 如圖 27 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；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度約是切向部分永磁體磁化方向長度的一半；圖 c)和 d)是由圖 25 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度相等，也采取隔磁磁橋隔磁。圖 25a)和 b)、圖 27c)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，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。 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，對于因負(fù)載變化而引起的電機(jī)轉(zhuǎn)矩的擾動具有較強(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)對電壓和轉(zhuǎn)矩?cái)_動具有更強(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)動部分的轉(zhuǎn)動慣量阻礙轉(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 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁 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)動部分的轉(zhuǎn)動慣量不會影響電機(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，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，從簡單電動工具到高科技產(chǎn)品，幾乎處處涉及 ； 5. 永磁同步電機(jī)沒有電刷，結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)的可靠性高。 由于 永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鋼的幾何形狀不同，使得轉(zhuǎn)子磁場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) 生的反電動勢波形也有兩種： 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機(jī)（ Permanent mag synchronous Machine, PMSM）。本文主要針對的是 PMSM [3]。 第三 章 永磁同步電動機(jī)的工作原理及數(shù)學(xué)模型 永磁同步電動機(jī)的工作原理 圖 31 永磁同步電動機(jī)工作原理示意圖 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁 當(dāng)永磁同步電動機(jī)的定子 三相對稱繞組 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 N S1 。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為 11 60fn p? 。由于 轉(zhuǎn)子 為 永磁體，產(chǎn)生恒定磁場 N S2 。定子磁場 N S1 與轉(zhuǎn)子磁場 N S2 之間產(chǎn)生磁拉力，從而產(chǎn)生電磁力矩拖動轉(zhuǎn)子與定子磁場同步旋轉(zhuǎn) 。 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)，但我們在進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)經(jīng)常使用的 是靜止 αβ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。 三相對稱繞組通過對稱三相電流將產(chǎn)生幅值恒定的旋轉(zhuǎn)磁場。然而這個(gè)恒定幅值的磁場也 可由兩相對稱繞組中的對稱兩相電流來產(chǎn)生。事實(shí)上，一組對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 (包括幅值和分布 )在任何時(shí)刻都是相同的，那么這種代替就是等效的 [4]。 圖 32 所示是常用的三個(gè)坐標(biāo)軸系，即靜止三相坐標(biāo)軸系、靜止 αβ 坐標(biāo)軸系及同步旋轉(zhuǎn) dq 坐標(biāo)軸系的示意圖，其中 θ 是兩相靜止 αβ坐標(biāo)系 α 軸和同步旋轉(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 MATLAB 中慣例來設(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。 0qd?? ?CBA 圖 32 三種常用坐標(biāo)軸系 為滿足三相繞組的合成磁勢與兩相繞組的合成磁勢相等的原則，定義 C3/2為三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止 αβ 坐標(biāo)系的變換矩陣 (以下簡稱 3/2 變換矩陣 ) 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁 得： 33 / 221 1 / 2 1 / 20 3 / 2 3 / 21 / 2 1 / 2 1 / 2NCN?????????? （ ） 其中 N N3 分別是三相繞組和兩相繞組每相的有效匝數(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 i0。 由兩相定子坐標(biāo)系到三相定子坐標(biāo)系變換矩陣 (以下簡稱 2/3 變換矩陣 )可以由 3/2 變換矩陣求逆獲得 ： 22 / 331 0 1 / 22 1 / 2 3 / 2 1 / 23 1 / 2 3 / 2 1 / 2NCN????? ? ????? （ ） 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) 32NN 等于 23 ，可得。 3 / 21 1 / 2 1 / 22 0 3 / 2 3 / 23 1 / 2 1 / 2 1 / 2C?????????? （ ） 當(dāng) A、 B、 C 各相繞組上的電壓與電流分別為相位互差 1