永磁同步发电机的有限元分析
开题报告填写要求
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大功率高速永磁同步电机的设计与分析
大功率高速永磁同步电机的设计与分析 发表时间：2016-07-19T10:13:33.690Z 来源：《电力设备》2016年第8期作者：陆焕瑞王钢汪佳龙[导读] 从安全性、可靠性、稳定性、准确性等方面入手，通过自主研发，以此来研制出满足用户要求的高性能产品。陆焕瑞王钢汪佳龙(上海海事大学上海 201306) 摘要：针对西气东输过程中的10MW级变频驱动压缩机组(PDS)中，对高速直驱电动机的技术、结构和组成的要求，提出了大功率高速永磁同步电机的研制方案。本文尝试以10MW等级调速范围3120~4800rpm和额定频率160Hz的技术要求，来设计适合西气东输PDS中的大功率高速永磁同步电机。本文主要以Ansoft软件来设计电机，通过选择合适的技术参数来完成相应的设计。 关键词：PDS组，大功率，高速，永磁同步电机，Ansoft，设计与分析1 引言 根据10 MW级变频电驱压缩机组中压大功率变频调速驱动系统(简称PDS)国产化研制及应用的项目背景，提出了10MW级变频电驱系统的技术要求，通过比较分析市场各种变频器的结构特点和国产变频电驱系统技术力量，电机通常为正压通风防爆无刷励磁同步电机，一般有低速(1000~1500 r/min)加齿轮箱和4500~5200 r/min与压缩机高速直联驱动2种方式。由于国内厂家没有成熟的产品和应用业绩，主要由SIEMENS，ABB，TEMEI。由于变频永磁同步电机能够通过降低输入电压频率实现自起动，而内置的永磁体能够提供磁通以及产生相应的同步转矩，这样可以保证电机稳定运行时为同步电机运行状态。同时对于电机来说无需励磁电流，大大减少了定子上电流以及相应的损耗，并且在转子上几乎无电流以及铜耗。因此与传统的感应电机和励磁电机相比，具有效率高、功率因数高的优点。 2 大功率高速永磁同步电机的设计2.1 主要设计特点永磁同步电机的定子一般与相应的异步电机的定子冲片相同，最主要的是对转子的设计。本文设计的大功率高速永磁同步电机的使用场合较为特殊，对于这样的大电机要求运行可靠、大功率、高转速、高效率、防爆要求较高。所以不仅要设计合理的电磁磁路，又要在相应的技术参数基础上(机、电、热、材料、工艺、环境)对电机的性能进行改善。所以在设计过程中要综合以下方面综合考虑：(1)高压变频 高压变频起动永磁同步电机无需起动绕组，这样需要大功率的变频器来与之相匹配，同样还要加强电气强度，提高安全系数。 (2)大容量 电机为4级，定子额定电流约为660A，额定电压约为10kV,额定功率约为10MW，定子绕组采用Y型连接方式，相数为3相，额定频率为160Hz，额定转矩为20 。 (3)高转速 电机额定转速约为4800rpm，功率大、效率高、转速高，调速宽而且能持续运行。结合实际大功率高速永磁电机技术水平，合理选择驱动压缩机方式。 (4)防爆 天然气是极易发生燃烧爆炸的气体，所以对电机要进行防爆措施，选择合适的材料以及防爆等级。 (5)冷却 中小功率电机一般是利用空气进行通风冷却，但随着单机容量的增加，大功率高速电机的散热面积和风路安排受到诸多限制，使通风冷却较为困难。所以，为了保证电机温升不超过允许值需要用不同的冷却方式和通风系统。一般采用水风混合冷却，即内循环冷却采用水冷，外循环冷却采用风冷。 2.2 定转子设计 图1 定转子结构主要计算公式：
永磁同步电机的原理及结构
. . . . 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、 矩起的磁阻转矩和单轴转由转子磁路不对称而引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，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。
永磁同步电机基础知识
(一) PMSM 的数学模型 交流电机是一个非线性、强耦合的多变量系统。永磁同步电机的三相绕组分布在定子上，永磁体安装在转子上。在永磁同步电机运行过程中，定子与转子始终处于相对运动状态，永磁体与绕组，绕组与绕组之间相互影响，电磁关系十分复杂，再加上磁路饱和等非线性因素，要建立永磁同步电机精确的数学模型是很困难的。为了简化永磁同步电机的数学模型，我们通常做如下假设： 1) 忽略电机的磁路饱和，认为磁路是线性的； 2) 不考虑涡流和磁滞损耗； 3) 当定子绕组加上三相对称正弦电流时，气隙中只产生正弦分布的 磁势，忽略气隙中的高次谐波； 4) 驱动开关管和续流二极管为理想元件； 5) 忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响。 永磁同步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和机械运动方程组成，在两相旋转坐标系下的数学模型如下： (l)电机在两相旋转坐标系中的电压方程如下式所示: d d s d d c q q q s q q c d di u R i L dt di u R i L dt ωψωψ?=+-????=++?? 其中，Rs 为定子电阻；ud 、uq 分别为d 、q 轴上的两相电压；id 、iq 分别为d 、q 轴上对应的两相电流；Ld 、Lq 分别为直轴电感和交轴电感；ωc 为电角速度；ψd 、ψq 分别为直轴磁链和交轴磁链。 若要获得三相静止坐标系下的电压方程，则需做两相同步旋转坐标系到三相静止坐标系的变换，如下式所示。 cos sin 22cos()sin()3322cos()sin()33a d b q c u u u u u θθθπθπθπθπ?? ?-????? ??=--- ? ???? ???? ?+-+? ? (2)d/q 轴磁链方程： d d d f q q q L i L i ψψψ=+???=?? 其中，ψf 为永磁体产生的磁链，为常数，0f r e ωψ=，而c r p ωω=是机械角速度，p 为同步电机的极对数，ωc 为电角速度，e0为空载反电动势，其值为 倍。
高速永磁同步发电机设计研究毕业设计
毕业设计说明书题目：高速永磁同步发电机设计研究
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期：
学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日
永磁同步电机理论
Measurement of Eddy-Current Loss Coefficient P EC -R ,Derating of Single-Phase Transformers,and Comparison with K-Factor Approach Ewald F.Fuchs ,Fellow,IEEE ,Deniz Yildirim ,Member,IEEE ,and W.Mack Grady ,Senior Member,IEEE Abstract—A power amplifier is used to supply sinusoidal cur-rents of different frequencies for measuring eddy-current losses of a 25kV A single-phase transformer under short-circuit condi-tion.Measured data show that eddy-current loss is a linear func-tion of frequency with power of 2and the eddy-current loss co- efficient linear is computed.New measurement techniques are applied to determine the derating of single-phase transformers with full-wave diode and thyristor rectifier loads.The derating of transformers has been defined such that for the (apparent,real)power transfer of a transformer the total losses are identical to the rated losses at rated temperature.A relation between apparent power,derating and K-factor is given taking into account iron-core and stray-power losses.Measured derating values are compared with computed results based on the eddy-current losses,iron-core losses,stray-power losses,and K-factors.The eddy-current loss co- efficient nonlinear is computed from harmonics caused by diode/thyristor bridge loads. Index Terms—Eddy-current loss,K-factor,nonlinear load,transformer derating. I.I NTRODUCTION R ECENT publications [1],[2]detail the separate measure-ment of the iron-core losses and copper losses of single-phase transformers under (non)sinusoidal load conditions.In order to make a contribution to the recommended practice for es-tablishing transformer capability when supplying nonsinusoidal load currents,the K-factor approach [3]–[5]is modified to im-prove the prediction of the derating [6]of single-phase trans-formers.In [7]the harmonic loss factor is employed not the K-factor as defined in [3].The objective of this paper is to es-tablish a relationship between derating,K-factor and iron-core losses and to measure - (total harmonic distortion of current)values,where the indi-vidual current harmonics can be adjusted within certain limits.Prior work includes the measurement of the temperature due to current harmonics [11]for the same type of pole transformer as tested in this paper:the temperatures were monitored in [11] Manuscript received February 27,1998;revised August 21,1998.This work was supported by the Electric Power Research Institute,Palo Alto,CA,under Contract RP 2951-07. E.F.Fuchs and D.Yildirim are with the University of Colorado,Boulder,CO 80309. W.M.Grady is with the University of Texas,Austin,TX 78712.Publisher Item Identifier S 0885-8977(00)00664-6. for THD
永磁同步电机在高速电主轴系统中的应用
永磁同步电主轴技术与应用 摘要： 伴随着高速高效高精加工技术的飞速发展，高端数控机床针对电主轴的技术需求深度和广度都不断拓展。特别是近几年来，基于永磁同步电机的电主轴技术与产品得到了快速的发展和广泛的应用。本文结合笔者在电主轴技术研究和产品开发过程中所涉及的关键技术问题，尤其是永磁同步电机在高速电主轴系统中的应用问题进行了广泛深入的探讨，希望以此对国内永磁同步电主轴产品技术开发与推广应用有所促进。 一、引言 高速高精高效加工，是数控机床永恒的追求目标和发展趋势。高效率需要高速度，在航空零件加工中尤为突出。飞机机身结构件的典型零件有梁、筋、肋板、框、壁板、接头、滑轨等类零件。且以扁平件、细长件、多腔件和超薄壁隔框结构件为主。毛坯为板材、锻件和铝合金挤压型材，90％以上为铝合金件。材料利用率仅为5％-10％左右，原材料去除量非常大大（1）。材料去除量大，在粗加工阶段，需要主轴具备足够的转矩输出能力，满足大吃刀切削。整理结构，多腔超博，又需要用小刀具清根，修光。小刀具则需要主轴有足够高的转速，以满足刀具的切削速度需求。因此，航空铝合金零件的加工就需要机床主轴不但具备低速大转矩输出，同时又能在小刀具加工时具备足够高（20000rpm以上）的工作转速。 在磨具加工行业，近年来大量使用的高速雕铣机，在高速电主轴的助推下，利用小刀具的微刀痕特点，大大提高了各种材质模具制造的精度和速度。随着雕铣机床的进一步发展，雕铣机也逐渐进入零件加工领域，因此对主轴的低速输出转矩也提出较高的要求。 平板电脑、苹果手机等高端电子消费品的快速发展，是当今时代最大的亮点之一。这类日用电子消费品，更新速度之快，不但让人眼花缭乱，而且使数控钻攻中心机得以急速发展。这类机床除了具备现代数控机床的基本特征外，必须具备在6000rpm以上高速刚性攻丝的能力。 综合上述三个典型的行业需求，需要数控机床电主轴同时具备三种特点，低速大转矩输出、20000rpm以上的工作转速、可以高速刚性攻丝。永磁同步电主轴则是同时具备这三个特征的最佳电主轴产品。本文就是通过对永磁同步电主轴基本结构，关键技术，以及在不同机床领域里的应用介绍，希望大家对永磁同步电主轴能有比较全面的认识和借鉴。 二、永磁同步电主轴的基本结构及其特点 永磁同步电主轴与传统电主轴的最大区别是采用了稀土永磁同步电机作为主轴的驱动动力源，除此之外，基本结构与异步电机驱动的电主轴结构基本相同。图1为典型的雕铣机用异步电主轴结构，图2为典型的雕铣机用永磁同步电主轴结构。两者结构上最大的区别是图1中的9为感应式鼠笼转子，图2中的16为稀土永磁转子。另外，图2中的20为编码器，是为了较高的速度控制精度而增加的速度和位置反馈元件。
永磁同步电机的原理及结构
完美格式整理版 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、 矩起的磁阻转矩和单轴转由转子磁路不对称而引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，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。
永磁同步风力发电机的设计说明
哈尔滨工业大学 《交流永磁同步电机理论》课程报告题目：永磁同步风力发电机的设计 院 (系) 电气工程及其自动化 学科电气工程 授课教师 学号 研究生 二〇一四年六月
第1章小型永磁发电机的基本结构 小型风力发电机因其功率低，体积小，一般没有减速机构，多为直驱型。发电机型式多种多样，有直流发电机、电励磁交流发电机、永磁电机、开关磁阻电机等。其中永磁电机因其诸多优点而被广泛采用。 1.1小型永磁风力发电机的基本结构 按照永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，永磁发电机可分为径向式、切向式和轴向式。 （1）径向式永磁发电机径向式转子磁路结构中永磁体磁化方向与气隙磁通轴线一致且离气隙较近，漏磁系数较切向结构小，径向磁化结构中的永磁体工作于串联状态，只有一块永磁体的面积提供发电机每极气隙磁通，因此气隙磁密相对较低。这种结构具有简单、制造方便、漏磁小等优点。 径向磁场永磁发电机可分为两种：永磁体表贴式和永磁体内置式。表贴式转子结构简单、极数增加容易、永磁体都粘在转子表面上，但是，这需要高磁积能的永磁体（如钕铁硼等）来提供足够的气隙磁密。考虑到永磁体的机械强度，此种结构永磁电机高转速运行时还需转子护套。内置式转子机械强度较高，但制造工艺相对复杂，制造费用较高。 径向磁场电机用作直驱风力发电机，大多为传统的内转子设计。风力机和永磁体内转子同轴安装，这种结构的发电机定子绕组和铁心通风散热好，温度低，定子外形尺寸小；也有一些外转子设计。风力机与发电机的永磁体外转子直接耦合，定子电枢安装在静止轴上，这种结构有永磁体安装固定、转子可靠性好和转动惯量大的优点，缺点是对电枢铁心和绕组通风冷却不利，永磁体转子直径大，不易密封防护、安装和运输[1]。表贴式和径向式的结构如图1-1 a)所示。 a)径向式结构 b)切向式结构
永磁同步伺服电机(PMSM)驱动器原理
永磁同步伺服电机（PMSM）驱动器原理 来源：开关柜无线测温 https://www.360docs.net/doc/0111566580.html, 摘要：永磁交流伺服系统以其卓越的性能越来越广泛地应用到机器人、数控等领域，本文对其驱动器的功能实现 做了简单的描述，其中包括整流部分的整流过程、逆 变部分的脉宽调制（PWM）技术的实现、控制单元相应 的算法等三个部分。 关键词： DSP 整流逆变 PWM 矢量控制 1 引言 随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、永磁材料技术、交流可调速技术及控制技术等支撑技术的快速发展，使得永磁交流伺服技术有着长足的发展。永磁交流伺服系统的性能日渐提高，价格趋于合理，使得永磁交流伺服系统取代直流伺服系统尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域成了现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。永磁交流伺服系统具有以下等优点：（1）电动机无电刷和换向器，工作可靠，维护和保养简单；（2）定子绕组散热快；(3)惯量小，易提高系统的快速性；（4）适应于高速大力矩工作状态；（5）相同功率下，体积和重量较小，广泛的应用于机床、机械设备、搬运机构、印刷设备、装配机器人、加工机械、高速卷绕机、纺织机械等场合，满足了传动领域的发展需求。 永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已经进入了全数字的时代。全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等确定，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加的可靠。现在，高性能的伺服系统，大多数采用永磁交流伺服系统其中包括永磁
同步交流伺服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。伺服驱动器有两部分组成：驱动器硬件和控制算法。控制算法是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分，也是在技术垄断的核心。 2 交流永磁伺服系统的基本结构 交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其结构组成如图1所示。其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等等。我们的交流永磁同步驱动器其集先进的控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于高精度、高性能要求的伺服驱动领域，还体现了强大的智能化、柔性化是传统的驱动系统所不可比拟的。 目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，事项数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。 图1 交流永磁同步伺服驱动器结构 伺服驱动器大体可以划分为功能比较独立的功率板和控制板两个模块。如图2所示功率板（驱动板）是强电部，分其中包括两个单元，一是功率驱动单元IPM用于电机的驱动，二是开关电源单元为整个系统提供数字和模拟电源。 控制板是弱电部分，是电机的控制核心也是伺服驱动器技术核心控制算法的运行载体。控制板通过相应的算法输出PWM信号，
永磁同步电机的原理及结构
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、 矩起的磁阻转矩和单轴转由转子磁路不对称而引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，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。
旋转变压器在高速永磁同步电动机中的应用
旋转变压器在高速永磁同步电动机中的应用 黄科元，董恒，黄守道 (湖南大学，湖南长沙4l0082) 摘要：介绍一种用于高速永磁同步电动机控制的转子位置检测方法，该方法采用旋转变压器／数字转换器Au6802N1，将旋转变压器输出的模拟信号转化为数字位置信号。设计了Au6802N1与旋转变压器和TMs320F2812之间的接口电路，并提出了’种具有较强容错性的位置信号数字处理方法。试验表明，该方案能够准确地实现电机位置和速度的检测。 O引言 在采用磁场定向控制的永磁同步电动机调速系统中，需要实时地检测电机转子位置及转速，以实现转矩、速度的闭环控制。通常的检测方法是使用光电编码器，而常用的正交光电编码器起动时需要一段时间进行转轴定位，而且抗冲击震动性差，因此在需要快速响应的高速运行且对抗震要求较高的场合，往往使用旋转变压器。 旋转变压器的输出是含位置信息的模拟信号，需要将其转换为数字信号才可输入到单片机或DsP等控制芯片。本文采用多摩川公司的旋转变压器数字转换器Au6802N1将模拟位置信号转换成12位数字位置信号，同时采用TMs320F2812作主控cPu，可满足系统对转子位置与速度信号实时快速检测和处理的要求。实验表明该方案确实可行，并具有较高的控制精度。 1旋转变压器的原理 本系统选用的无刷旋转变压器如图1所示。经过无刷化设计，旋转变压器初级励磁绕组(R1一R2)和二相正交的次级感应绕组(s1一s3，s2一S4)同在定子侧，转子侧是与初级绕组和次级绕组磁通耦合的特殊结构的线圈绕组。
当旋转变压器转子随电机同步旋转、初级励磁绕组外加交流励磁电压后，次级两输出绕组中便会产生感应电势，大小为励磁与转子旋转角的正、余弦值的乘积。旋转变压器输入输出关系如下： 式中：F0——励磁最大幅值； ω——励磁角频率； K——旋转变压器变比； θ——转子旋转角度。 2基于Au6802N1的接口电路 2 1旋转变压器与Au6802N1的接口电路 Au6802N1提供给旋转变压器的交流励磁电压由RsO—cOM口输出，频率由引脚FsEL1和FsEL2设置，在图2的电路中励磁电压信号的频率设置为10 kHz。励磁电压的有效值通过双电源B00ster放大电路进行调节。该励磁电压信号又反馈回R1ER2E端口，用于实现内部相位同步检测和断相检测。旋转变压器产生的cos和sin信号经过调理后分别由s3-s1和s4-s2端口进入解码芯片。参数选择：V=15 V，R i=22 kΩ，R f=100 kΩ，R1=R2=3. 3 kΩ，R3=R4=4. 7 Ω，R ext=12 Ω，R Rl=R R2=3．3 kΩ，R11=20 kΩ，R12=200 kΩ，R BH=68 kΩ，R BL=20 kΩ；C i=O．1μF，C f=200 pF，C n=100 pF，C c=1 000 pF。
永磁同步电机矢量控制简要原理
关于1.5KW永磁同步电机控制器的初步方案 基于永磁同步电机自身的结构特点，要实现对转速及位置的伺服控制，采用矢量控制算法结合SVPWM技术实现对电机的精确控制，通过改变电机定子电压频率即可实现调速，为防止失步，采用自控方式，利用转子位置检测信号控制逆变器输出电流频率，同时转子位置检测信号作为同步电机的启动以及实现位置伺服功能的组成部分。 矢量控制的基本思想是在三相永磁同步电动机上设法模拟直流 电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分量分解成产生磁通的励磁电流分量id和产生转矩的转矩电流iq分量，并使两分量互相垂直，彼此独立。当给定Id=0，这时根据电机的转矩公式可以得到转矩与主磁通和iq乘积成正比。由于给定Id=0，那么主磁通就基本恒定，这样只要调节电流转矩分量iq就可以像控制直流电动机一样控制永磁同步电机。 根据这一思想，初步设想系统的主要组成部分为：主控制板部分，电源及驱动板部分，输入输出部分。 其中主控制板部分即DSP板，根据控制指令和位置速度传感器以及采集的电压电流信号进行运算，并输出用于控制逆变器部分的控制信号。 电源和驱动板部分主要负责给各个部分供电，并提供给逆变器部分相应的驱动信号，以及将控制信号与主回路的高压部分隔离开。 输入输出部分用来输入控制量，显示实时信息等。
原理框图如下： 基本控制过程：速度给定信号与检测到的转子信号相比较，经过速度控制器的调节，产生定子电流转矩分量Isq_ref，用这个电流量作为电流控制器的给定信号。励磁分量Isd_ref由外部给定，当励磁分量为零时，从电机端口看，永磁同步电机相当于一台他励直流电机，磁通基本恒定，简化了控制问题。另一端通过电流采样得到三相定子电流，经过Clarke变换将其变为α-β两相静止坐标系下的电流，再通过park 变换将其变为d-q两相旋转坐标系下电流Isq，Isd，分别与两个调节器的参考值比较，经过控制器调节后变为电压信号Vsd_ref和Vsq_ref，再经过park逆变换，得到Vsa_ref和Vsb_ref作为SVPWM的控制信
永磁同步电机基础知识
(一) P M S M 的数学模型 交流电机是一个非线性、强耦合的多变量系统。永磁同步电机的三相绕组分布在定子上，永磁体安装在转子上。在永磁同步电机运行过程中，定子与转子始终处于相对运动状态，永磁体与绕组，绕组与绕组之间相互影响，电磁关系十分复杂，再加上磁路饱和等非线性因素，要建立永磁同步电机精确的数学模型是很困难的。为了简化永磁同步电机的数学模型，我们通常做如下假设： 1) 忽略电机的磁路饱和，认为磁路是线性的； 2) 不考虑涡流和磁滞损耗； 3) 当定子绕组加上三相对称正弦电流时，气隙中只产生正弦分布的磁势，忽略气隙中的高次谐波； 4) 驱动开关管和续流二极管为理想元件； 5) 忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响。 永磁同步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和机械运动方程组成，在两相旋转坐标系下的数学模型如下： (l)电机在两相旋转坐标系中的电压方程如下式所示: 其中，Rs 为定子电阻；ud 、uq 分别为d 、q 轴上的两相电压；id 、iq 分别为d 、q 轴上对应的两相电流；Ld 、Lq 分别为直轴电感和交轴电感；ωc 为电角速度；ψd 、ψq 分别为直轴磁链和交轴磁链。 若要获得三相静止坐标系下的电压方程，则需做两相同步旋转坐标系到三相静止坐标系的变换，如下式所示。 (2)d/q 轴磁链方程： 其中，ψf 为永磁体产生的磁链，为常数，0f r e ωψ=，而c r p ωω=是机械角速度，p 为同步电机的极对数，ωc 为电角速度，e0为空载反电动势，其值为每项 倍。 (3)转矩方程： 把它带入上式可得: 对于上式，前一项是定子电流和永磁体产生的转矩，称为永磁转矩；后一项是转 子突极效应引起的转矩，称为磁阻转矩，若Ld=Lq ，则不存在磁阻转矩，此时，转矩方程为： 这里，t k 为转矩常数，32 t f k p ψ=。 (4)机械运动方程： 其中，m ω是电机转速，L T 是负载转矩，J 是总转动惯量(包括电机惯量和负载惯量)，B 是摩擦系数。 (二) 直线电机原理 永磁直线同步电机是旋转电机在结构上的一种演变，相当于把旋转电机的定子和动子沿轴向剖开，然后将电机展开成直线，由定子演变而来的一侧称为初级，转子演变而来的一侧称为次级。由此得到了直线电机的定子和动子，图1为其转变过程。
永磁同步电机的原理和结构
第一章永磁同步电机的原理及结构 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。 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。
高速永磁同步电动机绕组交流损耗计算
? 80 ? ELECTRONICS WORLD ?探索与观察 针对高速永磁同步电动机绕组高频损耗严重，计算较困难的问题，本文利用Ansoft有限元分析软件建立了考虑趋肤效应和邻近效应的有限元模型，对不同供电频率、不同并绕根数以及通风槽口高度对交流损耗的影响进行了详细的分析：电流频率的增大会导致绕组交流损耗增大；多根并绕可以减小导体的集肤效应，但同时也增加了导体的临近效应，选择并绕根数是应综合考虑这两方面因素；适当的增大槽口高度可以有效的减小绕组的交流损耗。 1 引言 高速永磁同步电动机具有效率高，功率密度大，体积小、重量轻等优点，在电驱动领域和运动控制等方面有着广泛的应用前景。在电机绕组中，由于集肤效应和邻近效应的作用，使得导体内部电流密度分布不均，产生附加铜耗。但由于高速永磁同步电动机工作频率高，电机绕组中电流的集肤效应和邻近效应非常严重，造成电机绕组铜耗增大，给体积小，原本散热就较困难的高速电机增加了散热负担。故在电机设计及优化时，有必要准确的预测电机定子绕组中的交流损耗（Xi Nan，Charles R.Sullivan.An improved calculation of proximity-effect loss in high-frequency windings of round conductors.PESC,2003；江善林，高速永磁同步电机的损耗分析与温度场计算：哈尔滨工业大学，2010；P.B.Reddy，Z.Q.Zhu，Seok-Hee Han，T.M.Jahns.Strand-Level proximity losses in PM ma-chines designed for high-speed operation(C).Proceedings of the IEEE on electrical machines，2008；倪光正，工程电磁场原理：高等教育出版社，2002）。 本文重点研究了高速永磁同步电机定子绕组在高频时趋肤效应和邻近效应影响下的交流损耗，利用Ansoft有限元分析软件建立了考虑趋肤效应和邻近效应的二维有限元模型，建立了每根导体的模型，研究了不同供电频率、不同绕组并联根数以及不同槽内通风道高度对电机绕组高频下的交流损耗的影响，分析了如何在设计电机的过程中尽可能的减小电机绕组的交流损耗。 2 绕组电流频率对交流损耗的影响 本文基于一台1MW，20000r/min的高速永磁电机，在该电机的设计中，采用成型线圈和双层短距绕组，每个定子槽中有56根导体组成，本文采用4极转子结构，因此电机的额定频率高达634Hz，而在高频下，由于绕组中存在明显的趋肤效应和邻近效应，绕组的高频损耗会显著增加。为了考虑该效率的影响，本文采用有限元软件，建立了每根导体的有限元模型，如图1所示。图1中的槽口位置为通风道高度，每根导线通以如图2所示的三相对称电流。 不同频率下的绕组电流密度分布如图3所示。当电流的初始角度为30度时，B相绕组的电流为0A，但由于高频时邻近效应的存在，B相中的电流密度不为0，仍然存在涡流，且随着频率的增加，电流密度逐渐增大。此外，由于高频时趋肤效应和邻近效应的影响，槽内不同导体位置的电流密度不同，存在不均匀的电流分布，且靠近槽口位置处的导体的电流密度最大。 当高频时考虑趋附效应和邻近效应时的损耗为交流损耗（Pac），当绕组中通入直流电源，频率为0时，此时的绕组损耗为直流损耗（Pdc）。交流损耗与直流损耗的比值可以反映出趋附效应和邻近效应对损耗的影响程度。图4显示了交流损耗与直流损 耗的比值与供电频率的关系。从图中可以看出，当供电频率低于500Hz时，交流损耗与直流损耗的比值小于2，但随着供电频率的增加，当供电频率为1000Hz时，交流损耗与直流损耗的比值将会增加 到4倍，随着供电频率继续增加到2000Hz时，交流损耗与直流损耗的比值将接近10倍，由此可以看出，随着供电频率的增加，绕组交流损耗会急剧增加，会使绕组损耗增加几倍甚至几十倍，将会大幅的增加绕组的温升，使其温度过高，影响电机寿命和温度运行。因 此，在高速永磁电机设计时，不能像传统电机那样，仅仅只考虑绕 组的直流损耗，高频下的趋肤效应和邻近效应必须予以准确预测。 图1 绕组有限元模型 图2 导体三相电流 图3 不同电流频率时绕组电流密度分布(Phase=30deg)
航空用高速永磁发电机的损耗分析
航空用高速永磁发电机的损耗分析 众所周知,电机在百姓生活领域和工业生产领域被广泛应用,是最重要的电气动力设备之一。近年来,由于电磁特性、电磁材料机械特性和电机驱动方式的发展改进,算法的更新优化以及高速轴承的研究,使得高速电机广泛应用的可能性大大提高。 高速永磁电机具有较快的动态响应、较高的功率密度,其体积小、结构简单,高速性能和容错能力强,能够适应恶劣工作环境等,在高速应用中的技术优势显著。高速永磁电机在船舶、航空航天等军事领域中的应用前景潜力巨大。 但其在超高转速状态下,电机在结构强度、温升损耗和永磁体保护等方面还存在大量的技术难题,制约着电机在相关领域的发展和应用。同时,随着高速永磁发电机技术水平的不断提高,在工业生产活动中对高速电机的需求日益增大,极大提高了高速电机发展的必要性。 本文以一台45kW,8000r/min,6极的表贴式高速永磁同步发电机为研究对象,对发电机的各种损耗进行了分析。首先,分析了永磁同步发电机的定子铜耗、铁耗和机械损耗。 其次,用公式法计算出发电机的绕组铜耗,通过Ansoft Maxwell对发电机建模,利用有限元分析法对发电机的铁心损耗、永磁体涡流损耗进行仿真计算,并分析了不同转速下铁心损耗和永磁体涡流损耗的变化规律,分析转子永磁体涡流损耗的产生原因和槽口尺寸对永磁体涡流损耗的影响,同时通过分析永磁体上电密分布情况以及对永磁体和护套上的涡流损耗的计算证明了永磁体护套可以有效地保护永磁体并减小发电机的涡流损耗。对于风摩耗的研究,建立发电机的三维模型并通过Gambit剖分软件对其进行细致剖分,通过Fluent有限元法和解析法
对发电机的风摩耗进行计算,并且分析了发电机两个端腔内的空气、转子转速、转子表面粗糙程度、转子风刺等方面对发电机风摩耗的影响。 最后,将两种方法计算出的数据进行对比,证明了本文拟用方法的合理性。
Ansoft永磁同步电机 设计 报告
现代电机设计 利用Ansoft软件对异步起动永磁同步电动 机的分析计算 2013 年7 月
目录 第1章引言………… 第2章 RMxprt在永磁同步电机中的电机性能分析………… 2.1 Stator项设置过程………… 2.2 Rotor项设置过程………… 2.3 Line Start-Permanent Magnet Synchronous Machine的电机仿真………… 2.4 计算和结果的查看………… 第3章静态磁场分析………… 3.1 电机模型和网格剖分图………… 3.2 磁力线分布图…………………… 3.3 磁密曲线 3.3.1 气隙磁密分布………… 3.3.2 定子齿、轭部磁密大小………… 3.3.3 转子齿磁密大小………… 第4章瞬态场分析………… 4.1 额定稳态运行性能………… 4.1.1 电流与转矩大小………… 4.1.2 各部分磁密………… 4.2 额定负载启动………… 4.2.1 转矩-时间曲线………… 4.2.2 电流-时间曲线………… 4.2.3 转速-时间曲线………… 4.2.4 转矩-转速曲线…………
第1章引言 Ansoft Maxwell作为世界著名的商用低频电磁场有限元软件之一，在各个工程电磁场领域都得到了广泛的应用。它基于麦克斯韦微分方程，采用有限元离散形式，将工程中的电磁场计算转变为庞大的矩阵求解。该软件包括二维求解器、三维求解器和RMxprt旋转电动机分析专家系统这3个主要模块，不仅可以进行静磁场、静电场、交直流传导电场、瞬态电场、涡流场、瞬态磁场等不同的基本电磁场的特性分析，还可以通过RMxprt电动机模块仿真多种电动机模型，为实际电动机设计提供帮助。利用Ansoft软件进行仿真可以帮助我们了解电动机的结构特性。 本文是一台4极、36槽绕组永磁同步电动机，利用RMxprt模块进行电机的建模、仿真以及导入到Maxwell2D的有限元模块的方法，然后再对Maxwell2D 中的永磁体模型进行修正，最后对该电机在静态磁场和瞬态磁场的情况下进行分析。