永磁同步电动机控制策略

永磁同步电动机控制策略综述

1 引言

近年来，随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。永磁同步电动机具有体积小，损耗低，效率高等优点，在节约能源和环境保护日益受到重视的今天，对其研究就显得非常必要。因此，这里对永磁同步电机的控制策略进行综述，并介绍了永磁同步电动机控制系统的各种控制策略发展方向。

2 永磁同步电动机的数学模型

当永磁同步电动机的定子通入三相交流电时，三相电流在定子绕组的电阻上产生电压降。由三相交流电产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场，一方面切割定子绕组，并在定子绕组中产生感应电动势；另一方面以电磁力拖动转子以同步转速旋转。电枢电流还会产生仅与定子绕组相交链的定子绕组漏磁通，并在定子绕组中产生感应漏电动势。此外，转子永磁体产生的磁场也以同步转速切割定子绕组，从而产生空载电动势。为了便于分析，在建立数学模型时，假设以下参数[2-3]：

② 忽略电动机的铁心饱和；

②不计电机中的涡流和磁滞损耗；

③定子和转子磁动势所产生的磁场沿定子内圆按正弦分布，即忽略磁场中所有的空间谐波；④各相绕组对称，即各相绕组的匝数与电阻相同，各相轴线相互位移同样的电角度。在分析同步电动机的数学模型时，常采用两相同步旋转（d ，q ）坐标系和两相静止（α，β）坐标系。图1 给出永磁同步电动机在（d ，q ）旋转坐标系下的数学模型[4]。

(1) 定子电压方程为：

d d d q f u p ri ψψω=+- （1） q q q d f u p ri ψψω=++ （2）

式中：r 为定子绕组电阻；p 为微分算子，p=d/dt ；d i ，q i 为定子电流；d u ，q u 为定子电压；d ψ，q ψ分别为磁链在d ，q 轴上的分量；f ω为转子角速度（ω=f ω p n ）；p n 为电动机极对数。

(2)定子磁链方程为：

d d d f L i ψψ=+ （3）

q q q L i ψ= （4）

式中：f ψ为转子磁链。 (3)电磁转矩为：

()[()]em p q d d q p f q d q d q T n i i n i L L i i ψψψ=-=+- （5）

(4)电动机的运动方程为：

em L p p

J d T T n n ω?=- （6）

式中：J 为电机的转动惯量。

若电动机为隐极电动机，则d q L L =，选取d i ，q i 及电动机机械角速度ω 为状态变量，由此可得永磁同步电动机的状态方程式为：

/ ///0///d s p d d q p s p j q q p f L i R L n i u L i n R L n L i u L n J B J T J ωωψψωω?????

???-???? ? ? ? ?

=--+ ? ? ? ? ? ? ? ?--????

?? ???

（7）

由式（7）可见，三相永磁同步电动机是一个多变量系统，而且d i ，q i ，ω 之间存在非线性耦合关系，要想实现对三相永磁同步电机的高性能控制，是一个颇具挑战性的课题。

3 永磁同步电动机的控制策略

任何电动机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用产生的。直流电动机的主磁场和电枢磁场在空间互差90°，因此可以独立调节；交流电机的主磁场和电枢磁场互不垂直，互相影响。因此，长期以来，交流电动机的转矩控制性能较差。经过长期研究，目前的交流电机控制有恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制等方案。 3.1 恒压频比控制

恒压频比控制是一种开环控制。它根据系统的给定，利用空间矢量脉宽调制转化为期望的输出电压out u 进行控制，使电动机以一定的转速运转。在一些动态性能要求不高的场所，由于开环变压变频控制方式简单，至今仍普遍用于一般的调速系统中，但因其依据电动机的稳态模型，无法获得理想的动态控制性能，因此必须依据电动机的动态数学模型。永磁同步电动机的动态数学模型为非线性、多变量，它含有ω 与d i 或q i 的乘积项，因此要得到精确的动态控制性能，必须对ω 和d i ，q i 解耦。近年来，研究各种非线性控制器用于解决永磁同步电动机的非线性特性。 3.2 矢量控制

高性能的交流调速系统需要现代控制理论的支持，对于交流电动机，目前使用最广泛的当属矢量控制方案。自1971 年德国西门子公司F.Blaschke 提出矢量控制原理，该控制方案就倍受青睐。因此，对其进行深入研究[5]。矢量控制的基本思想是：在普通的三相交流电动机上模拟直流电机转矩的控制规律，磁场定向坐标通过矢量变换，将三相交流电动机的定子电流分解成励磁电流分量和转矩电流分量，并使这两个分量相互垂直，彼此独立，然后分别调节，以获得像直流电动机一样良好的动态特性。因此矢量控制的关键在于对定子电流幅值和空间位置（频率和相位）的控制。矢量控制的目的是改善转矩控制性能，最终的实施是对d i ，q i 的控制。由于定子侧的物理量都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转，因此调节、控制和计算都不方便。需借助复杂的坐标变换进行矢量控制，而且对电动机参数的依赖性很大，难以保证完全解耦，使控制效果大打折扣。 3.3 直接转矩控制

直接转矩控制(Direct Torque Control ,简称DTC) 是20 世纪80 年提出的交流电机高性能控制策略, 它采用定子磁链定向和空间矢量概念,通过检测定子电压、电流,直接在定子

坐标系下观测电机的磁链、转矩,并将此观测值与给定磁链、转矩相比较,差值经滞环控制器得到相应控制信号, 再综合当前磁链状态来选择相应电压空间矢量, 实施直接对电机转矩的控制。

3.3.1 直接转矩控制的基本原理在生产工艺中，控制和调节电动机的转速是最终目的。然而，转速是通过转矩来控制的，电机转速的变化与电机的转矩有着直接而又简单的关系，转矩的积分就是电机的转速，积分时间常数由电机的机械系统惯性所决定，只有电机的转矩影响其转速。可见如何有效地控制和调节电机的转矩是控制和调节电机转速的关键。

在直接转矩控制中，其控制机理就是通过电压空间矢量来控制的旋转速度从而改变定子、转子磁链矢量之间的夹角，达到控制电动机转矩的目的。

(()())sin ((),())ei m s r m s r s r T K t t K t t ψψψψψψ=?=∠ (1)

根据定子磁链与电压空间矢量之间的关系(忽略定子电阻压降的影响)，可知定子磁链空间矢量与电压空间矢量之间存在积分关系。定子磁链空间矢量顶点的运动方向和轨迹对应于此时作用于定子的电压空间矢量的方向。当逆变器给电动机施加某一非零电压空间矢量时，会使定子磁链的旋转速度增加，这个期间转子磁链仍然以定子磁链旋转角频率的平均值匀速旋转，使得定子、转子磁链的夹角增加从而增大转矩；相反当逆变器加在定子上的电压空间矢量为零矢量时，定子磁链电压矢量则不运动，因而使得转矩减小。这样通过定子磁链电压矢量的走走停停达到改变转矩的目的。

直接转矩直接转矩控制系统是由电动机、逆变器、转矩调节器、磁链调节器、扇区判断模块和电压空间矢量表等几部分组成。其中，电压空间矢量的选取一般是通过查表的方式完成的。两电平逆变器可产生8 个不同的电压空间矢量，分别对应逆变器的8 种开关状态。通过不同的电压空间矢量的选取，就可以改变逆变器的开关状态，也就改变了永磁同步电动机的输入电压，从而实现对永磁同步电动机的直接转矩控制。 3.3.2 逆变器的八种开关状态

电压源型逆变器有三组，六个开关（SA 、SB 、SC 、SA 、SB 、SC ）组成，如图1 所示。

3.3.3 永磁同步电机直接转矩控制仿真系统的组成

图2 为永磁同步电机直接转矩控制系统结构图, 为定子磁链自控制与转矩自控制的双闭环控制系统。

图2 永磁同步电机直接转矩控制系统

系统利用电压、电流传感器检测定子两相电压( a u 、b u ) 和电流(a i 、b i ) ,通过Park 变

换将定子三相变量变换为定子α、β 坐标系中的两相分量,以利于进一步计算。定子磁链分量可通过磁链观测器而得到：

()()i i V R dt V R dt

αααβββψψ=?-=?-

转矩观测器的算法:

()2

T P i i αββαψψ=

- 3.3.4 系统仿真结果分析

电机参数如下:极对数p=3,定子电阻R=0156Ω,电势常数Ke=64V/1000r ·min-1,额定磁链

f ψ=0.42Wb,直轴电感d L =0.155mH,交轴电感q L =01155mH,额定线电压U=128V,额定转矩

n=10N ·m,额定转速n=2000r/min 。

本文利用软件MATLAB/ SIMUL INK 工具对永磁同步电机的直接转矩控制作了仿真,速度开环、转矩闭环、磁链闭环的DTC 仿真框图如图3 所示。

仿真条件为给定直流电压为额定电压300V , 给定定子磁链为额定值, 转矩指令在t=0.03s 时从3N ·m 变为-3N ·m,仿真结果如图4 与图5 所示

图4 PMSM 磁链瞬时值曲线

图5 PMSM 转矩响应曲线

图示表明, 永磁同步电动机转矩能快速跟随给定转矩。从图中同时也可以看出,转矩直接控制的转矩脉动比较大, 这是由于直接转矩控制的本身特性决定的, 常规直接转矩控制在采用两值滞环控制器和反电压空间矢量来获得转矩响应快速性的同时牺牲了系统的稳定性。永磁同步电机直接转矩控制是通过控制逆变器输出的电压矢量, 控制定子磁链矢量的大小和转速, 改变它与转子磁链之间的瞬时夹角大小,从而达到转矩的动态控制,其机理清晰、控制简单、综合,易于微机数字实现。仿真结果证明,直接转矩控制方式下,永磁同步电

机具有非常快速的转矩的响应, 但同时系统的稳态性能也有待于改进。

矢量控制方案是一种有效的交流伺服电动机控制方案。但因其需要复杂的矢量旋转变换，而且电动机的机械常数低于电磁常数，所以不能迅速地响应矢量控制中的转矩。针对矢量控制的这一缺点，德国学者Depenbrock 于上世纪80 年代提出了一种具有快速转矩响应特性的控制方案，即直接转矩控制（DTC ）[6-7]。该控制方案摒弃了矢量控制中解耦的控制思想及电流反馈环节，采取定子磁链定向的方法，利用离散的两点式控制直接对电动机的定子磁链和转矩进行调节，具有结构简单，转矩响应快等优点。DTC 最早用于感应电动机，1997年L Zhong 等人对DTC 算法进行改造，将其用于永磁同步电动机控制，目前已有相关的仿真和实验研究。DTC 方法实现磁链和转矩的双闭环控制。在得到电动机的磁链和转矩值后，即可对永磁同步电动机进行DTC 。图2 给出永磁同步电机的DTC 方案结构框图。它由永磁同步电动机、逆变器、转矩估算、磁链估算及电压矢量切换开关表等环节组成，其中d u ，

q u ，d i ，q i 为静止（d ，q ）坐标系下电压、电流分量。虽然，对DTC 的研究已取得了很大

的进展，但在理论和实践上还不够成熟，例如：低速性能、带负载能力等，而且它对实时性要求高，计算量大。 3.4 解耦控制

永磁同步电动机数学模型经坐标变换后，d i ，q i 之间仍存在耦合，不能实现对d i 和q i 的独立调节。若想使永磁同步电动机获得良好的动、静态性能，就必须解决d i ，q i 的解耦问题[8]。若能控制d i 恒为0，则可简化永磁同步电动机的状态方程式为：

/// /0/q s p f q q p f L

R L n L u L i i n J T J ψψωω????

--????

?? ?=+

? ? ? ?-????????

（8）此时，d i 与iq 无耦合关系，e p f q T n i ψ=，独立调节q i 可实现转矩的线性化。实现d i 恒为0 的解耦控制，可采用电压型解耦和电流型解耦。前者是一种完全解耦控制方案，可用于对d i ，q i 的完全解耦，但实现较为复杂；后者是一种近似解耦控制方案，控制原理是：适当选取d i 环电流调节器的参数，使其具有相当的增益，并始终使控制器的参考输入指令

*0d i =，可得到*0d d i i ≈=，*q q i i ≈，这样就获得了永磁同步电动机的近似解耦。图3 给

出基于矢量控制和*

0d i = 解耦控制的永磁同步电动机调速系统框图。

虽然电流型解耦控制方案不能完全解耦，但仍是一种行之有效的控制方法，只要采取较好的处理方式，也能得到高精度的转矩控制。因此，工程上使用电流型解耦控制方案的较多。然而，电流型解耦控制只能实现电动机电流和转速的静态解耦，若实现动态耦合会影响电动机的控制精度。另外，电流型解耦控制通过使耦合项中的一项保持不变，会引入一个滞后的功率因数。

以下具体介绍几种解耦控制：

1 永磁同步电机神经网络逆系统解耦控制

神经网络逆系统解耦常采用由静态神经网络和若干积分器组成的动态神经网络来构造连续系统的逆系统，对被控系统进行线性化并解耦[4-5]。根据永磁同步电机数学模型的可逆性分析，其相对阶是完备的，所以选择输入积分实现方式对永磁同步电机进行解耦控制，其神经网络逆系统结构如图1所示。即将逆系统式(15)、(16)与永磁同步电机原系统复合成两个伪线性子系统，其中：伪线性转速子系统的输入输出为二阶线性积分关系；伪线性定子磁链子系统的输入输出为一阶线性积分关系，系统实现了输入输出的线性化解耦。

在辨识永磁同步电机的神经网络逆系统时，本文选用了三层前馈网络，节点数分别为：输入层5个，隐含层9 个，输出层2 个，其隐含层神经元的激励函数为式(18)的单调光滑双曲正切函数，输出层由具有线性阈值激励函数的神经元组成[6]。

2222()x x

x x e e g x e e

---=+ (18)

选取足够的激励信号作为原系统的输入信号，以获取原系统的动静态特性。对于非线性、强耦合的多输入多输出系统，选取的激励信号需要能够充分激励出原系统内部各状态间的耦合关系。可以给出多组不同的激励信号：如幅值不同的随机方波在同一时刻改变幅值；幅值不同的随机方波在不同时刻改变幅值等。

本文神经网络输入信号中定子磁链与转速信号、输出信号定子电压的d 轴分量和q 轴分量可在解析逆解耦控制中直接得到，而定子磁链与转速的一、二阶导数则是采用高精度数值算法离线计算得到。一般取数千组样本进行归一化，然后再从归一化后的样本里集中选取2/3 进行训练，另外1/3 用于泛化能力的校验。闭环控制器设计

在实际应用中，由于受各种因素的影响，神经网络逆系统与被控系统复合而成的伪线性系统并不是一个简单、理想的线性系统，简单的将神经网络逆系统作为控制器来进行开环控制，其控制效果往往不佳。

为了使所设计的系统对模型参数及负载扰动具有较强的鲁棒性，并保证指令信号跟踪的无静差特性不受影响，本文采用鲁棒伺服控制器对伪线性子系统进行线性闭环控制器的设计，形成鲁棒伺服控制系统[10]。如图2 所示。

（1）转速子系统为二阶系统，线性化后为2

()1/G s s =，对其进行调节器设计，使闭环控制器为01()(+)/T s a a s s =，则系统的闭环传递函数选为

2122

1()

()()(+2)

n n n s s s s s ωλφλζωω+=++ (19) 式中：ζ 为阻尼系数；n ω为角频率。

设期望转速为2 000 r/min ，1λ=5，n ω=200 rad/s ，ζ =0.707，01k k k s =+，则参数

0a 、1a 、0k 、1k 可按下述公式计算：

0121011120000040000

214142287.8

n n n n a a k k λωωζωλλζω=======+= (20)

（2）磁链子系统为一阶系统，线性化后()1/G s s =，对其进行调节器设计，使闭环控制器为22()

()a s T s s

λ+=

，则系统的闭环传递函数选为 2

2()2n n

n n

s s s s ζωωφζωω+=++ (21) 取2a =1 000， 1λ=5，K =0。

3.2 控制系统框图

综合转速子系统和定子磁链子系统，将逆系统模型和永磁同步电机原系统逆变器模型串联后，组成伪线性系统，再附加线性闭环控制器来实现对电机的更有效控制，系统结构如图3 所示。

4 控制系统仿真试验

图 4 是永磁同步电机工作在额定参数下、负载转矩为5 N ?m 时的定子磁链和转速响应仿真曲线。从图中可以看出，定子磁链在2 s 时由0.8 Wb 跟踪下降到0.4 Wb ，基本无超调；转速在2 s 时由100 rad/s 跟踪上升到180 rad/s ，上升速度快，超调很小。因此，基于鲁棒伺服调节器的神经网络逆系统解耦控制方法具有良好的动态性能。

为了检验神经网络逆系统解耦控制对负载扰动的鲁棒性，图5 给出了负载变化时定子磁链和转速响应仿真曲线。当负载在1 s 时由5 N ?m 突变到10 N ?m ，转速曲线在小范围波动后迅速恢复，定子磁链几乎没受到影响。为进一步验证系统的抗干扰能力，令负载从0 到5 N ?m 的作周期性变化(如图6(a))，得到如图6(b)所示的转速响应曲线，表明神经网络逆解耦控制系统具有很好的抗干扰能力。

（a ）磁链响应曲线

（b）转速响应曲线

（a）磁链响应曲线

（b）转速响应曲线

（a）负载输入曲线

（b ）转速响应曲线

2 永磁同步电机的非线性自适应解耦控制

为了解决电机参数变化和负载扰动的不确定性、影响基于非线性解耦控制的永磁同步电机调速系统性能的问题, 提出了一种带干扰抑制的永磁同步电机调速系统非线性解耦控制方法. 该方法利用非线性解耦控制理论的微分几何方法实现永磁同步电机调速系统转速和磁链子系统的动态解耦, 并结合自适应策略, 将参数变化和负载转矩扰动作为扰动输入, 设计了动态自适应状态反馈控制律和参数自适应规律. 应用Lyapunov 稳定理论证明了算法的稳定性, 并实现具有2L 暂态性指标的渐进跟踪. 仿真和试验结果表明, 该控制策略能有效地改善永磁同步电机调速系统的动态性能, 增强其鲁棒性和抗干扰的能力. 3 永磁同步电机高性能电流反馈解耦控制技术

要实现d i ≡0 的解耦控制, 通常有两种方法：电压前馈解耦控制和电流反馈解耦控制。电压前馈控制是一种完全线性化的解耦控制方案,它能使d i , q i 完全解耦控制,然而难以在微处理器系统中实现；电流反馈解耦控制虽然是一种近似的解耦控制方案, 得到的是近似的线性化解耦模型,但却是行之有效的方法,该方法不仅能获得快速高精度的力矩控制,而且控制电路简单,实现较方便,且三相永磁同步伺服电动机在动、静态均能得到近似解耦控制。 4 结语

上述永磁同步电动机的各种控制策略各有优缺点，实际应用中应当根据性能要求采用与之相适应的控制策略，以获得最佳性能。永磁同步电动机以其卓越的性能，在控制策略方面已取得了许多成果，相信永磁同步电动机必然广泛地应用于国民经济的各个领域。参考文献：

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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。

(整理)永磁同步电动机的应用.

一、概述众所周知，直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。优良的控制特性使直流电动机在70年代前的很长时间里，在有调速、控制要求的场合，几乎成了唯一的选择。但是，直流电动机的结构复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电动机常常还装有换向极，以改善电机的换向性能。直流电机的转子上安放电枢绕组和换向器，直流电源通过电刷和换向器将直流电送入电枢绕组并转换成电枢绕组中的交变电流，即进行机械式电流换向。复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简便。但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因素低，轻载时尤甚，这大增加了线路和电网的损耗。长期以来，在不要求调速的场合，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无形中损失了大量电能。过去的电力拖动中，很少彩同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。人们亦知道变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题，但在70年代以前，变频电源是可想而不可得的设备。所以，过去的电力拖动中，很少看到用同步电动机作原动机。在大功率范围内，偶尔也有同步电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。自70年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用，主要的原因有： 1、高性能永磁材料的发展永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴1：5，第二代钐钴2：17和第三钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。它们不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈而需涂复处理。经过这几年的不断改进提高，这些缺点大多已经克服，现钕铁硼永磁材料最高的工作温度已可达180℃，一般也可达150℃，已足以满足绝大多数电机的使用要求。表1是各种永磁材料性能比较。表1各种永磁材料的性能比较永磁材料剩磁（T）Br(T) 矫顽力HcB(KA/m) 内禀矫顽力Hcj(KA/m) 最大磁能积(BH)m（KJ/m3）剩磁可逆温度系数αB(%C) 居里温度Tc8(C) 中等水平钕铁硼`` 1.26 967 955 310 -0.12 350 较高水平的钐钴1.00 746 766 210 -0.03 850

永磁同步电动机矢量控制(结构及方法)

第2章永磁同步电机结构及控制方法 2.1 永磁同步电机概述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，且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；又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。因而它是近年来研究得较多并在各个领域中得到越来越广泛应用的一种电动机。永磁同步电动机分类方法比较多：按工作主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式(常规式)和外转子式；按转子上有无起绕组，可分为无起动绕组的电动机(用于变频器供电的场合，利用频率的逐步升高而起动，并随着频率的改变而调节转速，常称为调速永磁同步电动机)和有起动绕组的电动机(既可用于调速运行又可在某以频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转矩起动，常称为异步起动永磁同步电动机)；按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机和正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。异步起动永磁同步电动机用于频率可调的传动系统时，形成一台具有阻尼(起动)绕组的调速永磁同步电动机。永磁同步伺服电动机的定子与绕组式同步电动机的定子基本相同。但根据转子结构可分为凸极式和嵌入式两类。凸极式转子是将永磁铁安装在转子轴的表面，如图 2-1(a)。因为永磁材料的磁导率十分接近空气的磁导率，所以在交轴(q 轴)、直轴(d 轴)上的电感基本相同。嵌入式转子则是将永磁铁安装在转子轴的内部，如图 2-1(b)，因此交轴的电感大于直轴的电感。并且，除了电磁转矩外，还有磁阻转矩存在。为了使永磁同步伺服电动机具有正弦波感应电动势波形，其转子磁钢形状呈抛物线状，其气隙中产生的磁通密度尽量呈正弦分布；定子电枢绕组采用短距分布式绕组，能最大限度地消除谐波磁动势。永磁体转子产生恒定的电磁场。当定子通以三相对称的正弦波交流电时，则产生旋转的磁场。两种磁场相互作用产生电磁力，推动转子旋转。如果能改变定子三相电源的频率和相位，就可以改变转子的转速和位置。

高压永磁同步电动机应用与研究

高压永磁同步电动机应用与研究目前工业领域中采用的高压中、大功率异步电动机普遍存在效率偏低、功率因数差等浪费电能现象。为实现中、大功率电动机高效节能目标，高效永磁同步电动机的研发和应用已成为国内外发展的必然趋势。高效永磁同步电动机理论分析、实验室试验和国家权威机构检测成功后，对现场应用尚无完整的试验研究数据，缺少通过试验和监测手段对高效永磁同步电动机进行经济效益分析。本文通过在张家口发电厂首次应用，并通过严格试验得出相关研究数据和分析结果。标签：高效永磁同步电动机现场方案试验研究结果分析引言在工业、建筑以及公用设施领域中电动机是重要的原动力设备，也是电能消耗的最大用户，和节电潜力的最大用户。2012年我国各类电动机总装机容量约为5亿千瓦，其中异步电动机的装机容量占全国电动机装机容量的90%，约占全国用电量的60%，占工业用量的75%，系统用电效率比国外先进水平低5%-15%，相当于每年浪费电能约1500亿千瓦时。目前工业领域中采用的高压中、大功率异步电动机普遍存在效率偏低、功率因数差等浪费电能现象。而高效永磁同步电动机能否达到高效节能目标，现场应用前景如何，已经引起国内各大企业关注。2013年工业和信息化部印发（2013年工业节能与绿色发展专项行动实施方案）提出，选择电机在能效提升和绿色发展方面要取得突破。本文将通过在张家口发电厂首次应用和现场试验进行分析。为企业应用永磁同步电动机提供参考。一、高压永磁同步电动机概述 1.高压永磁同步电动机的发展历程电机属于电磁装置，其工作原理是通过磁场实现电能与机械能间的不断转换。在电机的工作过程中，气息磁场是必不可少的。获得磁场的方法有两种，其中一种是通过电流得到。该种电机叫做电励磁电机，这种电机需要具备专门用来产生电流磁场的绕组，同时，为了保证电流的正常流动还需要为电机提供不间断的能量供应。另一种方法是通过永磁体来获得磁场，这可以大大简化电机的结构，同时，因为永磁体一旦磁化（充磁）之后就永久具有磁性，不再需要外界供给能量，这也大大的减少了能量的损耗。高压永磁同步电动机就是通过永磁体获得磁场的电动机，永磁体材料的发展促进了此种电动机的发展。稀土钴和钕铁硼永磁分别在20世纪60年代和80年代出现，这两种永磁材料的出现极大的促进的电动机的发展，因为这两种材料具有特别适用于电机装置的特性，包括高剩磁密度、高矫顽力、线性退磁曲线以及高磁能积。

永磁同步电动机结构原理3D

永磁同步电动机这些年永磁同步电动机得到较快发展，其特点是功率因数高、效率高，在许多场合开始逐步取代最常用的交流异步电机，其中异步起动永磁同步电动机的性能优越，是一种很有前途的节能电机。永磁同步电动机的定子结构与工作原理与交流异步电动机一样，多为4极形式，三相绕组按3相4极布置，通电产生4极旋转磁场。下图是有线圈绕组的定子.如下示意图1。图1定子铁芯与绕组如下图2是电机机座与定子。图2机座与定子

永磁同步电动机与普通异步电动机的不同是转子结构，转子上安装有永磁体磁极，图3左就是一个安装有永磁体磁极的转子，永磁体磁极安装在转子铁芯圆周表面上，称为凸装式永磁转子。磁极的极性与磁通走向图3右，这是一个4极转子。图3凸装式永磁转子根据磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用磁引力拉动转子旋转，于是永磁转子就会跟随定子产生的旋转磁场同步旋转。图4左是另一种安装有永磁体磁极的转子，永磁体磁极嵌装在转子铁芯表面，称为嵌入式永磁转子。磁极的极性与磁通走向见图右，这也是一个4极转子。图4嵌入式永磁转子铁芯1

图5右是一种嵌入式永磁转子，永磁体嵌装在转子铁芯内部，为防止永磁体磁通短路，在转子铁芯开有空槽或在槽内填充隔磁材料。磁极的极性与磁通走向见下右图，这也是一个4极转子。图5嵌入式永磁转子铁芯2 下图6为装上转轴的嵌入式永磁转子图6嵌入式永磁转转子铁芯两侧装上风扇然后与定子机座组装成整机，见下图7。

图7永磁同步电动机剖面图这种永磁同步电动机不能直接通三相交流的起动，因转子惯量大，磁场旋转太快，静止的转子根本无法跟随磁场旋转。这种永磁同步电动机多用在变频调速场合，启动时变频器输出频率从0开始上升到工作频率，电机则跟随变频器输出频率同步旋转，是一种很好的变频调速电动机。通过在永磁转子上加装笼型绕组，接通电源旋转磁场一建立，就会在笼型绕组感生电流，转子就会像交流异步电动机一样起动旋转。这就是异步起动永磁同步电动机，是近些年开始普及的节能电机。如下图8为永磁转子铁芯图8笼型绕组永磁转子铁芯笼型转子有焊接式与铸铝式：在转子每个槽内插入铜条，铜条与转子铁芯两侧的铜端环焊接形成笼型转子；与普通交流异步电动机一样采用铸铝式转子，将熔化的铝液直接注入转子槽内，并同时铸出端环与风扇叶片，是较廉价的做法，下图9是一个铸铝式笼型转子。

永磁同步电机无传感器控制技术

哈尔滨工业大学，电气工程系 Department of Electrical Engineering Harbin Institute of Technology 电力电子与电力传动专题课报告报告题目:永磁同步电机无传感器控制技术哈尔滨工业大学电气工程系姓名：沈召源学号：14S006040 2016年1月

目录 1.1 研究背景 (1) 1.2 国内外研究现状 (1) 1.3 系统模型 (2) 1.4 控制方法设计 (4) 1.5 系统仿真 (7) 1.6 结论 (8) 参考文献 (8)

1.1 研究背景永磁同步电机具有体积小、惯量小、重量轻等优点，在各领域的应用越来越广泛。目前在永磁同步电机的各种控制算法中，使用最多的是矢量控制和直接转矩控制，而这两种控制方式都需要转子位置，但转子位置传感器的采用限制了系统使用范围。永磁同步电机控制系统大多采用测速发电机或光电码盘等传感器检测速度和位置的反馈量，这不但提高了驱动装置的造价，而且增加了电机与控制系统之间的连接线路和接口电路，使系统易于受环境干扰、可靠性降低。由于永磁同步电机无传感器控制系统具有控制精度高、安装、维护方便、可靠性强等一系列优点，成为近年来研究的一个热点。 1.2 国内外研究现状无传感器永磁同步电机是在电机转子和机座不安装电磁或光电传感器的情况下，利用电机绕组中的有关电信号，通过直接计算、参数辨识、状态估计、间接测量等手段，从定子边较易测量的量如定子电压、定子电流中提取出与速度、位置有关的量，利用这些检测到的量和电机的数学模型推测出电机转子的位置和转速，取代机械传感器，实现电机闭环控制。最早出现的无机械传感器控制方法可统称为波形检测法。由于同步电机是一个多变量、强耦合的非线性系统，所要解决的问题是采用何种方法获取转速和转角。目前适合永磁同步电机的最主要的无速度传感器的控制策略主要有以下几种 (1)利用定子端电压和电流直接计算出θ和ω。该方法的基本思想是基于场旋转理论，即在电机稳态运行时，定子磁链和转子磁链同步旋转，且两磁链之间的夹角相差一个功角δ，该方法适用于凸极式和表面式永磁同步电机。该方法计算方法简单，动态响应快，但对电机参数的准确性要求比较高，应用这种方法时需要结合电机参数的在线辨识。 (2)模型参考自适应(MRAS)方法。该方法的主要思想是先假设转子所在位置，利用电机模型计算出该假设位置电机的电压和电流值，并通过与实测的电压、电流比较得出两者的差值，该差值正比于假设位置与实际位置之间的角度差。当该值减小为零时，则可认为此时假设位置为真实位置。采用这种方法，位置精度与模型的选取有关。该方法应用于PMSM时有一些新的需要解决的问题。 (3)观测器基础上的估计方法。观测器的实质是状态重构，其原理是重新构造一个系统，利用原系统中可直接测量的变量，如输出矢量和输入矢量作为它的输入信号，并使输出信号在一定条件下等价于原系统的状态。目前主要存在的观测器:全阶状态观测器、降阶状态观测器、推广卡尔曼滤波和滑模观测器。其中滑模观测器有很好的鲁棒性，但其在本质上是不连续的开关控制，因此会引起系统发生抖动，这对于矢量控制在低速下运行是有害的，将会引起较大的转矩脉动。扩展卡尔曼滤波器提供了一种迭代形式的非线性估计方法，避免了对测量的微分

永磁同步电机的原理及结构

第一章永磁同步电机得原理及结构１、1永磁同步电机得基本工作原理永磁同步电机得原理如下在电动机得定子绕组中通入三相电流,在通入电流后就会在电动机得定子绕组中形成旋转磁场，由于在转子上安装了永磁体,永磁体得磁极就是固定得，根据磁极得同性相吸异性相斥得原理，在定子中产生得旋转磁场会带动转子进行旋转，最终达到转子得旋转速度与定子中产生得旋转磁极得转速相等，所以可以把永磁同步电机得起动过程瞧成就是由异步启动阶段与牵入同步阶段组成得。在异步启动得研究阶段中，电动机得转速就是从零开始逐渐增大得,造成上诉得主要原因就是其在异步转矩、永磁发电制动转矩、等一系列得因素共同作用下而引起得,所以在这个过程中转速就是振荡着上升得。在起动过程中,电动机就就是以这转矩来得以加速得，其她得转矩大部分以制动性质为主。在电动机得速度由零增加到接近定子得磁场旋转转速时，在永磁体脉振转矩得影响下永磁同步电机得转速有可能会超过同步转速，而出现转速得超调现象。但经过一段时间得转速振荡后,最终在同步转矩得作用下而被牵入同步. 1、２永磁同步电机得结构永磁同步电机主要就是由转子、端盖、及定子等各部件组成得。一般来说，永磁同步电机得最大得特点就是它得定子结构与普通得感应电机得结构非常非常得相似,主要就是区别于转子得独特得结构与其它电机形成了差别。与常用得异步电机得最大不同则就是转子得独特得结构，在转子上放有高质量得永磁体磁极。由于在转子上安放永磁体得位置有很多选择，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.永磁同步电机得运行性能就是最受关注得，影响其性能得因素有很多，但就是最主要得则就是永磁同步电机得结构。就面贴式、插入式与嵌入式而言，各种结构都各有其各自得优点。

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。

高压永磁同步电动机应用与研究

高压永磁同步电动机应用与研究摘要：目前工业领域中采用的高压中、大功率异步电动机普遍存在效率偏低、功率因数差等浪费电能现象。为实现中、大功率电动机高效节能目标，高效永磁同步电动机的研发和应用已成为国内外发展的必然趋势。高效永磁同步电动机理论分析、实验室试验和国家权威机构检测成功后，对现场应用尚无完整的试验研究数据，缺少通过试验和监测手段对高效永磁同步电动机进行经济效益分析。本文通过在张家口发电厂首次应用，并通过严格试验得出相关研究数据和分析结果。关键词：高效永磁同步电动机试验研究结果分析现场方案引言在工业、建筑以及公用设施领域中电动机是重要的原动力设备，也是电能消耗的最大用户，和节电潜力的最大用户。2012年我国各类电动机总装机容量约为5亿千瓦，其中异步电动机的装机容量占全国电动机装机容量的90%，约占全国用电量的60%，占工业用量的75%，系统用电效率比国外先进水平低5%-15%，相当于每年浪费电能约1500亿千瓦时。目前工业领域中采用的高压中、大功率异步电动机普遍存在效率偏低、功率因数差等浪费电能现象。而高效永磁同步电动机能否达到高效节能目标，现场应用前景如何，已经引起国内各大企业关注。2013年工业和信息化部印发(2013年工业节能与绿色发展专项行动实施方案)提出，选择电机在能效提升和绿色发展方面要取得突破。本文将通过在张家口发电厂首次应用和现场试验进行分析。为企业应用永磁同步电动机提供参考。一、高压永磁同步电动机概述 1、高压永磁同步电动机的发展历程电机属于电磁装置，其工作原理是通过磁场实现电能与机械能间的不断转换。在电机的工作过程中，气息磁场是必不可少的。获得磁场的方法有两种，其中一种是通过电流得到。该种电机叫做电励磁电机，这种电机需要具备专门用来产生电流磁场的绕组，同时，为了保证电流的正常流动还需要为电机提供不间断的能量供应。另一种方法是通过永磁体来获得磁场，这可以大大简化电机的结构，同时，因为永磁体一旦磁化(充磁)之后就永久具有磁性，不再需要外界供给能量，这也大大的减少了能量的损耗。高压永磁同步电动机就是通过永磁体获得磁场的电动机，永磁体材料的发展促进了此种电动机的发展。稀土钴和钕铁硼永磁分别在20世纪60年代和80年代出现，这两种永磁材料的出现极大的促进的电动机的发展，因为这两种材料具有特别适用于电机装置的特性，包括高剩磁密度、高矫顽力、线性退磁曲线以及高磁能积。我国专家学者自主开发的高效高压永磁同步电动机，采用实心转子磁极铁芯和启动笼复合结构，消弱了齿谐波，减少了转子表面损耗，提高了电机效率。同时，非均匀气隙和优化通风散热，有效的控制了电机温升。该种电机同异步电机相比各项指标显著提供，额定负载效率大于96%，功率因数大于0.98，综合节电率在8%-15%。 2、高压永磁同步电动机的优点

永磁同步电机

高强度永磁同步电机本实用新型涉及一种高强度永磁同步电机的转子结构，它由中心轴，铁芯和附着在其外圆表面上的至少1对圆弧面形的磁钢构成圆辊状结构，各相邻两磁钢侧面之间留有气隙，各磁钢通过相应的锁紧件与铁芯构成锁紧联结结构，它解决了现有技术强度差、磁钢易被甩出，易出现事故的问题，用于制作各型永磁同步电机。交流永磁同步调速电梯电机之特性石正铎路子明我国电梯性能随着计算机控制技术和变频技术的发展有很大的提高，但是异步变频电动机存在低频低压低速时的转矩不够平稳进而影响低速段运行不理想的缺点。用永磁同步调速电机替代交流异步电机，用同步变频替代异步变频可以解决低速段的缺点和启动及运行中的抖动问题，使电梯运行更平稳、更舒适，同时减小电机的体积，降低噪音。采用有齿轮电梯曳引机，当电梯制动器失灵、轿厢产生自由落体时，可利用永磁同步电机的电流制动功能保证轿厢低速溜车，为电梯安全增加了一道安全屏障。一、永磁同步电机与异步电机的主要区别及特点由于异步电机是靠电机定子电流为电机转子励磁的，而永磁电机转子是用永磁体直接产生磁场不需要电励磁。因此永磁同步电机具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、效率高、形状和尺寸灵活多样等特点。二、交流永磁同步调速电梯电机的主要优点 1、结构简单运行可靠，由于永磁电机转子不需要励磁，省去了线圈或鼠笼，简化了结构，实现了无刷，减少了故障，维修方便简单，维修复杂系数大大降低。 2、低温升、小体积永磁同步电机与感应电机相比，因为不需要无功励磁电流，而具备： (1)、功率因数高近于1。 (2)、反电势正弦波降低了高次谐波的幅值，有效的解决了对电源的干扰。 (3)、减小了电机的铜损和铁损。同步电机温升小（约38K），电机外形小，体积与异步电机相比，降低一至两个机座号。 3、高效率超节能，因为功率因数高（可近似为1），又省去电励磁，减少了定子电流和定子转子电阻的损耗，效率高（94~96%），满载起动电流比异步减少一半，所以节能效果明显，用于电梯时，同步电机可节能40%以上（用户实际使用后测试结果），轻载电流小，只相当于异步电机的10%，如11KW异步电机轻载时异步电机电流10A，而同步电机轻载电流只有0.7A。 4、调速范围宽，可达1：1000甚至于更高（异步电机只有1：100），调速精度极高，可大大提高电梯的品质。 5、永磁同步电梯电机在额定转速内保持恒转矩，对于提高电梯的运行稳定性至关重要。可以做到给定曲线与运行曲线重合，特别是电动机在低频、低压、低速时可提供足够的转矩，避免电梯在启动缓速过程抖动，改善电梯启制动过程的舒

永磁同步电动机控制策略

永磁同步电动机控制策略综述 1 引言近年来，随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。永磁同步电动机具有体积小，损耗低，效率高等优点，在节约能源和环境保护日益受到重视的今天，对其研究就显得非常必要。因此，这里对永磁同步电机的控制策略进行综述，并介绍了永磁同步电动机控制系统的各种控制策略发展方向。 2 永磁同步电动机的数学模型当永磁同步电动机的定子通入三相交流电时，三相电流在定子绕组的电阻上产生电压降。由三相交流电产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场，一方面切割定子绕组，并在定子绕组中产生感应电动势；另一方面以电磁力拖动转子以同步转速旋转。电枢电流还会产生仅与定子绕组相交链的定子绕组漏磁通，并在定子绕组中产生感应漏电动势。此外，转子永磁体产生的磁场也以同步转速切割定子绕组，从而产生空载电动势。为了便于分析，在建立数学模型时，假设以下参数[2-3]： ② 忽略电动机的铁心饱和； ②不计电机中的涡流和磁滞损耗； ③定子和转子磁动势所产生的磁场沿定子内圆按正弦分布，即忽略磁场中所有的空间谐波；④各相绕组对称，即各相绕组的匝数与电阻相同，各相轴线相互位移同样的电角度。在分析同步电动机的数学模型时，常采用两相同步旋转（d ，q ）坐标系和两相静止（α，β）坐标系。图1 给出永磁同步电动机在（d ，q ）旋转坐标系下的数学模型[4]。 (1) 定子电压方程为： d d d q f u p ri ψψω=+- （1） q q q d f u p ri ψψω=++ （2）式中：r 为定子绕组电阻；p 为微分算子，p=d/dt ；d i ，q i 为定子电流；d u ，q u 为定子电压；d ψ，q ψ分别为磁链在d ，q 轴上的分量；f ω为转子角速度（ω=f ω p n ）；p n 为电动机极对数。 (2)定子磁链方程为： d d d f L i ψψ=+ （3） q q q L i ψ= （4）式中：f ψ为转子磁链。 (3)电磁转矩为： ()[()]em p q d d q p f q d q d q T n i i n i L L i i ψψψ=-=+- （5） (4)电动机的运动方程为： em L p p J d T T n n ω?=- （6）

永磁同步电动机的应用前景

一、概述众所周知，直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。优良的控制特性使直流电动机在70年代前的很长时间里，在有调速、控制要求的场合，几乎成了唯一的选择。但是，直流电动机的结构复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电动机常常还装有换向极，以改善电机的换向性能。直流电机的转子上安放电枢绕组和换向器，直流电源通过电刷和换向器将直流电送入电枢绕组并转换成电枢绕组中的交变电流，即进行机械式电流换向。复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简便。但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因素低，轻载时尤甚，这大增加了线路和电网的损耗。长期以来，在不要求调速的场合，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无形中损失了大量电能。过去的电力拖动中，很少彩同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。人们亦知道变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题，但在70年代以前，变频电源是可想而不可得的设备。所以，过去的电力拖动中，很少看到用同步电动机作原动机。在大功率范围内，偶尔也有同步电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。自70年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用，主要的原因有：1、高性能永磁材料的发展永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴1：5，第二代钐钴2：17和第三钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。它们不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈而需涂复处理。经过这几年的不断改

永磁同步电动机及控制策略综述

永磁同步电动机及控制策略综述点击数：401 王毅兰，徐艳平西安理工大学自动化学院电气工程系，陕西西安710048 摘要综述了永磁同步电动机的发展，阐释了永磁同步电动机的控制策略，提出了最新进展与研究热点，展望了永磁同步电机的应用前景。关键字永磁同步电动机；控制策略；综述 Overviews of Permanent Magnet Synchronous Motor and Its Control Strategies WANG Yilan，XU Yanping Xi’an University of Technology，Xi'an Shaanxi 710048 China Abstract The development of permanent magnet synchronous is overviewed，the control strategies of permanent magnet synchronous is introduced，the applied foreground of permanent magnet synchronous is prospected. Keywords permanent magnet synchronous motor(PMSM)；control strategies；overviews

材料技术的发展，特别是稀土永磁材料，磁性复合材料的出现，加之我国拥有—铁—硼)的储量，使得永磁电机活跃在各个工业生产中。永磁同步电机（PM 的电机，具有转子转动惯量小、效率高、功率密度大、可靠性高的优点，因此例如在数控机床等场合，永磁同步电动机正在逐步取代直流电机和感应电机。，明显地减小了体积，减轻了重量，降低了损耗，避免了电机发热，从而提高效果。 MSM 运动控制系统中，它比异步电动机更便于实现磁场定向控制，可以获得特性，使控制系统具有十分优良的动、静态特性。机的种类和基本结构，永磁同步电机分凸装式、嵌入式和内埋式三种基本形式，如图1 所示，前两种阻与交轴磁阻相等，因此交、直轴电感相等，即Ld=Lq，表现为隐极性质；另，因此Ld

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。

永磁同步电动机的应用前景

永磁同步电动机的应用前景上海交通大学电力学院金如麟谭茀娃一、概述众所周知，直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。优良的控制特性使直流电动机在70年代前的很长时间里，在有调速、控制要求的场合，几乎成了唯一的选择。但是，直流电动机的结构复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电动机常常还装有换向极，以改善电机的换向性能。直流电机的转子上安放电枢绕组和换向器，直流电源通过电刷和换向器将直流电送入电枢绕组并转换成电枢绕组中的交变电流，即进行机械式电流换向。复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简便。但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因素低，轻载时尤甚，这大增加了线路和电网的损耗。长期以来，在不要求调速的场合，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无形中损失了大量电能。过去的电力拖动中，很少彩同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。人们亦知道变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题，但在70年代以前，变频电源是可想而不可得的设备。所以，过去的电力拖动中，很少看到用同步电动机作原动机。在大功率范围内，偶尔也有同步电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。自70年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用，主要的原因有： 1、高性能永磁材料的发展永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴1：5，第二代钐钴2：17和第三钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。它们不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈而需涂复处理。经过这几年的不断改进提高，这些缺点大多已经克服，现钕铁硼永磁材料最高的工作温度已可达180℃，一般也可达150℃，已足以满足绝大多数电机的使用要求。表1是各种永磁材料性能比较。表1各种永磁材料的性能比较

六相永磁同步电动机磁场定向控制实例

六相永磁同步电动机磁场定向控制方案实例：本文在分析了六相永磁同步电动机(PMSM)的数学模型的基础上，建立了六相PMSM 矢量控制系统的仿真模型。同时，利用数字信号处理器TMS320LF2407的强大资源来实现矢量控制算法。最后，仿真分析和实验结果相符合，而且使得系统能够获得很好的性能。在满足一定的假设条件下，我们建立p 对极N 相正弦波永磁同步电动机在abc 坐标下和dq 坐标下的状态数学模型： fs ss sr s s f r rs rr r r L L i L L i ψψψψ????????=+????????????????，s s s r r u i p R u i ψψr ?????=+? ???????????? 式中 () kd kq R diag r r r r r =" 定转子绕组之间的互感矩阵 rs L ? 232 3kd1 kd kd kdn rs sr kq1 kq kq kqn L L L L L L L L L L ?? ==? ??? "" 转子绕组的电感系数矩阵 rr L ? 00 kd rr kq L L L ??=? ??? ss L -定子绕组电感系数矩阵 fs ψ-永磁体产生的磁通链过定子绕组的磁链 rs ψ-永磁体产生的磁通链过定子绕组的磁链 -定子绕组，直轴阻尼绕组和交轴阻尼绕组 ,,kd kq r r r p -对时间的求导算子d p dt = dq系统的磁链方程假设气隙磁场按正弦分布，忽略磁场的高次谐波分量，通过合适的变换矩阵

得到： 220 00 00 skd d kd kd d d fsd dq q q skq q kq kq pL L r pL i i pL L r pL ψψψψ?? ? ??+?????? ? ?==+??? ?????????????? +??? ? fsd ψ-定子相绕组轴线与直轴一致时，永磁体产生的基波磁通链过该相绕组的磁链 fr d ψ-永磁体产生的基波磁通链过转子绕组的直轴磁链建立了p 对极N 相正弦波永磁同步电动机的数学模型后，有助于我们从控制的角度出发对其进行分析，进而实现各种先进的控制策略，只是基本而重要的步骤。为建立六相PMSM的dq轴数学模型，假设： (1) 电机定子绕组产生的磁动势波和磁场在空间上都按正弦分布； (2) 忽略电机铁心剩磁，磁路线性； (3) 不计定子表面齿、槽的影响。在上述前提下，由图1所示的变换可得到dq 坐标系下六相PMSM 的磁链方程、电压方程和电磁转矩方程分别为： d d d s q s q q q s d 00 u i R p u i R ψψωψψ??????????=++?????????????????? ? ?? （1） d d d f q q q 000L i L i ψψψ???????? =+?????????? ?????? （2） em p f q d q d q ())T n i L L i i =+? （3） em l ?d T T R J dt Ω ??Ω= （4）

永磁式同步电机的特点及其分类

永磁式同步电机的特点及其分类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。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，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。近年来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，经大力推广和应用已有研究成果，使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得越来越广泛的应用。正向大功率化(高转速、高转矩)、高功能化和微型化方面发展。目前，稀土永磁电机的单台容量已超过1000KW，最高转速已超过300000r/min，最低转速低于0.01r/min，最小电机的外径只有 0.8mm，长1.2mm。我国是盛产永磁材料的国家，特别是稀土永磁材料钕铁硼资源在我国非常丰富，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4倍左右，号称“稀土王国”。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。因此，对我国来说，永磁同步电动机有很好的应用前景。充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，对实现我国社会主义现代化具有重要的理论意义和实用价值。永磁同步电动机的转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种：一种为正弦波；另一种为梯形波。这样就造成两种同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机(PMSM)

调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析

调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析 1 引言与传统的电励磁电机相比，永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率密度大；损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代，变频调速永磁同步电动机也应运而生。变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。这类电机通常由变频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。本文使用Ansoft Maxwell软件中的RMxprt模块进行了一种调速永磁同步电动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell 2D中建立了二维有限元仿真模型，并在此模型的基础上对电机的基本特性进行了瞬态特性分析。 2 调速永磁同步电动机的电磁设计 2.1 额定数据和技术要求调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。通过改变电机的各个参数来提高 T。本例所永磁同步电动机的效率η、功率因数cos?、起动转矩st T和最大转矩max 设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下：计算额定数据：

(1) 额定相电压：N 220V U U == (2) 额定相电流：3 N N N N N 1050.9A cos P I mU η??== (3) 同步转速：160=1000r /min f n p = (4) 额定转矩：3 N N 1 9.5510286.5N m P T n ?==g 2.2 主要尺寸和气隙长度的确定永磁电机的主要尺寸包括定子内径和定子铁心有效长度，它们可由如下公式估算得到： 2 i11P D L C n '= N N N cos E K P P η?'=， 6.1p Nm dp C K K AB δ α=' 式中，i1D 为定子内径，L 为定子铁心长度，P '为计算功率，C 为电机常数。 E K 为额定负载时感应电势与端电压的比值，本例取0.96；p α'为计算极弧系数，初选0.8；Nm K 为气隙磁场的波形系数，当气隙磁场为正弦分布时等于1.11；dp K 为电枢的绕组系数，初选0.92。A 为电机的线负荷，B δ为气隙磁密，A 和B δ的选择非常重要，直接影响电机的参数和性能，应从电机的综合技术经济指标出发来选取最合适的A 和B δ值，本例初选为200A/cm,0.7T A B δ==。由上式可初步确定电机的2i1D L ，但要想进一步确定i1D 和L 各自的值，还应选择主要尺寸比i1i122L L pL D D p λπτπ===，其中τ为极距。通常，中小型同步电动机的0.6~2.5λ=，一般级数越多，λ也越大，本例初选1.4。永磁同步电动机的气隙长度δ一般要比同规格的感应电动机的气隙大，主要是因为适当的增加气隙长度可以在一定的程度上减小永磁同步电动机过大的杂散损耗，减低电动机的振动与噪声和便于电动机的装配。所以设计永磁同步电动机的气隙长度时,可以参照相近的感应电动机的气隙长度并加以适当的修改。本例取=0.7mm δ。确定电动机定子外径时，一般是在保证电动机足够散热能力的前提下，视具体情况为提高电动机效率而加大定子外径还是为降低成本而减小定子外径。