2022年交流永磁同步电机结构和工作原理.docx

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1、精品学习资源沟通永磁同步电机结构与工作原理2 1 1 沟通永磁同步电机的结构永磁同步电机的种类繁多，依据定子绕组感应电动势的波形的不同，可以分为正弦波永磁同步电机PMSM和梯形波永磁同步电机BLDC【261 ；正弦波永磁同步电机定子由三相绕组以及铁芯构成，电枢绕组常以Y 型连接，采纳短距分布绕组；气隙场设计为正弦波，以产生正弦波反电动势；转子采纳永磁体代替电励磁，依据永磁体在转子上的安装位置不同，正弦波永磁同步电机又分为三类：凸装式、嵌入式和内埋式；本文中采纳的电机为凸装式正弦波永磁同步电机，结构如图2 一 l 所示，定子绕组一般制成多相，转子由永久磁钢按肯定对数组成，本系统的电机转子磁极对数

2、为两对，就电机转速为n=60f p ， f 为电流频率， P 为极对数；欢迎下载精品学习资源图 2 一 l 凸装式正弦波永磁同步电机结构图目前，三相同步电机现在主要有两种掌握方式，一种是他控式 又称为频率开环掌握 ；另一种是自控式 又称为频率闭环掌握27】；他控式方式主要是通过独立控N#l-部电源频率的方式来调剂转子的转速不需要知道转子的位置信息，常常采纳恒压频比的开环掌握方案；自控式永磁同步电机也是通过转变外部电源的频率来调剂转子的转速，与他控式不同，外部电源频率的转变是和转子的位置信息是有关联的，转子欢迎下载精品学习资源转速越高，定子通电频率就越高，转子的转速是通过转变定子绕组外加电压 或

3、电流频率的大小来调剂的；由于自控式同步电机不存在他控式同步电机的失步和振荡问题，并且永磁同步电机永磁体做转子也不存在电刷和换向器，降低了转子的体积和质量，提高了系统的响应速度和调速范畴，且具有直流电动机的性能，所以本文采纳了自控式沟通永磁同步电机；当把三相对称电源加到三相对称绕组上后，自然会产生同步速的旋转的定子磁场，同步电机转子的转速是与外部电源频率保持严格的同步，且与负载大小没关系；2 1 2 沟通永磁同步电机的工作原理本系统采纳的是自控式交直交电压型电机掌握方式，由整流桥、三相逆变电路、掌握电路、三相沟通永磁电机和位置传感器构成，其结构原理图如图2 2 所示；在图 2 2 中， 50HZ

4、的市电经整流后，由三相逆变器给电机的三相绕组供电，三相对称电流合成的旋转磁场与转子永久磁钢所产生的磁场相互作用产生转矩，拖动转子同步欢迎下载精品学习资源旋转，通过位置传感器实时读取转子磁钢位置，变换成电信号掌握逆变器功率器件开关，调剂电流频率和相位，使定子和转子磁势保持稳固的位置关系，才能产生恒定的转矩，定子绕组中的电流大小是由负载打算的；定子绕组中三相电流的频率和相位随转子位置的变化而变化的，使三相电流合成一个与转子同步的旋转磁场，通过电力电子器件构成的逆变电路的开关变化实现三相电流的换相，代替了机械换向器；图 2 2 自 控 式电 机 结 构原 理 图正弦波永磁同步电机属于自控式电机，只是

5、电动机的定子反电势和电流波形均为正弦波，并且保持同相，其可以获得与直流电机相同的转矩特性，而且能实现恒转矩的调速特性；本位置伺服系统是通过正弦波永磁同步电机来实现位置伺服功能的；欢迎下载精品学习资源2 1 3 旋转式编码器由自控式正弦波PMSM构成的伺服系统，需要实时检测电机转子的位置及转速，本系统是通过旋转编码器来猎取相关的信息；依据编码器的工作原理不同可分为磁性编码器和光学编码器，而依据编码器的输出信号的不同又分为增量式incremental和肯定式 absolute编码器两种；肯定式编码器可以直接测得转子的肯定位置， 每次为检测到转子的位置供应一个独一无二的编码数字值；肯定式型编码器 旋

6、转型 码盘上有很多道光通道刻线，每道刻线依次以2 线、 4 线、 8 线、 16线. . 编排，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2 的零次方到 2 的n-1次方的唯独的 2 进制编码，这就称为n 位肯定编码器；这样的编码器是由光电码盘的机械位置打算的，它不受停电、干扰的影响；增量式编码器每次只能返回转子的相对位置；增量型只能测角位移 间接为角速度 增量，以前一个时刻为基点；光电式增量式编码器 旋转型 由一个中心有轴的光电欢迎下载精品学习资源码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取，获得四组正弦波信号组合成 A 、 B 、 C、 D ，每个正弦波相差90度

7、相位差 相对于一个周波为360度 ， 将 C、D 信号反向，叠加在A 、 B 两相上，可增强稳固信号；另每转输出一个Z 相脉冲以代表零位参考位；由于A 、 B 两相脉冲信号相差90 度，可通过比较A 相在前仍是B 相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位；编码器以每旋转360度供应多少的通或暗刻线称为辨论率，也称解读分度、或直接称多少线，一般在每转分度5 10000线；光学增量式编码器和磁性增量式编码器，输出信号信息基本上一样的；光学编码器的主要优点是对潮湿气体和污染敏锐，但牢靠性差，而磁性编码器不易受尘埃和结露影响，同时其结构简洁紧凑，可高速运转，响应速度快

8、达 500 700kHz， 体积比光学式编码器小，而成本更低【28 】；本系统采纳的是旋转式增量磁性编码器， 其适应环境才能强，响应速度快，特别适用于在高速旋转运动中检测电动机的速度和位置；欢迎下载精品学习资源2 2 沟通永磁同步电机的数学模型正弦波 PMSM定子与一般的电励磁的三相同步电机是基本一样的，并且反电动势也是正弦波，那么其数学模型和电励磁的三相同步电机也是一样的；在定子通三相绕组瞬时电流，如图2 3 所示；三相定子绕组流过平稳电流分别为ia ， ib ， ic ，在空间上互差 120 ；，瞬时电流表达式如下：2 1式中 Im为电流最大值；欢迎下载精品学习资源图 2 3 三相瞬时电流

9、图欢迎下载精品学习资源图 2-4对称三线绕组电机的三相对称绕组如图2 4 所示，在定子静止三相坐标系下，建立电机的定子欢迎下载精品学习资源（ 2-2 ）式 2-2中，、甜；是定子三相绕组相电压；o 、是定子三相绕组相电流；鲴， pb ，鲈是三相定子绕组的磁链；r 是定子三相绕组阻抗；磁链方程为【 29 】：（ 2-3 ）式 2 3 中乞，厶，三c 分别是三相绕组的自感；厶= 厶；， k= 乞， k=k分别是两相绕组间的互感；纷是永磁转子的磁链，秒=rot+岛是转子与三相静止坐标系a 轴的夹角，皖为转子的初始位置；为了简化分析，现作如下假定：欢迎下载精品学习资源1 电机铁磁部分的磁路为线性，不计

10、饱和，剩磁，磁滞和涡流的影响；2 定子三相绕组对称且为集中式绕组；3 忽视电枢反应对气隙磁场的影响；这样就可使各相绕组的自感和互感与转子的位置角无关，且永磁同步电机的三相绕组是对称分布，星形联接，就厶= 厶=t=三， k=k=z-aac=乞=k=k=M，三和 M都为常量，乞 + + 之=0 ，由此整理磁链方程如下：（ 2-4 ）欢迎下载精品学习资源（ 2-5 ）（ 2-6 ）式 2 5 中国是同步角速度；依据三相绕组的感应电动势方程2 5 可得出，每相绕组的感应电动势ea 、巳是时变的，同样三相对称电流都也是时变的，所以系统的输出转矩时变并且各个参数耦合紧密，使整个系统的转矩掌握复杂实现困难；

11、沟通电机的矢量掌握理论提出，是电机掌握理论的第一次质的飞跃，使得沟通电欢迎下载精品学习资源机的掌握跟直流电机掌握一样简洁，并且能获得较好的动态性能；矢量掌握基本思想是：在转子磁场定向坐标上，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流重量和产生转矩的转矩电流重量，并使两个重量相互垂直和独立，这样就可以分开调剂，实现了沟通电机掌握的解耦【30I ，此旋转坐标系也称为d-q坐标系， d 轴固定在转子磁势轴线上， q轴位于 d 轴逆时针方向旋转90 ；的电角度上，图2 5 是极对数为 2 的旋转坐标系；另外，定子绕组中的三相电流就可以通过一个空间矢量电流来表示，表达式如下：（ 2-7 ）式中 o 、之三相电流

12、的有效值为I 、角频率为彩的，就表达式2 7 可以化简成：欢迎下载精品学习资源（ 2-8 ）这样 i 就可以看作是一个以角速度缈旋转的矢量，如图2 5 所示；图2 5 旋转坐标系欢迎下载精品学习资源图 2 6 静止坐标系一旋转坐标系假如要把定子绕组中的三相电流转换到d-q坐标系上，完成输出转矩掌握；第一，要把三相沟通电流所在的三相静止坐标系转换到两相静止的坐标系口一；在固定的定子上建立口一轴坐标系，口轴与a 相重合，口轴逆时针旋转90 ；为轴，转换到两相静止坐标系的表达式如下：欢迎下载精品学习资源（ 2-9 ）在 PMSM系统中，定子绕组采纳Y 型连接，就 o=0；然后，再由静止的口一轴坐标系

13、转换到d-q坐标系，如图2 6 所示，转换表达式为：（ 2-10）式中目是两个坐标系的夹角；依据式2 10 推导，可以得出d-q坐标系和三相静止坐标系之间的转换关系如下：欢迎下载精品学习资源（ 2-11）坐标变换对于电压矢量仍旧适用，由三相静止坐标系变换到d-q轴坐标系后，定子电压方程表达式为：（ 2-12）式 2 12中，为交、直轴阻抗；、乞为定子电流矢量f 的直轴、交轴重量； P 微分算子；、交、直轴磁链；沟通永磁伺服电机定子磁链方程为：（ 12-13）欢迎下载精品学习资源式 2-13中，盼为转子永磁体产生的磁链；厶、厶为电动机的交、直轴电感；把定子磁锛方程代入定子申压方稗得：（ 2-14

14、）通过坐标转换后，电机的转矩方程可以表示为：（ 2-15）将磁链方程代入后得：（ 2-16）式 2 16中 n 是极对数 5在转子参考坐标中，如取d 轴为虚袖取q 轴为实轴，就在这个复平面内，可将欢迎下载精品学习资源定子电流空间矢量f 表示为：（ 2-17）f 与 q 轴的夹角为盯，就：（ 2-18）综上整理转矩方程得：（ 2-19）仃角实质上是定子三相绕组合成旋转磁场的轴线与转子磁场轴线间夹角；在上式中，括号内第一项就是由这两磁场相互作用所产生的电磁转矩，如图2 7 中曲线 l所示；括号内其次项称为磁阻转短 曲线 2 ，它是由凸极效应引起的，并与两轴电欢迎下载精品学习资源感参数的差值成正比；2 7 凸极同步电机矩角特性图2 8 凸装式永磁同步电机矩角特性本系统采纳的是凸装式转子永磁同步电动机，所以 Ld=Lq，于是电磁转矩可以简化为：（ 2-20）式中不包含磁阻转矩项，电磁转矩仅与定子电流的交轴重量有关；当时盯：互，每2单位定子电流产生的电磁转矩值最大，如图2 8 所示，本系统通过制，使仃= 三 2 ，这样转矩响应仅与定子矢量电流成正比；=0控欢迎下载