（电气工程专业论文）电梯用永磁同步电机的设计.pdf

工程硕士学位论文 摘要 2 1 世纪，科学技术飞速发展，高新技术不断涌现，资源日益减少，人们对节 电、环保意识日益增强，使得传统的电励磁电机受到了挑战，同时也为新型永磁 电机提供了发展机遇。与传统的电励磁电机相比，永磁同步电机有效率高、功率 因数高、体积小，材料利用率高，重量轻等特点，具有不可比拟的优点。因此， 近年来，随着永磁材料的性价比提高，以及电力电子技术的进步，永磁电机的发 展也受到了各方关注。 由于永磁同步电动机的结构复杂多样，媒质交界面曲直交错，使得永磁同步 电动机的设计变得比较复杂，计算准确度比较差；另外，永磁同步电动机中一些 特殊的电磁过程和一些专门问题如磁极结构形状与尺寸的优化、永磁体的局部失 磁问题等都是设计的难点。 本文在掌握永磁同步电动机结构和磁路特点的基础上，致力于研究电梯用永 磁同步电动机的电磁设计。分析了永磁同步电机的磁路特点和运行原理；深入讨 论了永磁同步电动机稳态性能和动态性能的影响因素及计算方法；分析了永磁同 步电机齿槽转矩的形成与抑制措施，对永磁同步电动机的设计过程和在设计上如 何提高永磁同步电动机设计的计算准确程度，进行了深入的研究。 重点研究了永磁同步电动机的设计特点及设计方法。给出了永磁同步电动机 的电磁设计过程；深入研究了提高永磁同步电动机性能的措施和方法。 本课题研究的是以一种用于电梯拖动的永磁同步电机为例，采用了有限元分 析方法对永磁电机进行了分析，对电机设计的参数选择，结构设计提出了合理可行 的方案，应用在工程样机生产中，经型式试验、配套试验等多项考核，满足总体 技术要求。 本课题对永磁同步电机设计、制造进行了全面的总结，提出了一套完整的设 计思路及设计方法，并通过试验对比分析，其准确性能满足工程实用要求，工程 样机的测试表明，电机的设计、分析、制造达到了研究的预期目标。 本课题在永磁同步电机的电磁、结构设计、绝缘结构及噪声分析等方面的研 究工作，也可以为同类永磁同步电机的设计及技术指标的确立提供有益的参考。 关键词：永磁同步电机；电磁设计；结构设计；绝缘结构；噪声 i i 电梯用永磁屈步电机的设计 a b s t r a c t k 也e2lc 撼妇y ，s e i 雠c e 鞭dl e 如n o l o g yd 科e l 卵f a 或琢啦l e c h o l o g ye 撒镯 c n d l e s s l y 锄dl h er e s o u r c er e d u c ed a yb yd a y t h u sp e o p l eb e c o m em o r ea w a r eo f e c o n o m i z i n ge l e c t n c i t y a n dp r o t e c t i n go l 】r 吼v i r o n m e n t ，w h i c hm a k et h et r a d i t i o n e l e c t r i c a le x c i l 撕o n 羟硒n t 辨a 专吐a l l e n g e ，a sw e l l 鑫sb es 印p l i e d 硒氇妒q dc h a n e e 。 c o m p a r e dt ot h en 盈d i t i o n a le l e c t r i c a le x c i t a t i o ng e n e r a t o r ，t l l ep e r m a i l e n tm a 黟e t s y n c h r o n i z eg e n c r a t o r h a st h ea d v a n t a g eo f h i g l ie 蕊c i 饥c y h i 曲f a c t o r ，s m a l ls i z e ，l e s s 掰a t 撕a l ，l e s sw 蔽曲t ，t h 醣c 熊tb er e p 】a c e d - 髓稚s ，f e c e n t l y a s 国ep e 潍a n 强lm a 驴e 耋 搬酞e r i a lb e c o m em o r ee c o n o m y ，a sw 以la st h ep o w e fe l e c t nt e c h n o l o g yd e v e l o p ，t h e d e v e l o p m e n to ft h ep m s m i sb e i n gc o n c 哪e db ya i is i d e s f o rt h ec o m p l e xf i a b r 主ea n di n t c r l e a v e dm e d i u 擞b o u n d a r y 诳ep m s md e s g 致 b e c o m er a t 量l 髓e o 嫩p l e x ，h a r df o ra c c u 糖ea c e o 鞠。t ，b e s i d e s ，s o m es p e e i a lp 驹b l e m sa s m a g n e t i cp o l ef 抽r i cd i m e n s i o no p t i m i z e ，p a r to fm a g n e t i cp 0 1 el o s em a 聃e t i s ma r e d i 舔c u l t yf o rd e s i 弘 弧i s 硎d 暴奴越so 薹ls t u 颤稳gp m s m 避a 努拒s md e s i 萨曲ym a s l 积n g 维。鼬蠢e a n dt h em a 萨e t i s m1 0 0 p s u c ha sa n a l y z et h em a 萨e t i s ml o o pc h a r a c t e ra n dp r o c e s 8 t h e o r yo ft h ep m s m p e n e t r a t ei n t od i s c u s s i n gp m s ms t e a d yc a p a b i l i t y ，i n n u e n c c 穗c t o r 勰da c 毽藏w a y s ，a i l a l y z ep m s mt o o 瞧s l o tt o 趣u e 胁蠢ca n d 勰s t r a i 藏m e t h e 文 a n da l s ot h ed e s i 铲p r o c e s so fp m s ma n dh o wt oi 卿) r o v ep m s m d e s i g n f o c i l so ns t u d y i n gt h ec h a r a c t e ra n dt e c h l l i q u eo fp m s md e s i 萨，p r 印a r et h e 眍s eo f 撒鑫g n e t 主s md e s i g 毅，l u 嘶b r a 童i 觳ga 专h o wt oi m p 嚷o v e 壤ep 贸f o 趱l a n c eo fp m s m 弧i ss u b j e c ts t l l d yo na ne x 羽坤l eu s e di ne l e v a t o rd r a g ，a d o p t 蠹n i t u d ed a t a a n a l 弘et oa n a l 弘em ep m s m ，c h o o s et h ep a r a m e t m a k ep r a c t i c a ls c h e m ef o r 糊证c d e s i 萨，w h i c hh 鑫s b e 雠u s e di np r o j e c 戋p r o “c t 主o n ，p f o v e ds 毪c c e s s 硒l yb ym o d e lt e s l ， 搬8 t c h e s l ，翘ds o 珏 m s s u b j e c ts u h 她撕z e st h ed e s i 弘a n dm a n u f a c 沁r eo ft h ep m s m ，b r i n ga w l l o l eo fd e s i g 芏lp f o c e s sa n dm e a l l s w h i c hh a sa l s oa c h i e v et h e e 觳g i n e 撕n gr e q u i r eb y c o n t r a s tt e s t t h ed e s i g aa l l a l y z e ，m a 砖u f a c 抛f eh a sa c h i e v e 也ep r e v i o u ss 蚀d ya i m t h r o u 曲t h et e s t t 硒ss u b j e c ta l s ow o r ka tm a g n e t i s mf a b r 主ct e c h n o l o g y ，i n s u l a t e 国b ca n dy a 、坤 鞣羹弘e ，w 量l 主吐p 俺奶d eh e l p 触e o 建鳓l t 惫fl h es a 攥ek i 技do fp m s md e s i 替 k e yw o r d s ：p m s m ，e l e c t r o m a 鼬e t i s md e s i 驴，s t n l c t l l r ed e s i g i l ，i n s u l a t i o ns t m c t u r c ， n o i s e l l l 电梯用永磁同步电机的设计 插图索引 图2 1永磁同步电机横截面示意图5 图2 2 永磁同步电机挂极绕组的结构示意图6 图2 3c o s 伊= l 运行时矢量图1 0 图2 4c 0 s 伊= l 运行时各量随电流变化曲线1 0 图2 5屯= 0 运行时的向量图1 2 图3 1永磁同步电机的几种典型向量图1 5 图3 2 永磁同步电机的矩角特性曲线1 7 图3 3 凸极同步电动机案，等，p 伽比较1 8 图3 4 不同电动机功率因数随电磁功率变化示意图1 9 图3 5 永磁同步电机与异步电动机功率流程图2 1 图3 6 永磁同步电动机交、直轴电枢磁路2 1 图3 7 “负载法”计算兄d 和五口的流程图2 4 图4 1 稀土永磁材料的内禀曲线和退磁曲线2 6 图4 2 永磁体等效成磁通源2 7 图4 3 永磁体等效成磁动势源2 8 图4 4 空载时外磁路的等效磁路2 8 图4 5 负载时外磁路的等效磁路2 9 图4 6 负载时稀土永磁同步电动机的等效磁路2 9 图4 7永磁同步电动机电磁设计流程图3 5 图5 1 机座外形图3 6 图5 2 机座应力分析图3 7 图5 3 机座变形图3 7 图5 4 端盖图3 8 图5 5电机绝缘结构3 9 图7 1对耦法试验框图4 4 图7 2能量回馈法试验原理框图4 5 图7 3制动法试验原理框图4 5 v i l 工程硕士学位论文 附表索引 表7 1样机试验数据表4 6 v i 湖南大学 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。 作獬：垮 日期：矽泸厢护 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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作：岬缘 导师签名：妨杰 日期：矽泸厢巾 醐一膊朋7 日 工程硕士学位论文 第1 章绪论 本章简要介绍了本课题研究的目的和意义，永磁同步电动机的主要特点及应 用领域，永磁同步电动机的研究现状及本论文研究的主要内容。 1 1 课题研究的目的和意义 据统计，我国电动机耗电占全国耗电量的6 0 ，其中三相异步电动机又占相 当大的一部分，为耗电大户。由于国民经济的迅猛发展和人民群众的生活水平的 提高，对电能需求量日益增加，作为电能的主要能源煤、石油等资源却日益枯竭， 因而研究开发高性能的电动机是每一位电机设计者义不容辞的责任心副。 永磁同步电动机是2 0 世纪7 0 年代初期出现的一种新型永磁电机。由于稀土 永磁体的高磁能积和高矫顽力( 特别是高内禀矫顽力) ，使得永磁同步电动机具有 体积小、重量轻、效率高、特性好等一系列优点，成为新一代电机的重要发展方 向。第三代永磁体钕铁硼( n d f e b ) 的出现，其优越的磁性能和相对较低的价格， 展示出永磁电动机民用开发的广阔前景h 引。 在民用领域，国外已有一些领域开始使用永磁同步电机替代原交流异步电机， 如电梯驱动用的电机就以永磁同步电机替代原异步电机，取消了庞大的齿轮箱， 通过了曳引轮直接拖动轿厢，明显减小了系统振动和噪声。由于取消庞大的齿轮 箱，可减掉复杂的润滑系统，可彻底解决了漏油造成的环境污染问题，真正达到 了环保要求，可省去机房，可减小电梯空间，降低电梯成本啦3 。 由于电梯系统需要永磁电机低速大扭矩、精度高、动态响应特性好，在研制 初期，这种特殊高要求的电机国内没有太多成熟的经验。永磁同步电机研制成功， 不但可以促进我国永磁电机的研制水平上一个台阶，还可以加快电梯行业的发展 步伐，另外，作为电机设计本身，围绕此类型电机开展相关的研究和分析，可积 累经验，提高国内永磁电机的设计制造水平。 1 2 永磁同步电动机的主要特点及应用领域 永磁同步电动机与感应电动机相比，不需要无功励磁电流，可以显著提高功 率因数( 可达到l ，甚至为容性) ，减少了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运 行时没有转子电阻损耗，进而可以因总损耗的降低而减小风扇( 小容量电机甚至可 以去掉风扇) 和相应的风摩损耗，从而可以使效率比同规格的感应电动机提高2 8 个百分点。而且，永磁同步电动机在2 5 1 2 0 额定负载范围内均可保持较高的 电梯用瘩磁阕步电魄约设诗 效率和功率因数，使轻载运褥时节麓效果更为显著雕6 l 2 4 】。 随着电力电子技术的迅猛发展和功率器件价格的不断降低，人们越来越多的 用变频电源和交流电动机组成交流调速系统来代替直流电动机调速系统。在交流 电动机中，永磁同步电动机的转速在稳定运行时与电源频率保持恒定的关系，这 一固有特性使褥它可直接用于开环的变频调速系统，茏其适用于由固一变频电源 供电的多台电机要求准确同步传动系统中，这可简化控制系统，还可以实现无刷 运行，而且较高的功率和功率因数可以减小价格昂贵的配套变频电源的容量，因 而在各种调速系统中的应用越来越广泛。这类电机通常由变频器频率的逐步提高 来起动，转子可以不设置起动绕组。德国劁成的6 相变频电源供电的1 0 9 5 l ( w 、 2 3 0 r m i n 稀土永磁电动机，用于舰船的推进。与过去使用的直流电动机相比，体 积减小6 0 左右，总损耗降低2 0 左右，而且省去了电刷和换向器，维护方便1 2 引。 变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环控制系统构成自同步稀土永 磁电动机，既具有电励磁直流电动机的优异调速性能，又实现了无刷化，这在要 求高控制精度和高可靠性的场合，如军事、航空、航天、数控机床、加工中心、 机器人、电动汽车、计算机外围设备和家用电器等方面都获得了广泛的运用。其 中反电势波形和供电电流波形都是矩形波的电动机，通常称为无刷直流电动杌； 反电势波形和供电电流波形为正弦波的电动机，称为正弦波永磁同步电动机，筒 称永磁同步电动机，本文研究的是后者正弦波供电的永磁同步电动机。美国制成 驱动航天飞机升降副翼用的1 2 6 k w 、9 0 0 0 r m i n 永磁无刷直流电动机，效率为9 5 ， 仅重7 6 5 娃。法国开发龅1 0 0 k w 无刷直流电动枫，在线圈端侧装入逆交器，总重 只有2 8 k g 。我国也已批量生产数控机床用的永磁无刷直流电动，调速比高达l ： 1 0 0 0 0 【2 4 1 。 电梯行业当前发展的新方向，就是以交频器和永磁同步电机组合作为电梯驱 动的核心。一些发达国家每年均投入大量经费用于研制和开发，其中永磁电机以 其体积小、效率高、性能优异而成为新一代电梯的首选方案。随着人民生活水平 的不断提高，对使用设备的要求越来越高。例如电梯电机，既是耗电大件，又是 噪声的主要来源，其发展趋势是使用既能直接驱动，又能无级调速的永磁同步电 动枫。它能低速大扭矩直接起动，减少了噪声季爨振动，使人的感觉更为舒适，还 比异步电机节省电能。 。 1 3 永磁同步电机的研究现状 1 3 1 永磁同步电机国内外发展概况 国外利用永磁材料进行永磁同步电动枕的开发已经有2 多年的历史。1 9 7 8 年， 法国的c e m 公司研制的i s o s y n 系列o 5 5 1 8 5 k w 的稀土钴永磁同步电动机，效率 工程硕士学位论文 比一般的异步电动机高2 1 0 ，功率因数提高o 0 5 0 1 5 。我国在永磁同步电动 机的开发和应用上取得重大成就，先后开发了应用于纺织行业中织布机、细纱机 以及化纤机械、风机泵类等多种规格和型号的永磁同步电动机，取得了较好的经 济效益。8 0 0 w 纺织专用永磁同步电动机是国内第一台研制成功的永磁同步电动 机，效率高达9 l ，功率因数高于o 9 5 ，节能率高达1 0 以上，己经进行生产并取 得了很好的经济效益。而且我国己研制成最大容量为1 1 0 k w 和2 5 0 k w 的永磁同步 电动机。我国稀土资源丰富，高性能的稀土永磁材料已实现产业化，钦铁硼的产 量现己居世界第一位，钦铁硼的价格也趋向合理。计算结果统计资料表明，中小 型永磁同步电动机的效率可提高5 ，节电率1 0 ，某些专用永磁同步电机节电达 1 5 2 0 ，所以发展永磁同步电动机是新世纪电机工业技术发展趋势【l 】【3 】【4 引。 1 3 2 永磁同步电机国内外研究热点 磁场磁势的计算、合适的仿真计算模型的建立、自起动问题的仿真问题中的 算法、精度、非线性的处理等方面一直是永磁同步电动机的研究热点【l 】【1 0 】【2 4 1 。目 前国内外对永磁同步电机设计研究主要集中在两个方面： 1 结构设计研究 永磁同步电动机具有很高的矫顽力，故充磁方向很薄的永磁体就可提供较高 的气隙磁密和磁势。因此，除了传统的径向磁路结构外，当极数较少时，还可采 用切向磁路结构或混合式结构。国内外学者都在研究永磁同步电动机的各种转子 形状，其设计准则都是通过增加磁通、减弱电枢反应或高速运行来提高功率密度 和效率。 2 优化设计 在稀土永磁材料价格昂贵的情况下，考虑如何合理地选择永磁体的工作点， 使之在满足电机性能指标前提下，使所用的永磁材料最少，即电机的成本最小或 体积最小。优化设计采用计算机来完成，优化设计中，通常选择永磁体体积作为 目标函数。由于永磁体尺寸大小可直接影响电机的各项性能指标，因而可直接选 用永磁体形状尺寸作为设计变量，而将其他尺寸都用这些变量来表示。在约束条 件中，电抗参数、定子齿部和轭部磁密、定子电密、起动电流以及槽满率等都应 限制在一定范围，而效率、功率因数和起动转矩等则应大于某一给定值。虽然国 内关于永磁同步电动机的研究己经进行了很多工作，但迄今为止，永磁同步电动 机在我国并没有得到全方面的推广，其原因是多方面的。其一是永磁同步电动机 成本很高，但是随着稀土永磁材料的发展，永磁同步电动机的成本呈下降趋势， 同时在永磁同步电动机设计中如何选用适量的稀土永磁体用量以成为学术界研究 分析的重点。此外，永磁同步电动机的铁耗相比于异步电动机比较复杂，如何准 确分析和计算是设计高效节能永磁同步电动机的关键。同时永磁同步电动机的稳 态性能研究和起动过程研究一直以来是国内外专家研究分析的焦点。永磁同步电 电梯耀隶磁阕步魄规懿设诗 动机设计的计算精确度直接决定了电动机的性能，因而永磁同步电动机的设计方 法题前显得越来越重要。 l 。4 本文的主要研究内容 本文在掌握永磁同步电动机结构和磁路特点的基础上，致力于研究永磁同步 电动机的电磁设计。以电梯用永磁同步电机为例，对永磁同步电动机的设计过程， 降低齿槽转矩，提高电机运转的平顺性，进行了深入的研究。电机研制过程中，重点 研究了永磁同步电动机的设计特点及设计方法，给出了永磁同步电动机的电磁设 计过程，并根据电梯电机的特殊情况翻本单位实际情况，阐述了该电概结构设计 的思路和方法，分析了重点零件的机械结构强度，制订了电机的零件加工工艺方 法，对电机绝缘结构以及电机振动噪声分析等方面开展了些有意义的工作。具 体工作有： l 。4 1 永磁同步电机的电磁分析 电机的电磁设计决定了电机运行的经济性和可靠性，是电机产品设计的关键。 本课题以电梯用永磁同步电动机为研究对象，结合国内外的有关文献，从永磁同 步电机的原理入手，分析了永磁同步电机的数学模型，对永磁同步电机的稳态性 能计算进行了总结，为解决电机运行的平顺性闯题，重点分析了永磁电机的齿槽 转矩，并采用了有效的措施抑制，同时也论涯了电机电磁场的有限元分析方法， 给电梯用永磁同步电机找到了一个切实可行的电磁设计方案 1 4 2 永磁同步电机的结构分析及工艺分析 电机的结构设计包括了电机零部件设计和电机各部分电气绝缘材料的选择， 也决定了电机的运行性能、霹靠性和寿命。电机零部件设计取决予电机的技本性 能要求，同时必须兼顾各单位设备加工能力，丽电机的绝缘结构设计不仅仅是材 料自身的介电绝缘强度，要结合电机的工作电压、电源品质和使用环境，以及电 视制造单位的绝缘工艺，保证电机所用绝缘材料除有足够的绝缘强度翻概械强度， 还必须兼顾耐热性、教热能力、材料闻相容性和经济性。因此电机结构设计必须 根据各单位的实际情况而定。本课题分析了永磁同步电机机座等结构件的特点， 对机座的结构强度进行了有限元分析，对其结构优化设计，同时为关重零部件加 工制定了切实可行的工艺方案，保证了电机实现的经济性和可靠性。并讨论了永 磁同步电机的绝缘材料选用的原则。 1 4 3 永磁同步电机的噪声分析 电机振动噪声作为衡量产品质量的重要指标，越来越受到人们关注。本课题 详细地分析了电梯溺永磁同步电机的噪声产生的原因，并提出了一些有效的抑止 措施。 工程硕士学位论文 第2 章永磁同步电机的数学模型与稳态分析 2 1 永磁同步电机的结构简介 电机是一种用来进行电能和机械能相互转换的电磁机械，能量转换主要依赖 于电机定子与转子之间的气隙磁场。建立磁场的方式不同就形成了不同种类的电 机。永磁同步电动机由定子、转子和端盖等部件构成。永磁同步电机的定子磁场 是三相或多相交流电流形成，转子磁场则由永磁体产生。定子与普通感应电动机 基本相同，也采用硅钢叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。转子铁心可以做成 实心的，也可以用硅钢片叠压而成。图2 1 为一台永磁同步电机的横截面示意图。 电枢绕组既可以采用集中整距绕组，也可以采用分布短距绕组和非常规绕组。其 中，采用整距集中绕组，产生梯形波反电动势；采用分布式短距绕组，产生正弦 波反电动势。非常规绕组常用的有挂极绕组，如图2 2 。挂极绕组可以有效的减少 绕组端部平均长度，从而可以减小电动机的轴向长度，使电动机更加紧凑，有效 的减小了电动机的体积，并可以降低电动机的电气损耗。为了减小电动机的杂散 损耗，大功率永磁同步电动机的定子绕组通常采用星形接法n 0 1 。 图2 1永磁同步电机横截面示意图 l 一定子铁心2 一定子绕组3 一转轴 4 一稀土永磁体5 一转子铁心 为使转子磁场相对定子磁场静止，转子磁场旋转速度与定子交流电流的频率 之间有严格的同步转速关系。因此转子旋转速度完全由定子电源频率和转子磁场 极数决定。 电梯翔永磁阕步电极鲍设计 图2 2 永磁同步电机挂极绕组的结构示意圈 2 2 永磁同步电机的d q 轴数学模型 在交流电动机中，励磁磁场与电枢磁势间的空间角度不是固定的，它随负载 变化而变化，这就引起磁场间复杂的作用关系，因此不能仅通过调节电枢电流来 控制电磁转矩。1 9 7 1 年，德国学者b l a s e 酞e 和h 弱s e 提出了交流电动机的矢量控制 ( t r 黼s v e c t o f n t r 0 1 ) 理论，从理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。其 基本思想就是利用电动机外部的控制系统，对定予磁动势相对励磁磁动势的空间 角度( 也就是定子电流空间矢量的相位) 和定予电流幅值进行控制，从而将永磁同步 电动祝模拟为健励童流电动机。实现方法是根据“双反应理论”，在磁场定向坐标 上，通过矢量变换将电枢电动势疋分解为直轴分量和交轴分量，将电流矢 量屯分解成为产生磁通的直轴分量即励磁电流分量j d 和产生转矩的交轴分量即转 矩电流分量j a ，并使得两个分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。这样 交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就与直流电动机相似了。这种方法将电 机本身的一些特性用数学模型来进行模拟，以矩阵和矢量表示受控量，最终用矢 量空间相位理论来处理这些数学模型。相对于其他的控制方法这种模拟要进行大 量的数学运算。不过现在具有高运算速度和嵩度集成性的专用数字信号处理芯片 的闻世，可以快速完成这些运算n 儿蛐“3 副。 目前，对于一般三相交流电动机，采用坐标变换，将三相交流绕组等效为两 相互相垂直的交流绕组或旋转的两相直流绕组，变换盾系统变量之间得到部分解 耦，从而使得系统分析和控制大力赫化。分析正弦波供电的永磁同步电动机时， 最常用的方法是d q 0 轴数学模型，它不仅可以用于分板正弦波永磁同步电动机的稳 态运行性能，还可以用于分析电动机的瞬态性能。 为了建立d q 轴数学模型，我们首先假设： ( 1 ) 忽略电机铁心磁路的饱和； ( 2 ) 不计电机的涡流和磁滞损耗； ( 3 ) 电机的电流为三相对称正弦波电流； 以上可以得到如下的电压、磁链、电磁转矩和机械运动方程( 式中各量为瞬 工程硕士学位论文 态值) ： 电压方程： u d = d 、i ，d d t - 、i ，q + r l i d u q = d 、l ，q d t + 、i ，d + r 1i q o = d 、i ，2 d d t + r 2 d i 2 d 0 = d 、i ，2 q d t + r 2 q i 2 q ( 2 1 ) 磁链方程： 、王，d = l d i d + l m d i 2 d + l m d i f 甲q 2 l q i q + l l l l q i 2 q 甲2 d = l 2 d i 2 d + l m d i d + l m d i f t q = l 2 q i 2 q + l n l q i q ( 2 - 2 ) 电磁转矩方程： t 锄- p ( 甲d i q - 甲q i d ) ( 2 3 ) 机械运动方程： j d q d t = t 啪一t l r n q( 2 4 ) 式中：u 电压； i 电流： 甲磁链； d 、q 下标，分别表示定子的d 、q 轴分量； 2 d 、2 q 下标，分别表示转子的d 、q 轴分量； l d 、l q 定子绕组的d 、q 轴电感，l d = l m d + l l ，l q = l m q + l l ； l 2 d 、l 2 q 转子绕组的d 、q 轴电感，l d d = l m d + l 2 ，l 2 q = l m q + l 2 ； l m d 、l m q 定、转子间的d 、q 轴互感； l 1 、i 吃定、转子漏电感； i r 永磁体的等效励磁电流( a ) ，当不考虑温度对永磁体性能的影 响时，其值为一常数，i f = 甲，l m d ； 甲r 永磁体产生的磁链，可由= e o 脑求取，为空载反电动势，其 值为每相绕组反电动势有效值的3 倍，即e o = 3 e o ： j 转动惯量； r r 阻力系数； t i 一负载转矩： 电动机的d 、q 轴系统中各量与三相系统中实际各量间的联系可通过坐标变换 实现。如从电动机三相实际电流表i ”i v 、i w 到d q 坐标系的电流i d 、i q ，采用功率 不变约束的坐标变换时有： 瞄1 | 1f 2 盯i c o s 秒c 。p 等) c 。p 等)l 3 歹 l 3 “一s i n ( p 一等) 痂( 臼+ 等) 压压压 ( 2 - 5 ) 式中： 卜电机转子的位置信号，即转子磁场( 直轴) 与u 相定子绕组轴线的夹角 ( 电角度) ，且有o - f w d t + o o ( e o 为转子初始位置电角度) i b 零轴电流，对三相对称系统，变换后鹃零轴电流为o 。 电机的电压、磁链和电磁转矩方程可表示为： u d = d 、l ，d d t 一国、i ，q 十r li d u q 2 d 、l ，q 愆耄+ 国v d + r l i q 、y f l d i d + l 髑垂 甲q = l q i q t 锄呻( 1 l ，d i q 一、l ，q k i d ) = 叩【l m d i f i q + ( l d l q ) i di q 】 ( 2 - 6 ) 将上式中的有关量表示为空闻矢量的形式，则： u 。= u 莲+ j u 唾= r l i s + d v d 州位v s t o 1 1 2l d 十j 1 q v q 2 、 ，d + j 、i ，q l m = 警v 。i 。= p r e g ￥。i s ) ( 2 7 ) 式中：i 一。的共轭复数。 从图中可知，定子电流空间矢量i 。与定子磁链空间矢量、l ，。同相，而定子磁链与 永磁体产生的气隙磁场闻的空间电角度为p ，且 赡= i se o s 参 i q = i ss i n p ( 2 8 ) 将之代入式( 2 8 ) 的电磁转矩公式中，则 t 锄印【k d i f i 。s i n pl 2 ( l d l q ) i 。2 s i n 2 p = p 【i q + ( k l q ) i di q 】 ( 2 9 ) 由上式可知，永磁同步电机输出转矩中含有两个分量，第一项为永磁转矩t 攥， 第二项是由于转子不对称所产生的磁阻转矩t f 。 2 3 永磁同步电机的运行原理 永磁同步电视调速系统中，最关键的闻题就是实现电动机瞬时转矩的高性能 控制。对于永磁同步电机系统的要求可归纳为：响应快、精度高、转矩脉动小、 系统效率和功率因数高等。从以上对永磁同步电机的数学模型的分析可以看出， 对永磁同步电机的输出转矩的控制可归结为对交轴电流和直轴电流的控制。交、 - 8 - 工程硕士学位论文 直轴电流的不同组合，将影响控制系统的效率、功率因数及转矩输出能力等。如 何根据给定的转矩来确定交轴电流和直轴电流，实际上就是对定子电流矢量控制 的问题【1 儿1 0 j 。 矢量控制实际上是对电动机定子电流矢量相位和幅值的控制。从式( 2 6 ) 可以 看出，当永磁体的励磁磁链和交、直轴电感确定以后，电动机的转矩便取决于定 子电流的空间矢量f ，而的大小和相位又决定于和f 。，也就是说控制和f 。便可 以控制电动机的转矩。一定的转速和转矩对应于一定的f ：和f ：，通过这两个电流 的控制，使实际和f 。跟踪指令值f ：和f ：，便实现了电动机转矩和转速的控制。 由于实际馈入电动机的电枢绕组的电流是三相交流电流f 。、o ，因此，三 相电流的指令值f ：、f ：、f ：必须由下面的变换从f ：和f ：得到 二曩；p ( 2 1 0 ) 上式中，电动机转子的位置信号秒由位于电动机非负载端轴伸上的速度、位 置传感器提供。通过电流控制环，可以使电动机实际输入三相电流oof c 与给 定的指令值f ：、e 一致，从而实现了对电动机转矩的控制。 永磁同步电机用途不同，电动机矢量控制策略也各不相同。例如，在轨道交 通和纺织行业中的应用就要求系统具有宽调速范围和恒功率运行。目前永磁同步 电机采用的运行控制方式主要有：功率因数c o s 矽= 1 运行、最大转矩电流运行、 屯= 0 运行等。 2 3 1 功率因数c o s 妒2l 运行 该运行方式中，永磁同步电机的功率因数恒控制为1 ，即 c o s 伊= c o s ( 艿一声) = 1( 2 1 1 ) 由上式得万= 矽，此时电机运行矢量图如图2 4 所示。 由矢量图可以得到 t 趾：羔( 2 1 2 ) ”譬 根据定子电压矢量“，的d 、q 轴分量关系，可以得到在一定电流和转速下得内 功率因数角 细s i n ! 鬟掣 亿嘲 万一；万一；9幼一3幼一3 引 一 + p 够 o o c c _。l 一2 3 i i 1，j 彳bc t ， 1- 电梯用永磁同步电机的设计 结合电磁转矩乙和定子电压矢量“，的d 、q 轴分量即得到相应的电磁转矩乙 和所需的电压甜，。 b 一 a 3夕 一 i l oo 20 40 6fo 8 1 o ； s m a x 图2 3c o s 矽。l 运行时矢量图 图2 4 c o s 缈21 运行时各量随电流变化曲线 图2 4 为c o s 缈= l 运行条件下，电磁转矩乙( 曲线2 ) 、负载角万( 曲线1 ) 、磁 化电流f p ( 曲线3 ) 、d 轴定子电流屯( 曲线4 ) 、q 轴定子电流( 曲线5 ) 、定子电 压”，( 曲线6 ) 随定子电流f 。变化的曲线。由该图可以看出，电磁转矩随电流逐 渐增加而增大。当电流达到一定值0 似时，电磁转矩达到峰值，随着电流 进一步增大，电磁转矩开始迅速下降。 c o s 矽= l 运行方式的特点是电动机的功率因数恒定为l ，此时逆变器的容量得 到充分的利用。但是在永磁电机中，由于转子励磁不能调节，在负载变化时，转 矩绕组的总磁链无法保持恒定，所以电枢电流和转矩之间不能保持线性关系。而 且最大输出力矩小，退磁系数较大，永磁材料可能被去磁，造成电机电磁转矩、 和效率的下降。 2 3 2 最大转矩电流运行 所谓最大转矩电流运行【l6 1 ，是指在转矩给定的情况下，最优配置交轴和直轴 电流分量，使定子电流最小，即单位电流下电动机输出转矩最大的矢量控制方式。 最大转矩电流运行可以减小电动机铜耗，提高运行效率，从而使整个系统的性能 得到优化。此外，由于逆变器所需输出的电流较小，对逆变器的容量要求可相对 降低，使系统运行成本下降。 最大转矩电流运行问题可等效为定子电流= 弓+ 弓满足转矩方程的条件 极值问题作拉格朗日函数 三( ，五) = 弼一名既一 少，+ ( 厶一厶) 仰 ( 2 1 4 ) 式中，兄为拉格朗日乘子。 对函数求偏导，并令各等式为o ，得 工程硕_ 上学位论文 掣2 南州池酬= o 半2 南“m 心州剐仁竭 竽= 一巾舻( 铲驰叫) _ o 求解上式，并注意至l 屯取负值，且岛 ；疋为气隙合成基波磁场直轴公量所产生的电动势，称为直轴内电动 势( v ) ；秒为d 超前或的角度，即功率熊，也称为转矩角；缈为电压d 超前定子相 工程硕士学位论文 电流j ，的角度，即功率因数角。图3 1 ( a ) 、( b ) 、( c ) 中的电流j ，均超前于空载反电 动势或，直轴电枢反应均为去磁性质，导致电动机直轴内电动势易小于空载反电 动势或。图3 1 ( e ) 中电流j ，滞后于或，此时直轴电枢反应为增磁性质，导致电动机 直轴内电动势毋大于空载反电动势或。 图3 1 ( d ) 所示的是直轴增、去磁临界状态( j 。与或同相) 下的相量图，由此可 列出如下电压方程： u c o s p = 反+ ，l r l u 啦8 = i t x q 从而可以求得直轴增、去磁临界状态时的空载反电动势： e = 乒丽一j 。尺。 j il x l 【， j il x l u 小) d j il x u ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( d )( e ) 图3 1永磁同步电机的几种典型向量图 ( a ) 缈 o( b ) 妒= oy o( c ) 伊 o 0 ( d ) 缈 oy = 0( e ) 够 0j f ， + 置u + 吾u ( 兄一) s i 建2 9l =。，。，。，。，：!：。一 琏专x t x l 忽略定子电阻，由式( 3 1 5 ) 可得电动机的电磁功率( w ) ： 晔警s 遮秽+ 等寺寺妣2 9 a 矗 口 a d 除以电动机的机械角速度q ，即可的电动枫的电磁转矩僻哟： 乙= 鲁= 警s 遮移+ 警哇一专一 式中：投卜电动机的电角速度； p 一电动机的极对数。 ( 3 。7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 3 ) ( 3 。l 妨 ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) 3 1 7 ) 工程硕士学位论文 图3 2 是永磁同步电机的转矩特性曲线。图中曲线l 为式( 3 1 7 ) 第1 项由永磁 气隙磁场与定子电枢反应磁场相互作用产生的基本电磁转矩，又称永磁转矩；曲 线2 为式( 3 1 7 ) 第2 项，即由于电动机d 、g 轴磁路不对称而产生的磁阻转矩；曲 线3 为曲线1 和2 的合成。由于永磁同步电机直轴同步电抗x j 一般小于交轴同步 电抗x 。，磁阻转矩为一负正弦函数，因此转矩角特性曲线上最大值所对应的转矩 角大于9 0 0 ，而不像电励磁同步电动机那样小于9 0 0 ，这是永磁同步电机一个值得 注意的特点。 1 8 0 7 9c ) 图3 2 永磁同步电机的矩角特性曲线 等= 警础2 e 去一专础9 b ，8 ， d 9 x 。、x xl 。 、。 等= 等c o s 秒+ 譬c 去一专侧汐 b 柳 d 9蜮。 、x x ，j 、j 令等手= o ，则可求的电动机的极值功角方程为： c o s + k 丘【2 c o s 2 一l j _ o ( 3 2 0 ) 热 址苦半 ( 3 2 ，) 解得极值功角为： = s i 忐+ ( 1 6 k 刍+ 纠 ( 3 2 2 ) 将代入式( 3 1 7 ) 可得转矩曲线中的最大转矩值，k 被称为永磁同步 由加的矣老转牾加娶角耱垄毒辐招讨i 咖信i i 由动加烙不直台匕但椿同先生毒液舄 5 2 5 1 5 0 5 2 1 0 旺 z 匕e 卜 电梯用永磁同步电机的设计 大转矩与电动机的额定转矩靠的比值乙称为永磁同步电机的失步转矩倍数。 3 1 2 2 功率因数 ：等：竺挚 b 2 3 ， 锄 瓦 s i n 巩+ 阜s i n2 巩 v 叫 永磁同步电机的