【新能源汽车空调压缩机驱动电机概述及数学建模分析5800字】

新能源汽车空调压缩机驱动电机概述及数学建模分析目录TOC\o"1-3"\h\u2231新能源汽车空调压缩机驱动电机概述及数学建模分析 195591.1空调压缩机驱动电机的结构和应用 1125771.1.1空调压缩机驱动电机的结构 142771.1.2空调压缩机驱动电机的特点及应用 5126201.2空调压缩机驱动电机的基本控制方式 6309751.3空调压缩机驱动电机控制理论基础 6120831.3.1空间矢量的模型 619541.3.2驱动电机的电压和磁链模型 7256971.5空调压缩机驱动电机的数学模型 9221281.6转子磁链定向的永磁同步电动机数学模型 111.1空调压缩机驱动电机的结构和应用1.1.1空调压缩机驱动电机的结构永磁同步电机包括两个核心部分：定子和转子，其定子主要是由铁芯和三相绕组构成，并且电枢绕组通常是采用最普遍的Y型结构。与异步电机最大不同之处是其转子部分，在永磁同步电机中引入了新型的永磁材料，这就使得永磁同步电机没有了电刷、励磁线圈和滑环等不必要的繁琐结构，永磁同步电机的结构组成也变得越来越简单化，更重要的部分是在永磁同步电机结构中加入了能够检测转子位置的部分，可以满足对电枢电流控制的要求。在物理层面上，气隙的长度在永磁同步电机上是均匀分布的，但由于永磁材料本身所独有的特点，其磁阻和铁磁材料的磁阻大小也无法做到完全相同，气隙分布情况也不是完全相同[44]，由于这些实际因素的影响，在一般情况下，q轴的磁阻比d轴的磁阻小一些。本课题所选择的实验研究对象永磁同步电机如下图2-1所示，图2-1最为直观的展现了永磁同步电机转子和定子的结构。表2-1为空调压缩机所使用的永磁同步电机具体参数表。图2-1系统所选用的永磁同步电机Figure2-1Thepermanentmagnetsynchronousmotorselectedforthesystem表2-1系统所使用永磁同步电机具体参数Table2-1Specificparametersofthepermanentmagnetsynchronousmotorselectedbythesystem永磁同步电机是基于传统的绕线式同步电机原理发展起来的，因此，在一定程度上二者具有相似之处。永磁同步电机既继承了传统同步电机的优点，又具有其本身所独有的特点如易于控制、可靠性高、功率因数高、结构简单以及良好的工作性能指标。故永磁同步电机被大量的应用在数控机床、汽车行业、家用电子仪器、常用办公设备、军事设施、电梯推进等众多领域，也得到了许多行业的肯定。在二十世纪九十年代，日本大量制造永磁微电机，并且年生产数量迅速达到了二十亿台。在1993年，日本年生产数量增加到二十五亿台，短短一年的时间里就增加了五亿台的年产量。美国的市场调研ElectroniCast公司预计，美国的永磁电机能够达到百分之二十的年增加率[45]。可是中国关于永磁电机的研究起步的时间稍晚一步，从二十世纪九十年代以来生产的永磁电机数量仅仅只有七千万台左右，大约能够占本国微特电机总生产量的百分之七十。永磁体可以安装在转子上的不同位置，从其安装位置可以分为三种类型：第一种是表贴式类型、第二种是内插式类型、第三种是内埋式类型。（1）表贴式类型的永磁同步电机具有易于制造、很小的转动惯量、简单的结构等显著特点，被广泛的应用在工业生产实践中。并且对于该种表贴式类型电机的优化设计过程非常简单，为了能够降低磁场谐波的干扰，可以将电机的气隙磁场构建为近似的正弦波分布[46]，这样就可以达到改善电机性能的目的。图2-2为表贴式类型PMSM的转子结构图。图2-2表贴式类型PMSM的转子结构图Figure2-2RotorStructureofsurfacemounttypePMSM（2）内插式类型的永磁同步电机具有不对称性结构的转子磁路，所以使得其磁阻转矩的存在增加了电机的功率密度，所以内插式永磁同步电机的动态性能指标不同于表贴式永磁同步电机的动态性能指标，优点也是制造过程趋于简单化，生产过程十分简洁，所以该内插式类型永磁同步电机的这种结构被大量的使用在传动系统中，然而其显著的缺点就是生产成本高和漏磁系数大[47]。图2-3为内插式类型PMSM的转子结构图。图2-3内插式类型PMSM的转子结构图Figure2-3RotorStructurediagramofinterpolationtypePMSM（3）内埋式类型永磁同步电机的永磁体被安装在转子内部，通过这种安装方式就可以克服永磁体会出现退磁的难题[48]，与上面两种类型相比其结构会更复杂，具有优良的动静态性能，高气隙的磁通密度，能够产生很大的转矩，这些优点正好可以满足一些高要求的交流调速传动系统，但是内埋式类型永磁同步电机其漏磁系数大，属于凸极式永磁同步电机。图2-4为内埋式类型PMSM的转子结构图。图2-4内埋式类型PMSM的转子结构图Figure2-4RotorstructureofembeddedPMSM1.1.2空调压缩机驱动电机的特点及应用本论文的第一章节简略的介绍了永磁同步电机的特点，本章节就基于前文介绍的特点为基础然后展开更详细的讨论分析。永磁同步电机加入了新型的永磁材料使得励磁结构更加简单，具有更高的功率因数，改善了电机的工作状态[49]。没有了传统电机的电刷、滑环以及励磁电路部分，这样就会减少其电阻的损耗以及固有的铁损。通过电子换向的方式替换传统的机械换向方式，能够降低原有的机械程度的磨损和减少安全隐患。永磁同步电机与异步电机最大的区别在于励磁的方式不同，异步电机是通过电机定子电流为转子完成励磁的过程，然而永磁同步电机不是采用传统的电励磁方式，而是永磁体直接产生磁场。显而易见，永磁同步电机拥有其它电机无法比拟的特点如体积更加小巧、结构更加简单、可靠性高、功率因数高等特点[48]。下面依次介绍了永磁同步电机的五个优势（1）工作性能好、可靠性高、易于后期的维修保养、结构更加简单、使用周期长。（2）与异步电机做对比，永磁同步电机的外形更小巧，体积更小，更易于安装，可以满足各种复杂的工作场合，与感应电机做对比，在相同时间里，永磁同步电机产生的热量损耗更低，更加降低能耗，节约能源[50]。（3）没有了传统电机的电刷、滑环以及励磁电路部分，这样就会减少其电阻的损耗以及固有的铁损，改善了其功率因数使得节能作用更显著。（4）更高标准的调速精准度，更大的调速区间，能够达到1：1000，然而异步电机仅仅只是1：100。（5）在额定转速下正常运行时候，该电机能够保持不变的转矩，这将能大幅增加电机正常工作的稳定性。永磁同步电机具有其它电机无法比拟的优点，所以在充分地考虑了每个重要因素之后，本课题选择永磁同步电机作为此次研究的对象。在没有任何负载的情况下，永磁同步电机的气隙磁通密度分布情况与正弦波形非常相似，减小了气隙磁场附件的谐波分量，谐波磁场会造成许多损耗和电磁振动干扰，所以选用永磁同步电机可以有效的克服这些难题，可以改善电机的工作效率，增加电机在工作时候的稳定性，降低噪音影响[51]。与其它电机最大不同之处在于永磁同步电机的转子部分，其转子具有许多不同的结构，这就决定了永磁同步电机具有多样化的特点，增加了永磁同步电机可以使用到更多领域的可能性，永磁同步电机既能够应用到人们的普通生活中如各种常见的家用设备，也可以应用到高科技方面如军事设备和航天领域。永磁同步电机基于矢量控制的方法设计复杂的变频调速系统，可以满足可靠性高、稳定性强的传动要求，尤其是被广泛应用在动态性能要求高的领域中。与其它传统电机做对比，永磁同步电机没有电刷，结构趋于简单化方向发展。所以永磁同步电机具有多样化的结构，使用的领域多，稳定性高，这些结论表明对于永磁同步电机的研究具有非常重要的现实意义。1.2空调压缩机驱动电机的基本控制方式由于永磁同步电机固有的特性，定子这一侧的每个物理量都是交流量，然后空间向量也是以相同的步速旋转，想要计算和控制这些物理量都是一项比较繁琐的工作，所以只能通过坐标变换的原理简化这一复杂过程，把静止坐标系转换为同步的旋转坐标系下检测每个物理量[52]。在同步旋转坐标系情况下，每个空间向量都是静止状态，所以可以从几个基本的转矩公式得到转矩与被控向量的分解向量之间的联系，并且实时计算直流给定量。针对直流给定量完成实时控制，这样就可以完成直流电机的控制功能。但是在物理层面这些给定量都是没有的，因此，就只能通过相应的坐标变换的逆过程，把两想旋转的坐标系转换为静止的坐标系，这样就可以把直流给定量转换为现实的交流量。最后就可以在三相定子坐标系针对交流量的控制，使得给定值与实际值吻合。1.3空调压缩机驱动电机控制理论基础1.3.1空间矢量的模型在分析相同频率下的正弦量之间的相位关系的时候，为了简化分析的过程就将系统的变量改变成为在时域条件下的相量。因此能够把正弦电流写成如下的表达式：在公式，I是i(t)的最大值，γ为i(t)的相位角γ=(wt+φ)。在通常情况下，i(t)的虚部表示的是有规律交替变化的电流，也可以表达为i(t)=Isinγ。在交流电机中，其实部表示的是电流的瞬时值，所以其ia(t),ib(t),ic(t)：假设实验能够达到下面的三种条件：（1）每相绕组只是一匝线圈。（2）定子的绕组是三相对称性的结构。（3）在理想条件下，不讨论绕组磁动势谐波分量的影响。三相对称的电流形成的磁动势fs如下式：注：θ代表磁动势fs(θ,t)与标准坐标轴的夹角。Nse是等效的线圈匝数。同样公式也可以表达为：上式中a代表运算符：假设三相电流没有零序分量的存在，那么ia(t),ib(t),ic(t)三者之和为0。因此根据这个原理能够得到，只需要计算出两个电流就能够快速的计算出第三个电流分量，所以通过这个方法就能够把系统的阶数从复杂的三阶系统转换为相对简单一些的二阶系统，空间矢量就可以转换为简单的两相系统：1.3.2驱动电机的电压和磁链模型为了能够得到最优化的驱动电机的数学模型，那就一定不能忽略定子电压的这个重要性的模型，其中包括定子的电阻形成电压降的损耗情况和定子的磁链变化率情况[57]，能够得到：式中的上标s代表在定子坐标系上变量，ψss代表定子的磁链。定子的磁链情况包括两个部分，其一是由于转子本身所具有的特性永磁体形成的磁链，其二是定子的绕组由于自感应原理形成了磁链[58]。图2-8为磁链计算的仿真模型图。图2-8磁链计算的仿真模型图Figure2-8Simulationmodeloffluxcalculation可以影响磁链的因素有永磁体本身的磁性强弱和永磁体与定子绕组的夹角θr大小，所以ψss能够表达为：将公式代入可知：在通过旋转坐标系的转换之后，定子坐标系下的定子电压Uss和电流iss就能够成为转子坐标系下转子电压和电流：公式也能够写作：1.5空调压缩机驱动电机的数学模型数学模型（MathematicalModel）是最近几十年兴起的一门综合性学科，是基于丰富的逻辑方法和各种各样的数学语言组成的学科，把数学理论知识与现实情况结合在一起的学科[61]。它可以把现实情况通过分析总结之后转化成与之对应的数学情况，并且在这些原理上完成理论研究，这样就能够科学的阐释现实情况，也能够为解决现实问题得出建设性的意见。为了能够更优化的控制永磁同步电机，那就能够通过选择这种数学模型的方法研究永磁同步电机的工作原理和探讨工作中可能会出现的各种问题。将三相永磁同步电机与直流电机进行对比分析，明显可知：前者是通过三相交流的方式来完成供电工作，它的数学模型更复杂[62]。因此，在分析PMSM的数学模型情况下，通常会简化一些条件，假设满足以下的条件：（1）永磁体的电导率是0。（2）漏磁通的影响小到可以直接忽略不计。（3）转子的磁链具有正弦性。（4）不考虑磁饱和现象。（5）没有涡流损耗和磁滞损耗。（6）定子各相绕组的参数（如电阻和电感）完全相同对于一般的三相绕组类型的PMSM，其定子每一相的电压变化情况与电阻的压降和磁链变化情况是一致，定子的磁链和电压矢量能够表达为注：Us表示定子电压矢量。Is表示定子电感。Rs表示定子电阻。ψr表示转子磁链矢量。ψs表示定子磁链矢量。Is表示定子电流。如图2-10在A-B-C坐标系下PMSM三相绕组所示，M表示转子的磁场方向，电机的转子旋转的方向是顺时针，角速度为ωr，夹角θ为转子磁链ψr与A相绕组之间的夹角。图2-11为三相PMSM的仿真数学模型图。图2-10在A-B-C坐标系下PMSM三相绕组Figure2-10PMSMthree-phasewindingunderA-B-Caxis图2-11三相PMSM的仿真数学模型图Figure2-11Simulationmathematicalmodelofthree-phasePMSM分析公式，能够推导出其对应的三相绕组电压公式注：UA、UB和UC表示定子绕组各相的相电压。iA、iB和iC表示定子绕组各相的相电流。ψA、ψB和ψC表示转子磁场在定子绕组中形成的交链。Rr表示电枢绕组的电阻。Lr表示电枢绕组的电感。P表示微分算子d/dt。设定转子的磁链具有正弦性，则可以得到：注：ψr表示磁链的幅值。表示转子永磁体与定子绕组之间的夹角。由于此三相绕组采用的是Y形接法，通过KCL定律可得：综合分析公式能够推导出永磁同步电机在三相静止坐标系下的电压公式：通过分析上式能够得知，在三相静止坐标系下，PMSM的电压公式是一个复杂的微分方程，非常不容易分析计算出对应的结果，所以想要达到容易研究的要求，那就只有继续进行下一步更深入的研究工作，如完成数学模型的坐标变换。1.6转子磁链定向的永磁同步电动机数学模型将M轴和转子的几何轴线d轴完全重合，二者需要保持同步旋转的状态，M轴定向在转子磁链矢量的ψr上。由于PMSM本身所具有的特性，其各项参数是恒定不变的，不会因为温度改变而波动，假设不考虑磁滞损耗这些原因，就能够确定PMSM具有线性的结构。因为转子是无阻尼绕组，所以其磁通是固定不变，在通过转子磁链定向的方法下，能够将两相坐标系转化为磁链方向上。永磁同步电机在d-q坐标系的定子磁链方程是通过统一电机理论得出来的：永磁同步电机在同步旋转坐标系下，根据电机原理能够推导出其定定子磁链的表达式：注：Ld表示在直轴上的主电感,Lq表示在交轴上的主电感ψr