永磁同步电机的结构

电气082 徐冬 学号：0803731153

浅谈永磁同步电机

永磁式同步电动机，是一种利用永磁体建立励磁磁场的小功率同步电动机。 永磁式同步电动机的定子产生旋转磁场，转子由永磁材料制成。永磁同步电动机能够在石油、煤矿、大型工程机械等比较恶劣的工作环境下运行，这不仅加速了永磁同步电机取代异步电机的速度，同时也为永磁同步电机专用变频器的发展提供了广阔的空间。

一、永磁同步电机原理

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。

二、永磁同步电机的特点

永磁同步电动机结构简单、体积小、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，且转子参数可调、控制性能好；但它与异步

永磁同步电机的仿真模型

1、永磁同步电机介绍

永磁同步电动机(permanent Magnets synchronous Motor, PMSM),转子采用永磁材料,定子为短距分布式绕组,采用三相正弦波交流电驱动,且定子感应电动势波形呈正弦波\定子绕组通过控制功率管(如IGBT)的不同开关组合,产生旋转磁场跟踪永磁转子的位置,自动地维持与转子的磁场有900的空间夹角,以产生最大的电机转矩\旋转磁场的转速则严格地由永磁转子的转速所决定,PMSM具有直流电动机的特性,有稳定的起动转矩,可以自行起动,并可类似直流电动机对电机进行闭环控制,多用于伺服系统和高性能的调速系统。

永磁同步电动机按转子形状可以分为两类:凸极式永磁同步电机和隐极式永磁同步电机。它们的区别在于转子磁极所在的位置,凸极式永磁同步电机转子磁极是突起在轴上的,其直轴和交轴电感参数不相等\而隐极式永磁同步电机的转子磁极是内置在轴内的,直轴和交轴电感参数相等\凸极式转子具有明显的磁极,定子和转子之间的气隙是不均匀的,因此其磁路与转子的位置有关。

2、永磁同步电机的控制方法

目前对永磁同步电机的控制技术主要有磁场定向矢量控制技术（ field orientation control,FO

永磁同步电机的仿真模型

1、永磁同步电机介绍

永磁同步电动机(permanent Magnets synchronous Motor, PMSM),转子采用永磁材料,定子为短距分布式绕组,采用三相正弦波交流电驱动,且定子感应电动势波形呈正弦波\定子绕组通过控制功率管(如IGBT)的不同开关组合,产生旋转磁场跟踪永磁转子的位置,自动地维持与转子的磁场有900的空间夹角,以产生最大的电机转矩\旋转磁场的转速则严格地由永磁转子的转速所决定,PMSM具有直流电动机的特性,有稳定的起动转矩,可以自行起动,并可类似直流电动机对电机进行闭环控制,多用于伺服系统和高性能的调速系统。

永磁同步电动机按转子形状可以分为两类:凸极式永磁同步电机和隐极式永磁同步电机。它们的区别在于转子磁极所在的位置,凸极式永磁同步电机转子磁极是突起在轴上的,其直轴和交轴电感参数不相等\而隐极式永磁同步电机的转子磁极是内置在轴内的,直轴和交轴电感参数相等\凸极式转子具有明显的磁极,定子和转子之间的气隙是不均匀的,因此其磁路与转子的位置有关。

2、永磁同步电机的控制方法

目前对永磁同步电机的控制技术主要有磁场定向矢量控制技术（ field orientation control,FO

Ansoft Maxwell 14 永磁同步电机仿真步骤总结

首先是建立一个RMxprt文件，选择电机类型为下图的 Permanent-MagnetSynchronous Motor

只要按照下面的参数输入即可

磁钢材料NTP264H要自己定义

Danper是怎么出来的?要右键”Rotor’ ,选择 Insert Danper，就可以了

一键导入到maxwell14 2D瞬态场 里去分析即可，右键Analysis setup 的creat Maxwell design ，auto setup 要打勾

导入模型如图，是1/4模型（导入整个模型的方法？ 加注fragnet 1）

因为是1/4模型 ，所以要设置一个 Symmetry Multiplier ，右键”model”,就可以看到，设置如

永磁同步电机25112

精品文档

永磁同步电机

永磁同步电机是交流驱动系统以永磁同步电机为驱动电机的设备，它以永磁体替代电励磁电机的励磁绕组。随着新材料、机电一体化、电力电子、计算机、控制理论等各种相关新技术的快速发展，永磁同步电机控制系统已经开拓了很广泛的应用领域，能够实现高速、高精度、高稳定度、快速响应、高效节能的运动控制。

目录

?永磁同步电机的背景介绍

?永磁同步电机的系统结构

?永磁同步电机的数学模型

?永磁同步电机的控制策略

?永磁同步电机的背景介绍

o永磁同步电机概述永磁同步电机出现于20世纪50年代，它的运行原理与普通电激磁同步电机相同，但以永磁体激磁替代激磁绕

组激磁使得电机结构简单。永磁同步电机省略了普通同步电机所

特有的集电环和电刷，提高了电机运行的可靠性。由永磁体激

磁，无须激磁电流，因而提高了电机的效率和功率因数。

普通同步电机调节励磁电流的大小可以人为地改变励磁磁势的大

小。永磁同步电机以永磁体代替电励磁绕组作为磁势源，它对外

提供的磁通‰和磁势L随着外磁路磁导和电枢反应磁场的变化而

自动变化，无法直接调节永磁铁磁势的大小。永磁体作为磁路的

一部分，由于磁铁的磁导率低，对电枢反应磁场起削弱作用，使

得永磁同步电机的直轴电枢反应电抗比交轴反应电抗小得多。

永磁同步电机矢量控制原理

1.永磁同步电动机简介

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。和其他类型交流电动机相比，它由于没有励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比较大，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。近些年，人们对它的研究也越来越感兴趣，在医疗器械、化工、轻纺、数控机床、工业机器人、计算机外设、仪器仪表、微型汽车和电动自行车等领域中都获得应用。

1.1 永磁同步电机系统的结构

永磁同步电机的基本组成：定子绕组、转子、机体。定子绕组通过三相交流电，产生与电源频率同步的旋转磁场。转子是用永磁材料做成的永磁体，它在定子绕组产生的旋转磁场的作用下，开始旋转。

2.坐标变换

2.1 坐标变换

坐标变换，从数学角度看，就是将方程中原来的一组变量，用一组新的变量来代替。线性变换是指这种新旧变量之间存在线性关系。电动机中用到的坐标变

永磁同步电机的矢量控制原理

交流永磁同步电机采用的是正弦波供电方式，它可以消除方波电流突变带来的转矩脉动，其运行稳，动，静态特性好，但控制也比无刷直流电机复杂，需要采用矢量控制技术。

正弦波与方波的区别在与正弦波电流的瞬时值随着相位的变化。交流永磁同步电机的理想状态是：能在转子磁场强度为最大值的位置上，使定子绕组的电流也能够达到最大值，这样电机便能够在同样的输入电流下获得最大的输出转矩。为了实现这一目的，就必须对定子电流的幅值与相位同时进行控制。幅值与相位构成了电流矢量，因此，这种控制称为“矢量控制”。

为了对交流电机实施矢量控制，首先需要建立电机的数学模型。根据矢量控制的理论，交流永磁同步电机的数学模型可以按照以下步骤建立。

① 将三相定子电流合成为统一的合成电流。

② 将定子合成电流分解为两相正交流电，完成电流的3-2变换。

③ 将定子坐标系中的两相正交流电转换到定子坐标系上。 ④在转子坐标系中定子电流平衡方程。

⑤根据转子磁场与定子电流的正交分量建立电机的运行方程。

燕 山 大 学

本科毕业设计（论文）终期报告

课题名称： 永磁同步电机 SVPWM控制及仿真 学院（系）： 电气工程学院 年级专业： 2011级自动化 学生姓名： 指导教师： 完成日期： 2015年3月

摘要

永磁同步电机(PMSM)因其体积小、磁密度高、可靠性好以及对环境适应性强等诸多优点，被广泛应用于工农业生产和航空航天等领域。而伴随着这些领域的不断发展，更高的调速精度、更大的调速范围以及更快的响应速度成为永磁同步电机调速系统的迫切要求。

本文研究永磁同步电机(PMSM)矢量控制系统。一方面，采用空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）算法，在MATLAB/SIMULINK环境下，通过对坐标系转换、SVPWM逆变器、速度控制器等功能模块的建立与组合，构建了PMSM控制系统的速度和电流双闭环仿真模型及自适应模糊控制仿真模型。仿真结果证明了该系统模型具有很好的静态、稳态性能。另一方面，提出了一种自适应模糊PI控制器,将模糊控制器与PI控制器结合在一起，利用模糊逻辑控制，并把MATLAB中的Fuzzy Toolbox和SIMULI

PMSM电机在旋转dq坐标系中定子电压和定子磁链方程为

ud

Rsid d d q

dt

uq

Rsiq d q d

dt

d Ldid f q

Lqi

qud,uq为d、q轴的定子电压；

Ld，Lq为d、q轴的电枢电感，对于隐极电机来说Ld=Lq=L； id，iq为d、q轴的电枢电流；

d， q为d、q轴的定子磁链；

Rs为电枢绕组电阻；

f为永磁铁产生的磁链，为常量；

为电机电角速度，有 p r，p为电机的极对数， r为电机转子角速度；由式（1）推出：

did1

dt Rs

Lid p riq L

ud diq p i Rs fp1 dt

rdLiq L r LuqPMSM电机在旋转dq坐标系中电磁转矩方程为

Te 1.5p diq qid

1.5p Ld Lq idiq fiq 1.5p fiq

PMSM电机的转子动力学方程为

T r

e Tm b r J

ddt

Te为电机的电磁转矩； Tm为电机的负载扭矩；

b为电机的阻尼系数； J为电机的转动惯量；

(1)

(2)

(3)

(4)

由式（3）式（4）可以推出

Td r1.5p f b

iq r m dtJJJ

(5)

状态方程为

X

AX Bu C

id选取X

摘 要

本文首先介绍了永磁同步电机的国内外发展状况，然后介绍了永磁同步电机的结构及原理，接着建立了永磁同步电机的数学模型，并在此基础上用MATLAB进行了仿真，最后进行了仿真及仿真结果的分析。

永磁同步电机是具有非线性、强耦合性、时变性的系统，在运行过程中会受到负载扰动等多因素影响。以往研究永磁同步电机的做法是在硬件上搭建一个平台进行模拟，但是这样在做实验中难免会造成一些损失，而且硬件上的反馈会比较长研究周期长。目前在国内外关于永磁同步电机调速系统的研究现状上来讲，基于MATLAB环境下仿真模型的构建下进行研究，这可极大的缩短研究周期和研究成本。在利用MATLAB仿真模型研究永磁同步电机时，我们可以把那些扰动因数做成模拟信号给予模型，这样可以准确的定性分析实验得出结论。

关键字：永磁同步电机，空间矢量调制，MATLAB仿真，数学模型。

I

ABSTRACT

In the first, this paper introduces the domestic and international development status of Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM)