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电力电子与现代控制 Power Electronic and Modern Control. 中国科学院研究生院. 一般结构同步电动机. 结构特点和工作原理 数学模型 稳态特性 动态特性. C+. B-. N. B-. A +. A +. A-. C+. S. N. S. C-. B+. A-. C-. B+. 同步电动机的结构特点. 凸极转子 (Salient Rotor) 同步电机. 隐极转子 (Round Rotor) 同步电机. 通常的同步电动机有两类: - PowerPoint PPT Presentation
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电力电子与现代控制Power Electronic and Modern Control
中国科学院研究生院
一般结构同步电动机
结构特点和工作原理数学模型稳态特性动态特性
同步电动机的结构特点
N S
A-
B+
A+
C+
C-
B-
N
S
A+
B+
C+B-
A-
C-
凸极转子 (Salient Rotor) 同步电机
隐极转子 (Round Rotor) 同步电机
通常的同步电动机有两类1 凸极转子 (Salient Rotor) 同步电机( LdneLq )2 隐极转子 (Round Rotor) 同步电机( Ld=Lq )
Pole
DC excitationwinding
Fan
Sliprings
大型凸极水轮发电机的定子
大型凸极水轮发电机的转子
隐极转子结构
凸极转子结构
同步电动机的工作原理同步电动机的组成见左图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子励磁绕组 fd 和等效 d 轴阻尼绕组 Dd 和等效 q轴阻尼绕组 Dq 励磁绕组所在的轴线称之 d 轴或横轴按逆时针方向超前 90 度电角度的轴线称之为 q 轴或交轴 d 轴和q 轴以同步角频率 ω1 在空间逆时针旋转定子三相绕组所在轴线 a 轴 b 轴和 c 轴在空间上静止不动 a 轴与 d 轴的夹角为
其中 θ0 为初始时刻 d 轴与 a 相轴线的夹角一般认为零 ωr 为转子旋转角频率同步旋转时等于 ω1
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
Ddi
qi
DduNS
dtr 0
定子 abc 三相绕组的供电电压 Ua Ub 和 Uc 为三相对称交流电压转子励磁绕组供电电压为直流电压 d 轴和 q 轴阻尼绕组与异步电机的鼠笼条类似处于短路状态其供电电压为零稳态运行时 d 轴和 q 轴的旋转速度 ωr 与供电频率一致即同步角频率 ω1 此时定子三相绕组电流也为正弦对称系统其频率为 ω1=2πf1 转子励磁绕组的电流为恒定的直流 d轴和 q 轴阻尼绕组电流为零只有当转子旋转角频率 ωrne ω1 时 d 轴和 q 轴阻尼绕组电流才不为零
同步电机的空间位置关系
同步电动机的数学模型
相坐标系下的数学模型dq 坐标系下的数学模型
同步电动机在相坐标系下的数学模型
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
Ddi
qi
DduNS
DqDqDqDq
DdDdDdDd
fdfdfdfd
ccc
bbb
aaa
piru
piru
piru
piru
piru
piru
0
0
1
1
1
Dq
Dd
fd
c
b
a
DqcDqbDqaDq
DdfDdcDdbDdaDd
fDdfdcfdbfdafd
cDqcDdcfdccbcac
bDqbDdbfdbcbbab
aDqaDdafdacabaa
Dq
Dd
fd
c
b
a
i
i
i
i
i
i
LMMM
LMMMM
MLMMM
MMMLMM
MMMMLM
MMMMML
00
0
0
电压方程为 磁链方程为
)32(2cos
)32(2cos
2cos
20
20
20
ssbb
ssbb
ssaa
LLL
LLL
LLL
2)(2)( 20 aaqaadsaaqaadaals LLLLLLL
)65(2cos
)2(2cos
)6(2cos
20
20
20
ssac
ssbc
ssab
MMM
MMM
MMM2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
)32cos(
)32cos(
cos
0
0
0
afdcfd
afdbfd
afdafd
MM
MM
MM
)32cos(
)32cos(
cos
0
0
0
aDdcDd
aDdbDd
aDdaDd
MM
MM
MM
)32sin(
)32sin(
sin
0
0
0
aDqcDq
aDqbDq
aDqaDq
MM
MM
MM
其中
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a 轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 Mafd0 MaDd0 和 MaDq0 分别为 a 相轴线分别与 fd Dd 和 Dq 轴线重合时 a 相绕组与 fd Dd 和 Dq绕组的互感系数 Lfd MfDd LDd 和 LDq 为常数
LI
IL
In
WnT Tpmpem
2电磁转矩为
同步电动机在转子 dq 坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机共有五套绕组即定子 ds 和 qs 绕组转子 fd 绕组 Dd 和 Dq 绕组这五个绕组都固定在转子上随转子同步旋转见右图所示
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
r
Ddi
qi
DduNS
qiqu
du di
qs
ds
2
1
2
1
2
1)120sin()120sin(sin
)120cos()120cos(cos
3
20
dqabcT
1)120sin()120cos(
1)120sin()120cos(
1sincos
0
abcdqT
同步电动机在转子 dq 坐标系下的数学模型
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
DqDqqaDqDq
DdDdfdfDddaDdDd
DdfDdfdfddafdfd
DqaDqqqq
DdaDdfdafdddd
iLiM
iLiMiM
iMiLiM
iMiL
iMiMiL
0
0
0
0
00
2
32
32
3
电压方程为
磁链方程为其中
aqslaaqaalsssq
adslaadaalsssd
LLLLLMLL
LLLLLMLL
)(2
3
2
3
)(2
3
2
3
200
200
电磁转矩为 )(2
3dqqdpem iinT
从同步电机磁链方程可见经过变换后同步电机的电感系数不对称(采用相对变换)
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
r
Ddi
qi
DduNS
qiqu
du di
qs
ds
同步电动机在转子 dq 坐标系下的数学模型
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
DqDqqaqDq
DdDdfdfDddadDd
DdfDdfdfddadfd
Dqaqqqq
Ddadfdadddd
iLiL
iLiMiL
iMiLiL
iLiL
iLiLiL
电压方程为
磁链方程为
按照以下变换关系
DqaDq
aqDqDd
aDd
adDdfd
afd
adfd i
M
Lii
M
Lii
M
Li
000
此时同步电机的电压和磁链方程如右式所示可见其电感矩阵变得对称了又得以简化省去上标 号并有
DqDqqaqDq
DdDdfdaddadDd
Ddadfdfddadfd
Dqaqqqq
Ddadfdadddd
iLiL
iLiLiL
iLiLiL
iLiL
iLiLiL
电压方程 磁链方程
adfDd LM
则同步电机的方程可以简化为
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
DqaDq
aqDqDd
aDd
adDdfd
afd
adfd u
M
Luu
M
Luu
M
Lu
000 3
2
3
2
3
2
电磁转矩 )(2
3dqqdpem iinT
稳态性能分析稳态时同步电机的阻尼绕组不起作用在 dq 坐标系下同步电机所有量都为直流量且保持不变则有
fdfdfd
dqq
qdd
iru
iru
iru
11
11
fdfddafdfd
qqq
fdafdddd
iLiM
iL
iMiL
0
0
2
3
qd
qdqddqpdqqdpem LL
uuLLuLEniinT
21
0 )(
2
3)(
2
3
另有
01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中fdafd iME 010
其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的功率角 δrsquo 为同步电机的外功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子电阻的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有20
2 21 1
3sin sin 2
2 2d q
em pd d q
E U L LT n U
L L L
同步电机的矩角特性
同步电动机的稳态矢量图
励磁电磁转矩
磁阻电磁转矩
δ
u
1ri
d
1
ju
qdd iru 11
a轴
d轴
q轴
i
dqq iru 11
fdafd iM 0
qd j
ddiL
qqqiL
动态性能分析
)](
)(
[2
3
)(2
3
00
0
dDqaDqqDdaDd
qdqd
qfdafdp
dqqdpem
iiMiiM
iiLL
iiMn
iinT
基于动态方程同步电机的动态电磁转矩为
可见动态性况下同步电机的电磁转矩由三部分组成同步电机在启动过程中如果转子角频率小于定子角频率此时同步电机的电磁转矩以异步转矩为主同步转矩是变化的达到同步时即转子角频率等于定子角频率此时同步电机的异步转矩为零只有同步电磁转矩存在
励磁电磁转矩
磁阻电磁转矩
异步电磁转矩
同步电磁转矩
同步电机 matlab 仿真模型的建立
mqDqDqlDqDqqaqDq
mdDdDdlDdDdfdaddadDd
mdfdfdlDdadfdfddadfd
mqqslDqqaqqslq
mddslDdfddaddsld
iLiLiL
iLiLiLiL
iLiLiLiL
iLiiLiL
iLiiiLiL
)(
)(
aqDqlsl
Dql
Dq
sl
q
Dqqaqmq
adDdlfdlsl
Ddl
Dd
fdl
fd
sl
d
Ddfddadmd
LLL
LLiiL
LLLL
LLLiiiL
111)(
1111)(
DqDqqaqDq
DdDdfdaddadDd
Ddadfdfddadfd
Dqaqqqq
Ddadfdadddd
iLiL
iLiLiL
iLiLiL
iLiL
iLiLiL
电压方程 磁链方程
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
电磁转矩 )(2
3dqqdpem iinT
DqlmdDqDq
DdlmdDdDd
fdlmdfdfd
slmqqq
slmddd
Li
Li
Li
Li
Li
)(
)(
)(
)(
)(
1 最好利用转子 dq 坐标系中的数学模型
2 以各绕组磁链为状态变量3 为了避便在计算电流时的矩阵求逆的计算 应以气隙磁链为中间变量
同步电机动态仿真模型(转子 dq 坐标系)
仿真事例一空载启动过程
仿真事例一空载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
特殊结构同步电动机分类结构数学模型特性
特种同步电机的分类 特种的同步电机有永磁同步电机同步磁阻电
机和开关磁阻电机等 永磁同步电机与普通同步电机相比其励磁磁链
由位于电机转子上的永磁体产生 按照其气隙磁链波形的不同可分为永磁无刷直
流电机和永磁同步交流电机两种永磁无刷直流电机的气隙磁链和反电势波形为方波或梯形波永磁同步交流电机的气隙磁链和反电势波形为正弦波
永磁同步交流电机按照其转子永磁体的安装方式不同又分为表面贴装式永磁同步交流电机和内嵌式永磁同步交流电机
永磁交流电机按照其气隙磁链行走路线不同可分为径向磁通式轴向磁通式和横向磁通式等
永磁同步电机的转子结构
面贴式( Surface mounted Magnet ) 内嵌式( Inset Magnet )
内埋式( Interior Magnet) 磁场集中式( Flux Concentration)
面贴带极靴式
内埋式
根据转子结构导致的 Ld 和 Lq的差异永磁同步电机分为 SPMSM ( LdasympLq )和 IPMSM( LdltLq )两种
SPMSM IPMSM
IPMSM IPMSM IPMSM
IPMSM 的多层转子结构
两层转子结构的 IPMSM 具有较好的性能和较低的造价
同步电机的转子结构与其凸极率的关系
同步电机的凸极率 (Salient Ratio) LqLd
一台 30 kW 径向气隙的 IPMSM 的参数
SPMSM
IPMSM
多层 SPMSM
永磁同步磁阻电机 PMSynRM
多层永磁同步磁阻电机 PMSynRM
同步磁阻电机 SynRM
多层同步磁阻电机 SynRM
径向磁通永磁同步电机
其主磁通沿径向穿过气隙
轴向气隙永磁同步电机
其主磁通沿轴向穿过气隙(上图中有两个气隙)
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
bbb
aaa
piru
piru
piru
1
1
1
)3
2cos(
)3
2cos(
cos
m
m
m
c
b
a
ccbcac
bcbbab
acabaa
c
b
a
i
i
i
LMM
MLM
MML
磁链方程为
)32(2cos
)32(2cos
2cos
20
20
20
ssbb
ssbb
ssaa
LLL
LLL
LLL
2)(2)( 20 aaqaadsaaqaadaals LLLLLLL
)65(2cos
)2(2cos
)6(2cos
20
20
20
ssac
ssbc
ssab
MMM
MMM
MMM
2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
In
WnT Tpmpem
2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
NS
永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
2
1
2
1)120sin()120sin(sin
)120cos()120cos(cos
3
20
dqabcT
1)120sin()120cos(
1)120sin()120cos(
1sincos
0
abcdqT
ppiru
ppiru
dqqq
qddd
1
1电压方程为
qqq
mddd
iL
iL
磁链方程为
电磁转矩为 )(2
3dqqdpem iinT
其中aqslaaqaalsssq
adslaadaalsssd
LLLLLMLL
LLLLLMLL
)(2
3
2
3
)(2
3
2
3
200
200
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
qi
NS
du
qu
di
稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
dqq
qdd
iru
iru
11
11
qqq
mddd
iL
iL
qd
qdqddqpdqqdpem LL
uuLLuLEniinT
21
0 )(
2
3)(
2
3
另有
01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
u
1ri
d
1
ju
qdd iru 11
a轴
d轴
q轴
i
dqq iru 11
fdafd iM 0
qd j
ddiL
qqqiL
δ
稳态性能分析])([
2
3)(
2
3qdqdqmpdqqdpem iiLLiniinT
永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
一般结构同步电动机
结构特点和工作原理数学模型稳态特性动态特性
同步电动机的结构特点
N S
A-
B+
A+
C+
C-
B-
N
S
A+
B+
C+B-
A-
C-
凸极转子 (Salient Rotor) 同步电机
隐极转子 (Round Rotor) 同步电机
通常的同步电动机有两类1 凸极转子 (Salient Rotor) 同步电机( LdneLq )2 隐极转子 (Round Rotor) 同步电机( Ld=Lq )
Pole
DC excitationwinding
Fan
Sliprings
大型凸极水轮发电机的定子
大型凸极水轮发电机的转子
隐极转子结构
凸极转子结构
同步电动机的工作原理同步电动机的组成见左图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子励磁绕组 fd 和等效 d 轴阻尼绕组 Dd 和等效 q轴阻尼绕组 Dq 励磁绕组所在的轴线称之 d 轴或横轴按逆时针方向超前 90 度电角度的轴线称之为 q 轴或交轴 d 轴和q 轴以同步角频率 ω1 在空间逆时针旋转定子三相绕组所在轴线 a 轴 b 轴和 c 轴在空间上静止不动 a 轴与 d 轴的夹角为
其中 θ0 为初始时刻 d 轴与 a 相轴线的夹角一般认为零 ωr 为转子旋转角频率同步旋转时等于 ω1
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
Ddi
qi
DduNS
dtr 0
定子 abc 三相绕组的供电电压 Ua Ub 和 Uc 为三相对称交流电压转子励磁绕组供电电压为直流电压 d 轴和 q 轴阻尼绕组与异步电机的鼠笼条类似处于短路状态其供电电压为零稳态运行时 d 轴和 q 轴的旋转速度 ωr 与供电频率一致即同步角频率 ω1 此时定子三相绕组电流也为正弦对称系统其频率为 ω1=2πf1 转子励磁绕组的电流为恒定的直流 d轴和 q 轴阻尼绕组电流为零只有当转子旋转角频率 ωrne ω1 时 d 轴和 q 轴阻尼绕组电流才不为零
同步电机的空间位置关系
同步电动机的数学模型
相坐标系下的数学模型dq 坐标系下的数学模型
同步电动机在相坐标系下的数学模型
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
Ddi
qi
DduNS
DqDqDqDq
DdDdDdDd
fdfdfdfd
ccc
bbb
aaa
piru
piru
piru
piru
piru
piru
0
0
1
1
1
Dq
Dd
fd
c
b
a
DqcDqbDqaDq
DdfDdcDdbDdaDd
fDdfdcfdbfdafd
cDqcDdcfdccbcac
bDqbDdbfdbcbbab
aDqaDdafdacabaa
Dq
Dd
fd
c
b
a
i
i
i
i
i
i
LMMM
LMMMM
MLMMM
MMMLMM
MMMMLM
MMMMML
00
0
0
电压方程为 磁链方程为
)32(2cos
)32(2cos
2cos
20
20
20
ssbb
ssbb
ssaa
LLL
LLL
LLL
2)(2)( 20 aaqaadsaaqaadaals LLLLLLL
)65(2cos
)2(2cos
)6(2cos
20
20
20
ssac
ssbc
ssab
MMM
MMM
MMM2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
)32cos(
)32cos(
cos
0
0
0
afdcfd
afdbfd
afdafd
MM
MM
MM
)32cos(
)32cos(
cos
0
0
0
aDdcDd
aDdbDd
aDdaDd
MM
MM
MM
)32sin(
)32sin(
sin
0
0
0
aDqcDq
aDqbDq
aDqaDq
MM
MM
MM
其中
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a 轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 Mafd0 MaDd0 和 MaDq0 分别为 a 相轴线分别与 fd Dd 和 Dq 轴线重合时 a 相绕组与 fd Dd 和 Dq绕组的互感系数 Lfd MfDd LDd 和 LDq 为常数
LI
IL
In
WnT Tpmpem
2电磁转矩为
同步电动机在转子 dq 坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机共有五套绕组即定子 ds 和 qs 绕组转子 fd 绕组 Dd 和 Dq 绕组这五个绕组都固定在转子上随转子同步旋转见右图所示
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
r
Ddi
qi
DduNS
qiqu
du di
qs
ds
2
1
2
1
2
1)120sin()120sin(sin
)120cos()120cos(cos
3
20
dqabcT
1)120sin()120cos(
1)120sin()120cos(
1sincos
0
abcdqT
同步电动机在转子 dq 坐标系下的数学模型
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
DqDqqaDqDq
DdDdfdfDddaDdDd
DdfDdfdfddafdfd
DqaDqqqq
DdaDdfdafdddd
iLiM
iLiMiM
iMiLiM
iMiL
iMiMiL
0
0
0
0
00
2
32
32
3
电压方程为
磁链方程为其中
aqslaaqaalsssq
adslaadaalsssd
LLLLLMLL
LLLLLMLL
)(2
3
2
3
)(2
3
2
3
200
200
电磁转矩为 )(2
3dqqdpem iinT
从同步电机磁链方程可见经过变换后同步电机的电感系数不对称(采用相对变换)
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
r
Ddi
qi
DduNS
qiqu
du di
qs
ds
同步电动机在转子 dq 坐标系下的数学模型
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
DqDqqaqDq
DdDdfdfDddadDd
DdfDdfdfddadfd
Dqaqqqq
Ddadfdadddd
iLiL
iLiMiL
iMiLiL
iLiL
iLiLiL
电压方程为
磁链方程为
按照以下变换关系
DqaDq
aqDqDd
aDd
adDdfd
afd
adfd i
M
Lii
M
Lii
M
Li
000
此时同步电机的电压和磁链方程如右式所示可见其电感矩阵变得对称了又得以简化省去上标 号并有
DqDqqaqDq
DdDdfdaddadDd
Ddadfdfddadfd
Dqaqqqq
Ddadfdadddd
iLiL
iLiLiL
iLiLiL
iLiL
iLiLiL
电压方程 磁链方程
adfDd LM
则同步电机的方程可以简化为
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
DqaDq
aqDqDd
aDd
adDdfd
afd
adfd u
M
Luu
M
Luu
M
Lu
000 3
2
3
2
3
2
电磁转矩 )(2
3dqqdpem iinT
稳态性能分析稳态时同步电机的阻尼绕组不起作用在 dq 坐标系下同步电机所有量都为直流量且保持不变则有
fdfdfd
dqq
qdd
iru
iru
iru
11
11
fdfddafdfd
qqq
fdafdddd
iLiM
iL
iMiL
0
0
2
3
qd
qdqddqpdqqdpem LL
uuLLuLEniinT
21
0 )(
2
3)(
2
3
另有
01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中fdafd iME 010
其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的功率角 δrsquo 为同步电机的外功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子电阻的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有20
2 21 1
3sin sin 2
2 2d q
em pd d q
E U L LT n U
L L L
同步电机的矩角特性
同步电动机的稳态矢量图
励磁电磁转矩
磁阻电磁转矩
δ
u
1ri
d
1
ju
qdd iru 11
a轴
d轴
q轴
i
dqq iru 11
fdafd iM 0
qd j
ddiL
qqqiL
动态性能分析
)](
)(
[2
3
)(2
3
00
0
dDqaDqqDdaDd
qdqd
qfdafdp
dqqdpem
iiMiiM
iiLL
iiMn
iinT
基于动态方程同步电机的动态电磁转矩为
可见动态性况下同步电机的电磁转矩由三部分组成同步电机在启动过程中如果转子角频率小于定子角频率此时同步电机的电磁转矩以异步转矩为主同步转矩是变化的达到同步时即转子角频率等于定子角频率此时同步电机的异步转矩为零只有同步电磁转矩存在
励磁电磁转矩
磁阻电磁转矩
异步电磁转矩
同步电磁转矩
同步电机 matlab 仿真模型的建立
mqDqDqlDqDqqaqDq
mdDdDdlDdDdfdaddadDd
mdfdfdlDdadfdfddadfd
mqqslDqqaqqslq
mddslDdfddaddsld
iLiLiL
iLiLiLiL
iLiLiLiL
iLiiLiL
iLiiiLiL
)(
)(
aqDqlsl
Dql
Dq
sl
q
Dqqaqmq
adDdlfdlsl
Ddl
Dd
fdl
fd
sl
d
Ddfddadmd
LLL
LLiiL
LLLL
LLLiiiL
111)(
1111)(
DqDqqaqDq
DdDdfdaddadDd
Ddadfdfddadfd
Dqaqqqq
Ddadfdadddd
iLiL
iLiLiL
iLiLiL
iLiL
iLiLiL
电压方程 磁链方程
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
电磁转矩 )(2
3dqqdpem iinT
DqlmdDqDq
DdlmdDdDd
fdlmdfdfd
slmqqq
slmddd
Li
Li
Li
Li
Li
)(
)(
)(
)(
)(
1 最好利用转子 dq 坐标系中的数学模型
2 以各绕组磁链为状态变量3 为了避便在计算电流时的矩阵求逆的计算 应以气隙磁链为中间变量
同步电机动态仿真模型(转子 dq 坐标系)
仿真事例一空载启动过程
仿真事例一空载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
特殊结构同步电动机分类结构数学模型特性
特种同步电机的分类 特种的同步电机有永磁同步电机同步磁阻电
机和开关磁阻电机等 永磁同步电机与普通同步电机相比其励磁磁链
由位于电机转子上的永磁体产生 按照其气隙磁链波形的不同可分为永磁无刷直
流电机和永磁同步交流电机两种永磁无刷直流电机的气隙磁链和反电势波形为方波或梯形波永磁同步交流电机的气隙磁链和反电势波形为正弦波
永磁同步交流电机按照其转子永磁体的安装方式不同又分为表面贴装式永磁同步交流电机和内嵌式永磁同步交流电机
永磁交流电机按照其气隙磁链行走路线不同可分为径向磁通式轴向磁通式和横向磁通式等
永磁同步电机的转子结构
面贴式( Surface mounted Magnet ) 内嵌式( Inset Magnet )
内埋式( Interior Magnet) 磁场集中式( Flux Concentration)
面贴带极靴式
内埋式
根据转子结构导致的 Ld 和 Lq的差异永磁同步电机分为 SPMSM ( LdasympLq )和 IPMSM( LdltLq )两种
SPMSM IPMSM
IPMSM IPMSM IPMSM
IPMSM 的多层转子结构
两层转子结构的 IPMSM 具有较好的性能和较低的造价
同步电机的转子结构与其凸极率的关系
同步电机的凸极率 (Salient Ratio) LqLd
一台 30 kW 径向气隙的 IPMSM 的参数
SPMSM
IPMSM
多层 SPMSM
永磁同步磁阻电机 PMSynRM
多层永磁同步磁阻电机 PMSynRM
同步磁阻电机 SynRM
多层同步磁阻电机 SynRM
径向磁通永磁同步电机
其主磁通沿径向穿过气隙
轴向气隙永磁同步电机
其主磁通沿轴向穿过气隙(上图中有两个气隙)
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
bbb
aaa
piru
piru
piru
1
1
1
)3
2cos(
)3
2cos(
cos
m
m
m
c
b
a
ccbcac
bcbbab
acabaa
c
b
a
i
i
i
LMM
MLM
MML
磁链方程为
)32(2cos
)32(2cos
2cos
20
20
20
ssbb
ssbb
ssaa
LLL
LLL
LLL
2)(2)( 20 aaqaadsaaqaadaals LLLLLLL
)65(2cos
)2(2cos
)6(2cos
20
20
20
ssac
ssbc
ssab
MMM
MMM
MMM
2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
In
WnT Tpmpem
2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
NS
永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
2
1
2
1)120sin()120sin(sin
)120cos()120cos(cos
3
20
dqabcT
1)120sin()120cos(
1)120sin()120cos(
1sincos
0
abcdqT
ppiru
ppiru
dqqq
qddd
1
1电压方程为
qqq
mddd
iL
iL
磁链方程为
电磁转矩为 )(2
3dqqdpem iinT
其中aqslaaqaalsssq
adslaadaalsssd
LLLLLMLL
LLLLLMLL
)(2
3
2
3
)(2
3
2
3
200
200
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
qi
NS
du
qu
di
稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
dqq
qdd
iru
iru
11
11
qqq
mddd
iL
iL
qd
qdqddqpdqqdpem LL
uuLLuLEniinT
21
0 )(
2
3)(
2
3
另有
01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
u
1ri
d
1
ju
qdd iru 11
a轴
d轴
q轴
i
dqq iru 11
fdafd iM 0
qd j
ddiL
qqqiL
δ
稳态性能分析])([
2
3)(
2
3qdqdqmpdqqdpem iiLLiniinT
永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
同步电动机的结构特点
N S
A-
B+
A+
C+
C-
B-
N
S
A+
B+
C+B-
A-
C-
凸极转子 (Salient Rotor) 同步电机
隐极转子 (Round Rotor) 同步电机
通常的同步电动机有两类1 凸极转子 (Salient Rotor) 同步电机( LdneLq )2 隐极转子 (Round Rotor) 同步电机( Ld=Lq )
Pole
DC excitationwinding
Fan
Sliprings
大型凸极水轮发电机的定子
大型凸极水轮发电机的转子
隐极转子结构
凸极转子结构
同步电动机的工作原理同步电动机的组成见左图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子励磁绕组 fd 和等效 d 轴阻尼绕组 Dd 和等效 q轴阻尼绕组 Dq 励磁绕组所在的轴线称之 d 轴或横轴按逆时针方向超前 90 度电角度的轴线称之为 q 轴或交轴 d 轴和q 轴以同步角频率 ω1 在空间逆时针旋转定子三相绕组所在轴线 a 轴 b 轴和 c 轴在空间上静止不动 a 轴与 d 轴的夹角为
其中 θ0 为初始时刻 d 轴与 a 相轴线的夹角一般认为零 ωr 为转子旋转角频率同步旋转时等于 ω1
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
Ddi
qi
DduNS
dtr 0
定子 abc 三相绕组的供电电压 Ua Ub 和 Uc 为三相对称交流电压转子励磁绕组供电电压为直流电压 d 轴和 q 轴阻尼绕组与异步电机的鼠笼条类似处于短路状态其供电电压为零稳态运行时 d 轴和 q 轴的旋转速度 ωr 与供电频率一致即同步角频率 ω1 此时定子三相绕组电流也为正弦对称系统其频率为 ω1=2πf1 转子励磁绕组的电流为恒定的直流 d轴和 q 轴阻尼绕组电流为零只有当转子旋转角频率 ωrne ω1 时 d 轴和 q 轴阻尼绕组电流才不为零
同步电机的空间位置关系
同步电动机的数学模型
相坐标系下的数学模型dq 坐标系下的数学模型
同步电动机在相坐标系下的数学模型
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
Ddi
qi
DduNS
DqDqDqDq
DdDdDdDd
fdfdfdfd
ccc
bbb
aaa
piru
piru
piru
piru
piru
piru
0
0
1
1
1
Dq
Dd
fd
c
b
a
DqcDqbDqaDq
DdfDdcDdbDdaDd
fDdfdcfdbfdafd
cDqcDdcfdccbcac
bDqbDdbfdbcbbab
aDqaDdafdacabaa
Dq
Dd
fd
c
b
a
i
i
i
i
i
i
LMMM
LMMMM
MLMMM
MMMLMM
MMMMLM
MMMMML
00
0
0
电压方程为 磁链方程为
)32(2cos
)32(2cos
2cos
20
20
20
ssbb
ssbb
ssaa
LLL
LLL
LLL
2)(2)( 20 aaqaadsaaqaadaals LLLLLLL
)65(2cos
)2(2cos
)6(2cos
20
20
20
ssac
ssbc
ssab
MMM
MMM
MMM2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
)32cos(
)32cos(
cos
0
0
0
afdcfd
afdbfd
afdafd
MM
MM
MM
)32cos(
)32cos(
cos
0
0
0
aDdcDd
aDdbDd
aDdaDd
MM
MM
MM
)32sin(
)32sin(
sin
0
0
0
aDqcDq
aDqbDq
aDqaDq
MM
MM
MM
其中
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a 轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 Mafd0 MaDd0 和 MaDq0 分别为 a 相轴线分别与 fd Dd 和 Dq 轴线重合时 a 相绕组与 fd Dd 和 Dq绕组的互感系数 Lfd MfDd LDd 和 LDq 为常数
LI
IL
In
WnT Tpmpem
2电磁转矩为
同步电动机在转子 dq 坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机共有五套绕组即定子 ds 和 qs 绕组转子 fd 绕组 Dd 和 Dq 绕组这五个绕组都固定在转子上随转子同步旋转见右图所示
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
r
Ddi
qi
DduNS
qiqu
du di
qs
ds
2
1
2
1
2
1)120sin()120sin(sin
)120cos()120cos(cos
3
20
dqabcT
1)120sin()120cos(
1)120sin()120cos(
1sincos
0
abcdqT
同步电动机在转子 dq 坐标系下的数学模型
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
DqDqqaDqDq
DdDdfdfDddaDdDd
DdfDdfdfddafdfd
DqaDqqqq
DdaDdfdafdddd
iLiM
iLiMiM
iMiLiM
iMiL
iMiMiL
0
0
0
0
00
2
32
32
3
电压方程为
磁链方程为其中
aqslaaqaalsssq
adslaadaalsssd
LLLLLMLL
LLLLLMLL
)(2
3
2
3
)(2
3
2
3
200
200
电磁转矩为 )(2
3dqqdpem iinT
从同步电机磁链方程可见经过变换后同步电机的电感系数不对称(采用相对变换)
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
r
Ddi
qi
DduNS
qiqu
du di
qs
ds
同步电动机在转子 dq 坐标系下的数学模型
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
DqDqqaqDq
DdDdfdfDddadDd
DdfDdfdfddadfd
Dqaqqqq
Ddadfdadddd
iLiL
iLiMiL
iMiLiL
iLiL
iLiLiL
电压方程为
磁链方程为
按照以下变换关系
DqaDq
aqDqDd
aDd
adDdfd
afd
adfd i
M
Lii
M
Lii
M
Li
000
此时同步电机的电压和磁链方程如右式所示可见其电感矩阵变得对称了又得以简化省去上标 号并有
DqDqqaqDq
DdDdfdaddadDd
Ddadfdfddadfd
Dqaqqqq
Ddadfdadddd
iLiL
iLiLiL
iLiLiL
iLiL
iLiLiL
电压方程 磁链方程
adfDd LM
则同步电机的方程可以简化为
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
DqaDq
aqDqDd
aDd
adDdfd
afd
adfd u
M
Luu
M
Luu
M
Lu
000 3
2
3
2
3
2
电磁转矩 )(2
3dqqdpem iinT
稳态性能分析稳态时同步电机的阻尼绕组不起作用在 dq 坐标系下同步电机所有量都为直流量且保持不变则有
fdfdfd
dqq
qdd
iru
iru
iru
11
11
fdfddafdfd
qqq
fdafdddd
iLiM
iL
iMiL
0
0
2
3
qd
qdqddqpdqqdpem LL
uuLLuLEniinT
21
0 )(
2
3)(
2
3
另有
01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中fdafd iME 010
其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的功率角 δrsquo 为同步电机的外功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子电阻的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有20
2 21 1
3sin sin 2
2 2d q
em pd d q
E U L LT n U
L L L
同步电机的矩角特性
同步电动机的稳态矢量图
励磁电磁转矩
磁阻电磁转矩
δ
u
1ri
d
1
ju
qdd iru 11
a轴
d轴
q轴
i
dqq iru 11
fdafd iM 0
qd j
ddiL
qqqiL
动态性能分析
)](
)(
[2
3
)(2
3
00
0
dDqaDqqDdaDd
qdqd
qfdafdp
dqqdpem
iiMiiM
iiLL
iiMn
iinT
基于动态方程同步电机的动态电磁转矩为
可见动态性况下同步电机的电磁转矩由三部分组成同步电机在启动过程中如果转子角频率小于定子角频率此时同步电机的电磁转矩以异步转矩为主同步转矩是变化的达到同步时即转子角频率等于定子角频率此时同步电机的异步转矩为零只有同步电磁转矩存在
励磁电磁转矩
磁阻电磁转矩
异步电磁转矩
同步电磁转矩
同步电机 matlab 仿真模型的建立
mqDqDqlDqDqqaqDq
mdDdDdlDdDdfdaddadDd
mdfdfdlDdadfdfddadfd
mqqslDqqaqqslq
mddslDdfddaddsld
iLiLiL
iLiLiLiL
iLiLiLiL
iLiiLiL
iLiiiLiL
)(
)(
aqDqlsl
Dql
Dq
sl
q
Dqqaqmq
adDdlfdlsl
Ddl
Dd
fdl
fd
sl
d
Ddfddadmd
LLL
LLiiL
LLLL
LLLiiiL
111)(
1111)(
DqDqqaqDq
DdDdfdaddadDd
Ddadfdfddadfd
Dqaqqqq
Ddadfdadddd
iLiL
iLiLiL
iLiLiL
iLiL
iLiLiL
电压方程 磁链方程
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
电磁转矩 )(2
3dqqdpem iinT
DqlmdDqDq
DdlmdDdDd
fdlmdfdfd
slmqqq
slmddd
Li
Li
Li
Li
Li
)(
)(
)(
)(
)(
1 最好利用转子 dq 坐标系中的数学模型
2 以各绕组磁链为状态变量3 为了避便在计算电流时的矩阵求逆的计算 应以气隙磁链为中间变量
同步电机动态仿真模型(转子 dq 坐标系)
仿真事例一空载启动过程
仿真事例一空载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
特殊结构同步电动机分类结构数学模型特性
特种同步电机的分类 特种的同步电机有永磁同步电机同步磁阻电
机和开关磁阻电机等 永磁同步电机与普通同步电机相比其励磁磁链
由位于电机转子上的永磁体产生 按照其气隙磁链波形的不同可分为永磁无刷直
流电机和永磁同步交流电机两种永磁无刷直流电机的气隙磁链和反电势波形为方波或梯形波永磁同步交流电机的气隙磁链和反电势波形为正弦波
永磁同步交流电机按照其转子永磁体的安装方式不同又分为表面贴装式永磁同步交流电机和内嵌式永磁同步交流电机
永磁交流电机按照其气隙磁链行走路线不同可分为径向磁通式轴向磁通式和横向磁通式等
永磁同步电机的转子结构
面贴式( Surface mounted Magnet ) 内嵌式( Inset Magnet )
内埋式( Interior Magnet) 磁场集中式( Flux Concentration)
面贴带极靴式
内埋式
根据转子结构导致的 Ld 和 Lq的差异永磁同步电机分为 SPMSM ( LdasympLq )和 IPMSM( LdltLq )两种
SPMSM IPMSM
IPMSM IPMSM IPMSM
IPMSM 的多层转子结构
两层转子结构的 IPMSM 具有较好的性能和较低的造价
同步电机的转子结构与其凸极率的关系
同步电机的凸极率 (Salient Ratio) LqLd
一台 30 kW 径向气隙的 IPMSM 的参数
SPMSM
IPMSM
多层 SPMSM
永磁同步磁阻电机 PMSynRM
多层永磁同步磁阻电机 PMSynRM
同步磁阻电机 SynRM
多层同步磁阻电机 SynRM
径向磁通永磁同步电机
其主磁通沿径向穿过气隙
轴向气隙永磁同步电机
其主磁通沿轴向穿过气隙(上图中有两个气隙)
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
bbb
aaa
piru
piru
piru
1
1
1
)3
2cos(
)3
2cos(
cos
m
m
m
c
b
a
ccbcac
bcbbab
acabaa
c
b
a
i
i
i
LMM
MLM
MML
磁链方程为
)32(2cos
)32(2cos
2cos
20
20
20
ssbb
ssbb
ssaa
LLL
LLL
LLL
2)(2)( 20 aaqaadsaaqaadaals LLLLLLL
)65(2cos
)2(2cos
)6(2cos
20
20
20
ssac
ssbc
ssab
MMM
MMM
MMM
2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
In
WnT Tpmpem
2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
NS
永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
2
1
2
1)120sin()120sin(sin
)120cos()120cos(cos
3
20
dqabcT
1)120sin()120cos(
1)120sin()120cos(
1sincos
0
abcdqT
ppiru
ppiru
dqqq
qddd
1
1电压方程为
qqq
mddd
iL
iL
磁链方程为
电磁转矩为 )(2
3dqqdpem iinT
其中aqslaaqaalsssq
adslaadaalsssd
LLLLLMLL
LLLLLMLL
)(2
3
2
3
)(2
3
2
3
200
200
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
qi
NS
du
qu
di
稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
dqq
qdd
iru
iru
11
11
qqq
mddd
iL
iL
qd
qdqddqpdqqdpem LL
uuLLuLEniinT
21
0 )(
2
3)(
2
3
另有
01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
u
1ri
d
1
ju
qdd iru 11
a轴
d轴
q轴
i
dqq iru 11
fdafd iM 0
qd j
ddiL
qqqiL
δ
稳态性能分析])([
2
3)(
2
3qdqdqmpdqqdpem iiLLiniinT
永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
Pole
DC excitationwinding
Fan
Sliprings
大型凸极水轮发电机的定子
大型凸极水轮发电机的转子
隐极转子结构
凸极转子结构
同步电动机的工作原理同步电动机的组成见左图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子励磁绕组 fd 和等效 d 轴阻尼绕组 Dd 和等效 q轴阻尼绕组 Dq 励磁绕组所在的轴线称之 d 轴或横轴按逆时针方向超前 90 度电角度的轴线称之为 q 轴或交轴 d 轴和q 轴以同步角频率 ω1 在空间逆时针旋转定子三相绕组所在轴线 a 轴 b 轴和 c 轴在空间上静止不动 a 轴与 d 轴的夹角为
其中 θ0 为初始时刻 d 轴与 a 相轴线的夹角一般认为零 ωr 为转子旋转角频率同步旋转时等于 ω1
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
Ddi
qi
DduNS
dtr 0
定子 abc 三相绕组的供电电压 Ua Ub 和 Uc 为三相对称交流电压转子励磁绕组供电电压为直流电压 d 轴和 q 轴阻尼绕组与异步电机的鼠笼条类似处于短路状态其供电电压为零稳态运行时 d 轴和 q 轴的旋转速度 ωr 与供电频率一致即同步角频率 ω1 此时定子三相绕组电流也为正弦对称系统其频率为 ω1=2πf1 转子励磁绕组的电流为恒定的直流 d轴和 q 轴阻尼绕组电流为零只有当转子旋转角频率 ωrne ω1 时 d 轴和 q 轴阻尼绕组电流才不为零
同步电机的空间位置关系
同步电动机的数学模型
相坐标系下的数学模型dq 坐标系下的数学模型
同步电动机在相坐标系下的数学模型
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
Ddi
qi
DduNS
DqDqDqDq
DdDdDdDd
fdfdfdfd
ccc
bbb
aaa
piru
piru
piru
piru
piru
piru
0
0
1
1
1
Dq
Dd
fd
c
b
a
DqcDqbDqaDq
DdfDdcDdbDdaDd
fDdfdcfdbfdafd
cDqcDdcfdccbcac
bDqbDdbfdbcbbab
aDqaDdafdacabaa
Dq
Dd
fd
c
b
a
i
i
i
i
i
i
LMMM
LMMMM
MLMMM
MMMLMM
MMMMLM
MMMMML
00
0
0
电压方程为 磁链方程为
)32(2cos
)32(2cos
2cos
20
20
20
ssbb
ssbb
ssaa
LLL
LLL
LLL
2)(2)( 20 aaqaadsaaqaadaals LLLLLLL
)65(2cos
)2(2cos
)6(2cos
20
20
20
ssac
ssbc
ssab
MMM
MMM
MMM2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
)32cos(
)32cos(
cos
0
0
0
afdcfd
afdbfd
afdafd
MM
MM
MM
)32cos(
)32cos(
cos
0
0
0
aDdcDd
aDdbDd
aDdaDd
MM
MM
MM
)32sin(
)32sin(
sin
0
0
0
aDqcDq
aDqbDq
aDqaDq
MM
MM
MM
其中
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a 轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 Mafd0 MaDd0 和 MaDq0 分别为 a 相轴线分别与 fd Dd 和 Dq 轴线重合时 a 相绕组与 fd Dd 和 Dq绕组的互感系数 Lfd MfDd LDd 和 LDq 为常数
LI
IL
In
WnT Tpmpem
2电磁转矩为
同步电动机在转子 dq 坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机共有五套绕组即定子 ds 和 qs 绕组转子 fd 绕组 Dd 和 Dq 绕组这五个绕组都固定在转子上随转子同步旋转见右图所示
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
r
Ddi
qi
DduNS
qiqu
du di
qs
ds
2
1
2
1
2
1)120sin()120sin(sin
)120cos()120cos(cos
3
20
dqabcT
1)120sin()120cos(
1)120sin()120cos(
1sincos
0
abcdqT
同步电动机在转子 dq 坐标系下的数学模型
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
DqDqqaDqDq
DdDdfdfDddaDdDd
DdfDdfdfddafdfd
DqaDqqqq
DdaDdfdafdddd
iLiM
iLiMiM
iMiLiM
iMiL
iMiMiL
0
0
0
0
00
2
32
32
3
电压方程为
磁链方程为其中
aqslaaqaalsssq
adslaadaalsssd
LLLLLMLL
LLLLLMLL
)(2
3
2
3
)(2
3
2
3
200
200
电磁转矩为 )(2
3dqqdpem iinT
从同步电机磁链方程可见经过变换后同步电机的电感系数不对称(采用相对变换)
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
r
Ddi
qi
DduNS
qiqu
du di
qs
ds
同步电动机在转子 dq 坐标系下的数学模型
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
DqDqqaqDq
DdDdfdfDddadDd
DdfDdfdfddadfd
Dqaqqqq
Ddadfdadddd
iLiL
iLiMiL
iMiLiL
iLiL
iLiLiL
电压方程为
磁链方程为
按照以下变换关系
DqaDq
aqDqDd
aDd
adDdfd
afd
adfd i
M
Lii
M
Lii
M
Li
000
此时同步电机的电压和磁链方程如右式所示可见其电感矩阵变得对称了又得以简化省去上标 号并有
DqDqqaqDq
DdDdfdaddadDd
Ddadfdfddadfd
Dqaqqqq
Ddadfdadddd
iLiL
iLiLiL
iLiLiL
iLiL
iLiLiL
电压方程 磁链方程
adfDd LM
则同步电机的方程可以简化为
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
DqaDq
aqDqDd
aDd
adDdfd
afd
adfd u
M
Luu
M
Luu
M
Lu
000 3
2
3
2
3
2
电磁转矩 )(2
3dqqdpem iinT
稳态性能分析稳态时同步电机的阻尼绕组不起作用在 dq 坐标系下同步电机所有量都为直流量且保持不变则有
fdfdfd
dqq
qdd
iru
iru
iru
11
11
fdfddafdfd
qqq
fdafdddd
iLiM
iL
iMiL
0
0
2
3
qd
qdqddqpdqqdpem LL
uuLLuLEniinT
21
0 )(
2
3)(
2
3
另有
01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中fdafd iME 010
其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的功率角 δrsquo 为同步电机的外功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子电阻的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有20
2 21 1
3sin sin 2
2 2d q
em pd d q
E U L LT n U
L L L
同步电机的矩角特性
同步电动机的稳态矢量图
励磁电磁转矩
磁阻电磁转矩
δ
u
1ri
d
1
ju
qdd iru 11
a轴
d轴
q轴
i
dqq iru 11
fdafd iM 0
qd j
ddiL
qqqiL
动态性能分析
)](
)(
[2
3
)(2
3
00
0
dDqaDqqDdaDd
qdqd
qfdafdp
dqqdpem
iiMiiM
iiLL
iiMn
iinT
基于动态方程同步电机的动态电磁转矩为
可见动态性况下同步电机的电磁转矩由三部分组成同步电机在启动过程中如果转子角频率小于定子角频率此时同步电机的电磁转矩以异步转矩为主同步转矩是变化的达到同步时即转子角频率等于定子角频率此时同步电机的异步转矩为零只有同步电磁转矩存在
励磁电磁转矩
磁阻电磁转矩
异步电磁转矩
同步电磁转矩
同步电机 matlab 仿真模型的建立
mqDqDqlDqDqqaqDq
mdDdDdlDdDdfdaddadDd
mdfdfdlDdadfdfddadfd
mqqslDqqaqqslq
mddslDdfddaddsld
iLiLiL
iLiLiLiL
iLiLiLiL
iLiiLiL
iLiiiLiL
)(
)(
aqDqlsl
Dql
Dq
sl
q
Dqqaqmq
adDdlfdlsl
Ddl
Dd
fdl
fd
sl
d
Ddfddadmd
LLL
LLiiL
LLLL
LLLiiiL
111)(
1111)(
DqDqqaqDq
DdDdfdaddadDd
Ddadfdfddadfd
Dqaqqqq
Ddadfdadddd
iLiL
iLiLiL
iLiLiL
iLiL
iLiLiL
电压方程 磁链方程
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
电磁转矩 )(2
3dqqdpem iinT
DqlmdDqDq
DdlmdDdDd
fdlmdfdfd
slmqqq
slmddd
Li
Li
Li
Li
Li
)(
)(
)(
)(
)(
1 最好利用转子 dq 坐标系中的数学模型
2 以各绕组磁链为状态变量3 为了避便在计算电流时的矩阵求逆的计算 应以气隙磁链为中间变量
同步电机动态仿真模型(转子 dq 坐标系)
仿真事例一空载启动过程
仿真事例一空载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
特殊结构同步电动机分类结构数学模型特性
特种同步电机的分类 特种的同步电机有永磁同步电机同步磁阻电
机和开关磁阻电机等 永磁同步电机与普通同步电机相比其励磁磁链
由位于电机转子上的永磁体产生 按照其气隙磁链波形的不同可分为永磁无刷直
流电机和永磁同步交流电机两种永磁无刷直流电机的气隙磁链和反电势波形为方波或梯形波永磁同步交流电机的气隙磁链和反电势波形为正弦波
永磁同步交流电机按照其转子永磁体的安装方式不同又分为表面贴装式永磁同步交流电机和内嵌式永磁同步交流电机
永磁交流电机按照其气隙磁链行走路线不同可分为径向磁通式轴向磁通式和横向磁通式等
永磁同步电机的转子结构
面贴式( Surface mounted Magnet ) 内嵌式( Inset Magnet )
内埋式( Interior Magnet) 磁场集中式( Flux Concentration)
面贴带极靴式
内埋式
根据转子结构导致的 Ld 和 Lq的差异永磁同步电机分为 SPMSM ( LdasympLq )和 IPMSM( LdltLq )两种
SPMSM IPMSM
IPMSM IPMSM IPMSM
IPMSM 的多层转子结构
两层转子结构的 IPMSM 具有较好的性能和较低的造价
同步电机的转子结构与其凸极率的关系
同步电机的凸极率 (Salient Ratio) LqLd
一台 30 kW 径向气隙的 IPMSM 的参数
SPMSM
IPMSM
多层 SPMSM
永磁同步磁阻电机 PMSynRM
多层永磁同步磁阻电机 PMSynRM
同步磁阻电机 SynRM
多层同步磁阻电机 SynRM
径向磁通永磁同步电机
其主磁通沿径向穿过气隙
轴向气隙永磁同步电机
其主磁通沿轴向穿过气隙(上图中有两个气隙)
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
bbb
aaa
piru
piru
piru
1
1
1
)3
2cos(
)3
2cos(
cos
m
m
m
c
b
a
ccbcac
bcbbab
acabaa
c
b
a
i
i
i
LMM
MLM
MML
磁链方程为
)32(2cos
)32(2cos
2cos
20
20
20
ssbb
ssbb
ssaa
LLL
LLL
LLL
2)(2)( 20 aaqaadsaaqaadaals LLLLLLL
)65(2cos
)2(2cos
)6(2cos
20
20
20
ssac
ssbc
ssab
MMM
MMM
MMM
2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
In
WnT Tpmpem
2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
NS
永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
2
1
2
1)120sin()120sin(sin
)120cos()120cos(cos
3
20
dqabcT
1)120sin()120cos(
1)120sin()120cos(
1sincos
0
abcdqT
ppiru
ppiru
dqqq
qddd
1
1电压方程为
qqq
mddd
iL
iL
磁链方程为
电磁转矩为 )(2
3dqqdpem iinT
其中aqslaaqaalsssq
adslaadaalsssd
LLLLLMLL
LLLLLMLL
)(2
3
2
3
)(2
3
2
3
200
200
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
qi
NS
du
qu
di
稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
dqq
qdd
iru
iru
11
11
qqq
mddd
iL
iL
qd
qdqddqpdqqdpem LL
uuLLuLEniinT
21
0 )(
2
3)(
2
3
另有
01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
u
1ri
d
1
ju
qdd iru 11
a轴
d轴
q轴
i
dqq iru 11
fdafd iM 0
qd j
ddiL
qqqiL
δ
稳态性能分析])([
2
3)(
2
3qdqdqmpdqqdpem iiLLiniinT
永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
同步电动机的工作原理同步电动机的组成见左图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子励磁绕组 fd 和等效 d 轴阻尼绕组 Dd 和等效 q轴阻尼绕组 Dq 励磁绕组所在的轴线称之 d 轴或横轴按逆时针方向超前 90 度电角度的轴线称之为 q 轴或交轴 d 轴和q 轴以同步角频率 ω1 在空间逆时针旋转定子三相绕组所在轴线 a 轴 b 轴和 c 轴在空间上静止不动 a 轴与 d 轴的夹角为
其中 θ0 为初始时刻 d 轴与 a 相轴线的夹角一般认为零 ωr 为转子旋转角频率同步旋转时等于 ω1
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
Ddi
qi
DduNS
dtr 0
定子 abc 三相绕组的供电电压 Ua Ub 和 Uc 为三相对称交流电压转子励磁绕组供电电压为直流电压 d 轴和 q 轴阻尼绕组与异步电机的鼠笼条类似处于短路状态其供电电压为零稳态运行时 d 轴和 q 轴的旋转速度 ωr 与供电频率一致即同步角频率 ω1 此时定子三相绕组电流也为正弦对称系统其频率为 ω1=2πf1 转子励磁绕组的电流为恒定的直流 d轴和 q 轴阻尼绕组电流为零只有当转子旋转角频率 ωrne ω1 时 d 轴和 q 轴阻尼绕组电流才不为零
同步电机的空间位置关系
同步电动机的数学模型
相坐标系下的数学模型dq 坐标系下的数学模型
同步电动机在相坐标系下的数学模型
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
Ddi
qi
DduNS
DqDqDqDq
DdDdDdDd
fdfdfdfd
ccc
bbb
aaa
piru
piru
piru
piru
piru
piru
0
0
1
1
1
Dq
Dd
fd
c
b
a
DqcDqbDqaDq
DdfDdcDdbDdaDd
fDdfdcfdbfdafd
cDqcDdcfdccbcac
bDqbDdbfdbcbbab
aDqaDdafdacabaa
Dq
Dd
fd
c
b
a
i
i
i
i
i
i
LMMM
LMMMM
MLMMM
MMMLMM
MMMMLM
MMMMML
00
0
0
电压方程为 磁链方程为
)32(2cos
)32(2cos
2cos
20
20
20
ssbb
ssbb
ssaa
LLL
LLL
LLL
2)(2)( 20 aaqaadsaaqaadaals LLLLLLL
)65(2cos
)2(2cos
)6(2cos
20
20
20
ssac
ssbc
ssab
MMM
MMM
MMM2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
)32cos(
)32cos(
cos
0
0
0
afdcfd
afdbfd
afdafd
MM
MM
MM
)32cos(
)32cos(
cos
0
0
0
aDdcDd
aDdbDd
aDdaDd
MM
MM
MM
)32sin(
)32sin(
sin
0
0
0
aDqcDq
aDqbDq
aDqaDq
MM
MM
MM
其中
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a 轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 Mafd0 MaDd0 和 MaDq0 分别为 a 相轴线分别与 fd Dd 和 Dq 轴线重合时 a 相绕组与 fd Dd 和 Dq绕组的互感系数 Lfd MfDd LDd 和 LDq 为常数
LI
IL
In
WnT Tpmpem
2电磁转矩为
同步电动机在转子 dq 坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机共有五套绕组即定子 ds 和 qs 绕组转子 fd 绕组 Dd 和 Dq 绕组这五个绕组都固定在转子上随转子同步旋转见右图所示
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
r
Ddi
qi
DduNS
qiqu
du di
qs
ds
2
1
2
1
2
1)120sin()120sin(sin
)120cos()120cos(cos
3
20
dqabcT
1)120sin()120cos(
1)120sin()120cos(
1sincos
0
abcdqT
同步电动机在转子 dq 坐标系下的数学模型
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
DqDqqaDqDq
DdDdfdfDddaDdDd
DdfDdfdfddafdfd
DqaDqqqq
DdaDdfdafdddd
iLiM
iLiMiM
iMiLiM
iMiL
iMiMiL
0
0
0
0
00
2
32
32
3
电压方程为
磁链方程为其中
aqslaaqaalsssq
adslaadaalsssd
LLLLLMLL
LLLLLMLL
)(2
3
2
3
)(2
3
2
3
200
200
电磁转矩为 )(2
3dqqdpem iinT
从同步电机磁链方程可见经过变换后同步电机的电感系数不对称(采用相对变换)
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
r
Ddi
qi
DduNS
qiqu
du di
qs
ds
同步电动机在转子 dq 坐标系下的数学模型
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
DqDqqaqDq
DdDdfdfDddadDd
DdfDdfdfddadfd
Dqaqqqq
Ddadfdadddd
iLiL
iLiMiL
iMiLiL
iLiL
iLiLiL
电压方程为
磁链方程为
按照以下变换关系
DqaDq
aqDqDd
aDd
adDdfd
afd
adfd i
M
Lii
M
Lii
M
Li
000
此时同步电机的电压和磁链方程如右式所示可见其电感矩阵变得对称了又得以简化省去上标 号并有
DqDqqaqDq
DdDdfdaddadDd
Ddadfdfddadfd
Dqaqqqq
Ddadfdadddd
iLiL
iLiLiL
iLiLiL
iLiL
iLiLiL
电压方程 磁链方程
adfDd LM
则同步电机的方程可以简化为
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
DqaDq
aqDqDd
aDd
adDdfd
afd
adfd u
M
Luu
M
Luu
M
Lu
000 3
2
3
2
3
2
电磁转矩 )(2
3dqqdpem iinT
稳态性能分析稳态时同步电机的阻尼绕组不起作用在 dq 坐标系下同步电机所有量都为直流量且保持不变则有
fdfdfd
dqq
qdd
iru
iru
iru
11
11
fdfddafdfd
qqq
fdafdddd
iLiM
iL
iMiL
0
0
2
3
qd
qdqddqpdqqdpem LL
uuLLuLEniinT
21
0 )(
2
3)(
2
3
另有
01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中fdafd iME 010
其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的功率角 δrsquo 为同步电机的外功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子电阻的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有20
2 21 1
3sin sin 2
2 2d q
em pd d q
E U L LT n U
L L L
同步电机的矩角特性
同步电动机的稳态矢量图
励磁电磁转矩
磁阻电磁转矩
δ
u
1ri
d
1
ju
qdd iru 11
a轴
d轴
q轴
i
dqq iru 11
fdafd iM 0
qd j
ddiL
qqqiL
动态性能分析
)](
)(
[2
3
)(2
3
00
0
dDqaDqqDdaDd
qdqd
qfdafdp
dqqdpem
iiMiiM
iiLL
iiMn
iinT
基于动态方程同步电机的动态电磁转矩为
可见动态性况下同步电机的电磁转矩由三部分组成同步电机在启动过程中如果转子角频率小于定子角频率此时同步电机的电磁转矩以异步转矩为主同步转矩是变化的达到同步时即转子角频率等于定子角频率此时同步电机的异步转矩为零只有同步电磁转矩存在
励磁电磁转矩
磁阻电磁转矩
异步电磁转矩
同步电磁转矩
同步电机 matlab 仿真模型的建立
mqDqDqlDqDqqaqDq
mdDdDdlDdDdfdaddadDd
mdfdfdlDdadfdfddadfd
mqqslDqqaqqslq
mddslDdfddaddsld
iLiLiL
iLiLiLiL
iLiLiLiL
iLiiLiL
iLiiiLiL
)(
)(
aqDqlsl
Dql
Dq
sl
q
Dqqaqmq
adDdlfdlsl
Ddl
Dd
fdl
fd
sl
d
Ddfddadmd
LLL
LLiiL
LLLL
LLLiiiL
111)(
1111)(
DqDqqaqDq
DdDdfdaddadDd
Ddadfdfddadfd
Dqaqqqq
Ddadfdadddd
iLiL
iLiLiL
iLiLiL
iLiL
iLiLiL
电压方程 磁链方程
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
电磁转矩 )(2
3dqqdpem iinT
DqlmdDqDq
DdlmdDdDd
fdlmdfdfd
slmqqq
slmddd
Li
Li
Li
Li
Li
)(
)(
)(
)(
)(
1 最好利用转子 dq 坐标系中的数学模型
2 以各绕组磁链为状态变量3 为了避便在计算电流时的矩阵求逆的计算 应以气隙磁链为中间变量
同步电机动态仿真模型(转子 dq 坐标系)
仿真事例一空载启动过程
仿真事例一空载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
特殊结构同步电动机分类结构数学模型特性
特种同步电机的分类 特种的同步电机有永磁同步电机同步磁阻电
机和开关磁阻电机等 永磁同步电机与普通同步电机相比其励磁磁链
由位于电机转子上的永磁体产生 按照其气隙磁链波形的不同可分为永磁无刷直
流电机和永磁同步交流电机两种永磁无刷直流电机的气隙磁链和反电势波形为方波或梯形波永磁同步交流电机的气隙磁链和反电势波形为正弦波
永磁同步交流电机按照其转子永磁体的安装方式不同又分为表面贴装式永磁同步交流电机和内嵌式永磁同步交流电机
永磁交流电机按照其气隙磁链行走路线不同可分为径向磁通式轴向磁通式和横向磁通式等
永磁同步电机的转子结构
面贴式( Surface mounted Magnet ) 内嵌式( Inset Magnet )
内埋式( Interior Magnet) 磁场集中式( Flux Concentration)
面贴带极靴式
内埋式
根据转子结构导致的 Ld 和 Lq的差异永磁同步电机分为 SPMSM ( LdasympLq )和 IPMSM( LdltLq )两种
SPMSM IPMSM
IPMSM IPMSM IPMSM
IPMSM 的多层转子结构
两层转子结构的 IPMSM 具有较好的性能和较低的造价
同步电机的转子结构与其凸极率的关系
同步电机的凸极率 (Salient Ratio) LqLd
一台 30 kW 径向气隙的 IPMSM 的参数
SPMSM
IPMSM
多层 SPMSM
永磁同步磁阻电机 PMSynRM
多层永磁同步磁阻电机 PMSynRM
同步磁阻电机 SynRM
多层同步磁阻电机 SynRM
径向磁通永磁同步电机
其主磁通沿径向穿过气隙
轴向气隙永磁同步电机
其主磁通沿轴向穿过气隙(上图中有两个气隙)
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
bbb
aaa
piru
piru
piru
1
1
1
)3
2cos(
)3
2cos(
cos
m
m
m
c
b
a
ccbcac
bcbbab
acabaa
c
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i
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LMM
MLM
MML
磁链方程为
)32(2cos
)32(2cos
2cos
20
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ssbb
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LLL
LLL
LLL
2)(2)( 20 aaqaadsaaqaadaals LLLLLLL
)65(2cos
)2(2cos
)6(2cos
20
20
20
ssac
ssbc
ssab
MMM
MMM
MMM
2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
In
WnT Tpmpem
2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
NS
永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
2
1
2
1)120sin()120sin(sin
)120cos()120cos(cos
3
20
dqabcT
1)120sin()120cos(
1)120sin()120cos(
1sincos
0
abcdqT
ppiru
ppiru
dqqq
qddd
1
1电压方程为
qqq
mddd
iL
iL
磁链方程为
电磁转矩为 )(2
3dqqdpem iinT
其中aqslaaqaalsssq
adslaadaalsssd
LLLLLMLL
LLLLLMLL
)(2
3
2
3
)(2
3
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200
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auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
qi
NS
du
qu
di
稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
dqq
qdd
iru
iru
11
11
qqq
mddd
iL
iL
qd
qdqddqpdqqdpem LL
uuLLuLEniinT
21
0 )(
2
3)(
2
3
另有
01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
u
1ri
d
1
ju
qdd iru 11
a轴
d轴
q轴
i
dqq iru 11
fdafd iM 0
qd j
ddiL
qqqiL
δ
稳态性能分析])([
2
3)(
2
3qdqdqmpdqqdpem iiLLiniinT
永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
同步电动机的数学模型
相坐标系下的数学模型dq 坐标系下的数学模型
同步电动机在相坐标系下的数学模型
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
Ddi
qi
DduNS
DqDqDqDq
DdDdDdDd
fdfdfdfd
ccc
bbb
aaa
piru
piru
piru
piru
piru
piru
0
0
1
1
1
Dq
Dd
fd
c
b
a
DqcDqbDqaDq
DdfDdcDdbDdaDd
fDdfdcfdbfdafd
cDqcDdcfdccbcac
bDqbDdbfdbcbbab
aDqaDdafdacabaa
Dq
Dd
fd
c
b
a
i
i
i
i
i
i
LMMM
LMMMM
MLMMM
MMMLMM
MMMMLM
MMMMML
00
0
0
电压方程为 磁链方程为
)32(2cos
)32(2cos
2cos
20
20
20
ssbb
ssbb
ssaa
LLL
LLL
LLL
2)(2)( 20 aaqaadsaaqaadaals LLLLLLL
)65(2cos
)2(2cos
)6(2cos
20
20
20
ssac
ssbc
ssab
MMM
MMM
MMM2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
)32cos(
)32cos(
cos
0
0
0
afdcfd
afdbfd
afdafd
MM
MM
MM
)32cos(
)32cos(
cos
0
0
0
aDdcDd
aDdbDd
aDdaDd
MM
MM
MM
)32sin(
)32sin(
sin
0
0
0
aDqcDq
aDqbDq
aDqaDq
MM
MM
MM
其中
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a 轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 Mafd0 MaDd0 和 MaDq0 分别为 a 相轴线分别与 fd Dd 和 Dq 轴线重合时 a 相绕组与 fd Dd 和 Dq绕组的互感系数 Lfd MfDd LDd 和 LDq 为常数
LI
IL
In
WnT Tpmpem
2电磁转矩为
同步电动机在转子 dq 坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机共有五套绕组即定子 ds 和 qs 绕组转子 fd 绕组 Dd 和 Dq 绕组这五个绕组都固定在转子上随转子同步旋转见右图所示
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
r
Ddi
qi
DduNS
qiqu
du di
qs
ds
2
1
2
1
2
1)120sin()120sin(sin
)120cos()120cos(cos
3
20
dqabcT
1)120sin()120cos(
1)120sin()120cos(
1sincos
0
abcdqT
同步电动机在转子 dq 坐标系下的数学模型
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
DqDqqaDqDq
DdDdfdfDddaDdDd
DdfDdfdfddafdfd
DqaDqqqq
DdaDdfdafdddd
iLiM
iLiMiM
iMiLiM
iMiL
iMiMiL
0
0
0
0
00
2
32
32
3
电压方程为
磁链方程为其中
aqslaaqaalsssq
adslaadaalsssd
LLLLLMLL
LLLLLMLL
)(2
3
2
3
)(2
3
2
3
200
200
电磁转矩为 )(2
3dqqdpem iinT
从同步电机磁链方程可见经过变换后同步电机的电感系数不对称(采用相对变换)
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
r
Ddi
qi
DduNS
qiqu
du di
qs
ds
同步电动机在转子 dq 坐标系下的数学模型
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
DqDqqaqDq
DdDdfdfDddadDd
DdfDdfdfddadfd
Dqaqqqq
Ddadfdadddd
iLiL
iLiMiL
iMiLiL
iLiL
iLiLiL
电压方程为
磁链方程为
按照以下变换关系
DqaDq
aqDqDd
aDd
adDdfd
afd
adfd i
M
Lii
M
Lii
M
Li
000
此时同步电机的电压和磁链方程如右式所示可见其电感矩阵变得对称了又得以简化省去上标 号并有
DqDqqaqDq
DdDdfdaddadDd
Ddadfdfddadfd
Dqaqqqq
Ddadfdadddd
iLiL
iLiLiL
iLiLiL
iLiL
iLiLiL
电压方程 磁链方程
adfDd LM
则同步电机的方程可以简化为
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
DqaDq
aqDqDd
aDd
adDdfd
afd
adfd u
M
Luu
M
Luu
M
Lu
000 3
2
3
2
3
2
电磁转矩 )(2
3dqqdpem iinT
稳态性能分析稳态时同步电机的阻尼绕组不起作用在 dq 坐标系下同步电机所有量都为直流量且保持不变则有
fdfdfd
dqq
qdd
iru
iru
iru
11
11
fdfddafdfd
qqq
fdafdddd
iLiM
iL
iMiL
0
0
2
3
qd
qdqddqpdqqdpem LL
uuLLuLEniinT
21
0 )(
2
3)(
2
3
另有
01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中fdafd iME 010
其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的功率角 δrsquo 为同步电机的外功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子电阻的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有20
2 21 1
3sin sin 2
2 2d q
em pd d q
E U L LT n U
L L L
同步电机的矩角特性
同步电动机的稳态矢量图
励磁电磁转矩
磁阻电磁转矩
δ
u
1ri
d
1
ju
qdd iru 11
a轴
d轴
q轴
i
dqq iru 11
fdafd iM 0
qd j
ddiL
qqqiL
动态性能分析
)](
)(
[2
3
)(2
3
00
0
dDqaDqqDdaDd
qdqd
qfdafdp
dqqdpem
iiMiiM
iiLL
iiMn
iinT
基于动态方程同步电机的动态电磁转矩为
可见动态性况下同步电机的电磁转矩由三部分组成同步电机在启动过程中如果转子角频率小于定子角频率此时同步电机的电磁转矩以异步转矩为主同步转矩是变化的达到同步时即转子角频率等于定子角频率此时同步电机的异步转矩为零只有同步电磁转矩存在
励磁电磁转矩
磁阻电磁转矩
异步电磁转矩
同步电磁转矩
同步电机 matlab 仿真模型的建立
mqDqDqlDqDqqaqDq
mdDdDdlDdDdfdaddadDd
mdfdfdlDdadfdfddadfd
mqqslDqqaqqslq
mddslDdfddaddsld
iLiLiL
iLiLiLiL
iLiLiLiL
iLiiLiL
iLiiiLiL
)(
)(
aqDqlsl
Dql
Dq
sl
q
Dqqaqmq
adDdlfdlsl
Ddl
Dd
fdl
fd
sl
d
Ddfddadmd
LLL
LLiiL
LLLL
LLLiiiL
111)(
1111)(
DqDqqaqDq
DdDdfdaddadDd
Ddadfdfddadfd
Dqaqqqq
Ddadfdadddd
iLiL
iLiLiL
iLiLiL
iLiL
iLiLiL
电压方程 磁链方程
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
电磁转矩 )(2
3dqqdpem iinT
DqlmdDqDq
DdlmdDdDd
fdlmdfdfd
slmqqq
slmddd
Li
Li
Li
Li
Li
)(
)(
)(
)(
)(
1 最好利用转子 dq 坐标系中的数学模型
2 以各绕组磁链为状态变量3 为了避便在计算电流时的矩阵求逆的计算 应以气隙磁链为中间变量
同步电机动态仿真模型(转子 dq 坐标系)
仿真事例一空载启动过程
仿真事例一空载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
特殊结构同步电动机分类结构数学模型特性
特种同步电机的分类 特种的同步电机有永磁同步电机同步磁阻电
机和开关磁阻电机等 永磁同步电机与普通同步电机相比其励磁磁链
由位于电机转子上的永磁体产生 按照其气隙磁链波形的不同可分为永磁无刷直
流电机和永磁同步交流电机两种永磁无刷直流电机的气隙磁链和反电势波形为方波或梯形波永磁同步交流电机的气隙磁链和反电势波形为正弦波
永磁同步交流电机按照其转子永磁体的安装方式不同又分为表面贴装式永磁同步交流电机和内嵌式永磁同步交流电机
永磁交流电机按照其气隙磁链行走路线不同可分为径向磁通式轴向磁通式和横向磁通式等
永磁同步电机的转子结构
面贴式( Surface mounted Magnet ) 内嵌式( Inset Magnet )
内埋式( Interior Magnet) 磁场集中式( Flux Concentration)
面贴带极靴式
内埋式
根据转子结构导致的 Ld 和 Lq的差异永磁同步电机分为 SPMSM ( LdasympLq )和 IPMSM( LdltLq )两种
SPMSM IPMSM
IPMSM IPMSM IPMSM
IPMSM 的多层转子结构
两层转子结构的 IPMSM 具有较好的性能和较低的造价
同步电机的转子结构与其凸极率的关系
同步电机的凸极率 (Salient Ratio) LqLd
一台 30 kW 径向气隙的 IPMSM 的参数
SPMSM
IPMSM
多层 SPMSM
永磁同步磁阻电机 PMSynRM
多层永磁同步磁阻电机 PMSynRM
同步磁阻电机 SynRM
多层同步磁阻电机 SynRM
径向磁通永磁同步电机
其主磁通沿径向穿过气隙
轴向气隙永磁同步电机
其主磁通沿轴向穿过气隙(上图中有两个气隙)
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
bbb
aaa
piru
piru
piru
1
1
1
)3
2cos(
)3
2cos(
cos
m
m
m
c
b
a
ccbcac
bcbbab
acabaa
c
b
a
i
i
i
LMM
MLM
MML
磁链方程为
)32(2cos
)32(2cos
2cos
20
20
20
ssbb
ssbb
ssaa
LLL
LLL
LLL
2)(2)( 20 aaqaadsaaqaadaals LLLLLLL
)65(2cos
)2(2cos
)6(2cos
20
20
20
ssac
ssbc
ssab
MMM
MMM
MMM
2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
In
WnT Tpmpem
2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
NS
永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
2
1
2
1)120sin()120sin(sin
)120cos()120cos(cos
3
20
dqabcT
1)120sin()120cos(
1)120sin()120cos(
1sincos
0
abcdqT
ppiru
ppiru
dqqq
qddd
1
1电压方程为
qqq
mddd
iL
iL
磁链方程为
电磁转矩为 )(2
3dqqdpem iinT
其中aqslaaqaalsssq
adslaadaalsssd
LLLLLMLL
LLLLLMLL
)(2
3
2
3
)(2
3
2
3
200
200
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
qi
NS
du
qu
di
稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
dqq
qdd
iru
iru
11
11
qqq
mddd
iL
iL
qd
qdqddqpdqqdpem LL
uuLLuLEniinT
21
0 )(
2
3)(
2
3
另有
01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
u
1ri
d
1
ju
qdd iru 11
a轴
d轴
q轴
i
dqq iru 11
fdafd iM 0
qd j
ddiL
qqqiL
δ
稳态性能分析])([
2
3)(
2
3qdqdqmpdqqdpem iiLLiniinT
永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
同步电动机在相坐标系下的数学模型
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
Ddi
qi
DduNS
DqDqDqDq
DdDdDdDd
fdfdfdfd
ccc
bbb
aaa
piru
piru
piru
piru
piru
piru
0
0
1
1
1
Dq
Dd
fd
c
b
a
DqcDqbDqaDq
DdfDdcDdbDdaDd
fDdfdcfdbfdafd
cDqcDdcfdccbcac
bDqbDdbfdbcbbab
aDqaDdafdacabaa
Dq
Dd
fd
c
b
a
i
i
i
i
i
i
LMMM
LMMMM
MLMMM
MMMLMM
MMMMLM
MMMMML
00
0
0
电压方程为 磁链方程为
)32(2cos
)32(2cos
2cos
20
20
20
ssbb
ssbb
ssaa
LLL
LLL
LLL
2)(2)( 20 aaqaadsaaqaadaals LLLLLLL
)65(2cos
)2(2cos
)6(2cos
20
20
20
ssac
ssbc
ssab
MMM
MMM
MMM2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
)32cos(
)32cos(
cos
0
0
0
afdcfd
afdbfd
afdafd
MM
MM
MM
)32cos(
)32cos(
cos
0
0
0
aDdcDd
aDdbDd
aDdaDd
MM
MM
MM
)32sin(
)32sin(
sin
0
0
0
aDqcDq
aDqbDq
aDqaDq
MM
MM
MM
其中
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a 轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 Mafd0 MaDd0 和 MaDq0 分别为 a 相轴线分别与 fd Dd 和 Dq 轴线重合时 a 相绕组与 fd Dd 和 Dq绕组的互感系数 Lfd MfDd LDd 和 LDq 为常数
LI
IL
In
WnT Tpmpem
2电磁转矩为
同步电动机在转子 dq 坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机共有五套绕组即定子 ds 和 qs 绕组转子 fd 绕组 Dd 和 Dq 绕组这五个绕组都固定在转子上随转子同步旋转见右图所示
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
r
Ddi
qi
DduNS
qiqu
du di
qs
ds
2
1
2
1
2
1)120sin()120sin(sin
)120cos()120cos(cos
3
20
dqabcT
1)120sin()120cos(
1)120sin()120cos(
1sincos
0
abcdqT
同步电动机在转子 dq 坐标系下的数学模型
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
DqDqqaDqDq
DdDdfdfDddaDdDd
DdfDdfdfddafdfd
DqaDqqqq
DdaDdfdafdddd
iLiM
iLiMiM
iMiLiM
iMiL
iMiMiL
0
0
0
0
00
2
32
32
3
电压方程为
磁链方程为其中
aqslaaqaalsssq
adslaadaalsssd
LLLLLMLL
LLLLLMLL
)(2
3
2
3
)(2
3
2
3
200
200
电磁转矩为 )(2
3dqqdpem iinT
从同步电机磁链方程可见经过变换后同步电机的电感系数不对称(采用相对变换)
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
r
Ddi
qi
DduNS
qiqu
du di
qs
ds
同步电动机在转子 dq 坐标系下的数学模型
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
DqDqqaqDq
DdDdfdfDddadDd
DdfDdfdfddadfd
Dqaqqqq
Ddadfdadddd
iLiL
iLiMiL
iMiLiL
iLiL
iLiLiL
电压方程为
磁链方程为
按照以下变换关系
DqaDq
aqDqDd
aDd
adDdfd
afd
adfd i
M
Lii
M
Lii
M
Li
000
此时同步电机的电压和磁链方程如右式所示可见其电感矩阵变得对称了又得以简化省去上标 号并有
DqDqqaqDq
DdDdfdaddadDd
Ddadfdfddadfd
Dqaqqqq
Ddadfdadddd
iLiL
iLiLiL
iLiLiL
iLiL
iLiLiL
电压方程 磁链方程
adfDd LM
则同步电机的方程可以简化为
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
DqaDq
aqDqDd
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adDdfd
afd
adfd u
M
Luu
M
Luu
M
Lu
000 3
2
3
2
3
2
电磁转矩 )(2
3dqqdpem iinT
稳态性能分析稳态时同步电机的阻尼绕组不起作用在 dq 坐标系下同步电机所有量都为直流量且保持不变则有
fdfdfd
dqq
qdd
iru
iru
iru
11
11
fdfddafdfd
qqq
fdafdddd
iLiM
iL
iMiL
0
0
2
3
qd
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uuLLuLEniinT
21
0 )(
2
3)(
2
3
另有
01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中fdafd iME 010
其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的功率角 δrsquo 为同步电机的外功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子电阻的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有20
2 21 1
3sin sin 2
2 2d q
em pd d q
E U L LT n U
L L L
同步电机的矩角特性
同步电动机的稳态矢量图
励磁电磁转矩
磁阻电磁转矩
δ
u
1ri
d
1
ju
qdd iru 11
a轴
d轴
q轴
i
dqq iru 11
fdafd iM 0
qd j
ddiL
qqqiL
动态性能分析
)](
)(
[2
3
)(2
3
00
0
dDqaDqqDdaDd
qdqd
qfdafdp
dqqdpem
iiMiiM
iiLL
iiMn
iinT
基于动态方程同步电机的动态电磁转矩为
可见动态性况下同步电机的电磁转矩由三部分组成同步电机在启动过程中如果转子角频率小于定子角频率此时同步电机的电磁转矩以异步转矩为主同步转矩是变化的达到同步时即转子角频率等于定子角频率此时同步电机的异步转矩为零只有同步电磁转矩存在
励磁电磁转矩
磁阻电磁转矩
异步电磁转矩
同步电磁转矩
同步电机 matlab 仿真模型的建立
mqDqDqlDqDqqaqDq
mdDdDdlDdDdfdaddadDd
mdfdfdlDdadfdfddadfd
mqqslDqqaqqslq
mddslDdfddaddsld
iLiLiL
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iLiLiLiL
iLiiLiL
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)(
)(
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q
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sl
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LLL
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电压方程 磁链方程
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电磁转矩 )(2
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slmddd
Li
Li
Li
Li
Li
)(
)(
)(
)(
)(
1 最好利用转子 dq 坐标系中的数学模型
2 以各绕组磁链为状态变量3 为了避便在计算电流时的矩阵求逆的计算 应以气隙磁链为中间变量
同步电机动态仿真模型(转子 dq 坐标系)
仿真事例一空载启动过程
仿真事例一空载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
特殊结构同步电动机分类结构数学模型特性
特种同步电机的分类 特种的同步电机有永磁同步电机同步磁阻电
机和开关磁阻电机等 永磁同步电机与普通同步电机相比其励磁磁链
由位于电机转子上的永磁体产生 按照其气隙磁链波形的不同可分为永磁无刷直
流电机和永磁同步交流电机两种永磁无刷直流电机的气隙磁链和反电势波形为方波或梯形波永磁同步交流电机的气隙磁链和反电势波形为正弦波
永磁同步交流电机按照其转子永磁体的安装方式不同又分为表面贴装式永磁同步交流电机和内嵌式永磁同步交流电机
永磁交流电机按照其气隙磁链行走路线不同可分为径向磁通式轴向磁通式和横向磁通式等
永磁同步电机的转子结构
面贴式( Surface mounted Magnet ) 内嵌式( Inset Magnet )
内埋式( Interior Magnet) 磁场集中式( Flux Concentration)
面贴带极靴式
内埋式
根据转子结构导致的 Ld 和 Lq的差异永磁同步电机分为 SPMSM ( LdasympLq )和 IPMSM( LdltLq )两种
SPMSM IPMSM
IPMSM IPMSM IPMSM
IPMSM 的多层转子结构
两层转子结构的 IPMSM 具有较好的性能和较低的造价
同步电机的转子结构与其凸极率的关系
同步电机的凸极率 (Salient Ratio) LqLd
一台 30 kW 径向气隙的 IPMSM 的参数
SPMSM
IPMSM
多层 SPMSM
永磁同步磁阻电机 PMSynRM
多层永磁同步磁阻电机 PMSynRM
同步磁阻电机 SynRM
多层同步磁阻电机 SynRM
径向磁通永磁同步电机
其主磁通沿径向穿过气隙
轴向气隙永磁同步电机
其主磁通沿轴向穿过气隙(上图中有两个气隙)
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
bbb
aaa
piru
piru
piru
1
1
1
)3
2cos(
)3
2cos(
cos
m
m
m
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b
a
ccbcac
bcbbab
acabaa
c
b
a
i
i
i
LMM
MLM
MML
磁链方程为
)32(2cos
)32(2cos
2cos
20
20
20
ssbb
ssbb
ssaa
LLL
LLL
LLL
2)(2)( 20 aaqaadsaaqaadaals LLLLLLL
)65(2cos
)2(2cos
)6(2cos
20
20
20
ssac
ssbc
ssab
MMM
MMM
MMM
2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
In
WnT Tpmpem
2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
NS
永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
2
1
2
1)120sin()120sin(sin
)120cos()120cos(cos
3
20
dqabcT
1)120sin()120cos(
1)120sin()120cos(
1sincos
0
abcdqT
ppiru
ppiru
dqqq
qddd
1
1电压方程为
qqq
mddd
iL
iL
磁链方程为
电磁转矩为 )(2
3dqqdpem iinT
其中aqslaaqaalsssq
adslaadaalsssd
LLLLLMLL
LLLLLMLL
)(2
3
2
3
)(2
3
2
3
200
200
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
qi
NS
du
qu
di
稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
dqq
qdd
iru
iru
11
11
qqq
mddd
iL
iL
qd
qdqddqpdqqdpem LL
uuLLuLEniinT
21
0 )(
2
3)(
2
3
另有
01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
u
1ri
d
1
ju
qdd iru 11
a轴
d轴
q轴
i
dqq iru 11
fdafd iM 0
qd j
ddiL
qqqiL
δ
稳态性能分析])([
2
3)(
2
3qdqdqmpdqqdpem iiLLiniinT
永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
同步电动机在转子 dq 坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机共有五套绕组即定子 ds 和 qs 绕组转子 fd 绕组 Dd 和 Dq 绕组这五个绕组都固定在转子上随转子同步旋转见右图所示
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
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a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
r
Ddi
qi
DduNS
qiqu
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qs
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1
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1
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)120cos()120cos(cos
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1)120sin()120cos(
1)120sin()120cos(
1sincos
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同步电动机在转子 dq 坐标系下的数学模型
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
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pir
pir
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ppiru
ppiru
0
0
1
1
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iLiM
iLiMiM
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0
0
0
0
00
2
32
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电压方程为
磁链方程为其中
aqslaaqaalsssq
adslaadaalsssd
LLLLLMLL
LLLLLMLL
)(2
3
2
3
)(2
3
2
3
200
200
电磁转矩为 )(2
3dqqdpem iinT
从同步电机磁链方程可见经过变换后同步电机的电感系数不对称(采用相对变换)
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
r
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DduNS
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同步电动机在转子 dq 坐标系下的数学模型
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DdDdDd
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qddd
pir
pir
piru
ppiru
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0
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1
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电压方程为
磁链方程为
按照以下变换关系
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此时同步电机的电压和磁链方程如右式所示可见其电感矩阵变得对称了又得以简化省去上标 号并有
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Dqaqqqq
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电压方程 磁链方程
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则同步电机的方程可以简化为
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稳态性能分析稳态时同步电机的阻尼绕组不起作用在 dq 坐标系下同步电机所有量都为直流量且保持不变则有
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其中fdafd iME 010
其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的功率角 δrsquo 为同步电机的外功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子电阻的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有20
2 21 1
3sin sin 2
2 2d q
em pd d q
E U L LT n U
L L L
同步电机的矩角特性
同步电动机的稳态矢量图
励磁电磁转矩
磁阻电磁转矩
δ
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a轴
d轴
q轴
i
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动态性能分析
)](
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dDqaDqqDdaDd
qdqd
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iiMiiM
iiLL
iiMn
iinT
基于动态方程同步电机的动态电磁转矩为
可见动态性况下同步电机的电磁转矩由三部分组成同步电机在启动过程中如果转子角频率小于定子角频率此时同步电机的电磁转矩以异步转矩为主同步转矩是变化的达到同步时即转子角频率等于定子角频率此时同步电机的异步转矩为零只有同步电磁转矩存在
励磁电磁转矩
磁阻电磁转矩
异步电磁转矩
同步电磁转矩
同步电机 matlab 仿真模型的建立
mqDqDqlDqDqqaqDq
mdDdDdlDdDdfdaddadDd
mdfdfdlDdadfdfddadfd
mqqslDqqaqqslq
mddslDdfddaddsld
iLiLiL
iLiLiLiL
iLiLiLiL
iLiiLiL
iLiiiLiL
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)(
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Ddl
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LLL
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LLLL
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DqDqqaqDq
DdDdfdaddadDd
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电压方程 磁链方程
DqDqDq
DdDdDd
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pir
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0
0
1
1
电磁转矩 )(2
3dqqdpem iinT
DqlmdDqDq
DdlmdDdDd
fdlmdfdfd
slmqqq
slmddd
Li
Li
Li
Li
Li
)(
)(
)(
)(
)(
1 最好利用转子 dq 坐标系中的数学模型
2 以各绕组磁链为状态变量3 为了避便在计算电流时的矩阵求逆的计算 应以气隙磁链为中间变量
同步电机动态仿真模型(转子 dq 坐标系)
仿真事例一空载启动过程
仿真事例一空载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
特殊结构同步电动机分类结构数学模型特性
特种同步电机的分类 特种的同步电机有永磁同步电机同步磁阻电
机和开关磁阻电机等 永磁同步电机与普通同步电机相比其励磁磁链
由位于电机转子上的永磁体产生 按照其气隙磁链波形的不同可分为永磁无刷直
流电机和永磁同步交流电机两种永磁无刷直流电机的气隙磁链和反电势波形为方波或梯形波永磁同步交流电机的气隙磁链和反电势波形为正弦波
永磁同步交流电机按照其转子永磁体的安装方式不同又分为表面贴装式永磁同步交流电机和内嵌式永磁同步交流电机
永磁交流电机按照其气隙磁链行走路线不同可分为径向磁通式轴向磁通式和横向磁通式等
永磁同步电机的转子结构
面贴式( Surface mounted Magnet ) 内嵌式( Inset Magnet )
内埋式( Interior Magnet) 磁场集中式( Flux Concentration)
面贴带极靴式
内埋式
根据转子结构导致的 Ld 和 Lq的差异永磁同步电机分为 SPMSM ( LdasympLq )和 IPMSM( LdltLq )两种
SPMSM IPMSM
IPMSM IPMSM IPMSM
IPMSM 的多层转子结构
两层转子结构的 IPMSM 具有较好的性能和较低的造价
同步电机的转子结构与其凸极率的关系
同步电机的凸极率 (Salient Ratio) LqLd
一台 30 kW 径向气隙的 IPMSM 的参数
SPMSM
IPMSM
多层 SPMSM
永磁同步磁阻电机 PMSynRM
多层永磁同步磁阻电机 PMSynRM
同步磁阻电机 SynRM
多层同步磁阻电机 SynRM
径向磁通永磁同步电机
其主磁通沿径向穿过气隙
轴向气隙永磁同步电机
其主磁通沿轴向穿过气隙(上图中有两个气隙)
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
bbb
aaa
piru
piru
piru
1
1
1
)3
2cos(
)3
2cos(
cos
m
m
m
c
b
a
ccbcac
bcbbab
acabaa
c
b
a
i
i
i
LMM
MLM
MML
磁链方程为
)32(2cos
)32(2cos
2cos
20
20
20
ssbb
ssbb
ssaa
LLL
LLL
LLL
2)(2)( 20 aaqaadsaaqaadaals LLLLLLL
)65(2cos
)2(2cos
)6(2cos
20
20
20
ssac
ssbc
ssab
MMM
MMM
MMM
2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
In
WnT Tpmpem
2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
NS
永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
2
1
2
1)120sin()120sin(sin
)120cos()120cos(cos
3
20
dqabcT
1)120sin()120cos(
1)120sin()120cos(
1sincos
0
abcdqT
ppiru
ppiru
dqqq
qddd
1
1电压方程为
qqq
mddd
iL
iL
磁链方程为
电磁转矩为 )(2
3dqqdpem iinT
其中aqslaaqaalsssq
adslaadaalsssd
LLLLLMLL
LLLLLMLL
)(2
3
2
3
)(2
3
2
3
200
200
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
qi
NS
du
qu
di
稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
dqq
qdd
iru
iru
11
11
qqq
mddd
iL
iL
qd
qdqddqpdqqdpem LL
uuLLuLEniinT
21
0 )(
2
3)(
2
3
另有
01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
u
1ri
d
1
ju
qdd iru 11
a轴
d轴
q轴
i
dqq iru 11
fdafd iM 0
qd j
ddiL
qqqiL
δ
稳态性能分析])([
2
3)(
2
3qdqdqmpdqqdpem iiLLiniinT
永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
同步电动机在转子 dq 坐标系下的数学模型
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
DqDqqaDqDq
DdDdfdfDddaDdDd
DdfDdfdfddafdfd
DqaDqqqq
DdaDdfdafdddd
iLiM
iLiMiM
iMiLiM
iMiL
iMiMiL
0
0
0
0
00
2
32
32
3
电压方程为
磁链方程为其中
aqslaaqaalsssq
adslaadaalsssd
LLLLLMLL
LLLLLMLL
)(2
3
2
3
)(2
3
2
3
200
200
电磁转矩为 )(2
3dqqdpem iinT
从同步电机磁链方程可见经过变换后同步电机的电感系数不对称(采用相对变换)
auai
bubi
cu cifdu
Dqu
fdi
Dqi
a轴
d轴
b轴
q轴
c轴
r
Ddi
qi
DduNS
qiqu
du di
qs
ds
同步电动机在转子 dq 坐标系下的数学模型
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
DqDqqaqDq
DdDdfdfDddadDd
DdfDdfdfddadfd
Dqaqqqq
Ddadfdadddd
iLiL
iLiMiL
iMiLiL
iLiL
iLiLiL
电压方程为
磁链方程为
按照以下变换关系
DqaDq
aqDqDd
aDd
adDdfd
afd
adfd i
M
Lii
M
Lii
M
Li
000
此时同步电机的电压和磁链方程如右式所示可见其电感矩阵变得对称了又得以简化省去上标 号并有
DqDqqaqDq
DdDdfdaddadDd
Ddadfdfddadfd
Dqaqqqq
Ddadfdadddd
iLiL
iLiLiL
iLiLiL
iLiL
iLiLiL
电压方程 磁链方程
adfDd LM
则同步电机的方程可以简化为
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
dqqq
qddd
pir
pir
piru
ppiru
ppiru
0
0
1
1
DqaDq
aqDqDd
aDd
adDdfd
afd
adfd u
M
Luu
M
Luu
M
Lu
000 3
2
3
2
3
2
电磁转矩 )(2
3dqqdpem iinT
稳态性能分析稳态时同步电机的阻尼绕组不起作用在 dq 坐标系下同步电机所有量都为直流量且保持不变则有
fdfdfd
dqq
qdd
iru
iru
iru
11
11
fdfddafdfd
qqq
fdafdddd
iLiM
iL
iMiL
0
0
2
3
qd
qdqddqpdqqdpem LL
uuLLuLEniinT
21
0 )(
2
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2
3
另有
01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中fdafd iME 010
其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的功率角 δrsquo 为同步电机的外功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子电阻的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有20
2 21 1
3sin sin 2
2 2d q
em pd d q
E U L LT n U
L L L
同步电机的矩角特性
同步电动机的稳态矢量图
励磁电磁转矩
磁阻电磁转矩
δ
u
1ri
d
1
ju
qdd iru 11
a轴
d轴
q轴
i
dqq iru 11
fdafd iM 0
qd j
ddiL
qqqiL
动态性能分析
)](
)(
[2
3
)(2
3
00
0
dDqaDqqDdaDd
qdqd
qfdafdp
dqqdpem
iiMiiM
iiLL
iiMn
iinT
基于动态方程同步电机的动态电磁转矩为
可见动态性况下同步电机的电磁转矩由三部分组成同步电机在启动过程中如果转子角频率小于定子角频率此时同步电机的电磁转矩以异步转矩为主同步转矩是变化的达到同步时即转子角频率等于定子角频率此时同步电机的异步转矩为零只有同步电磁转矩存在
励磁电磁转矩
磁阻电磁转矩
异步电磁转矩
同步电磁转矩
同步电机 matlab 仿真模型的建立
mqDqDqlDqDqqaqDq
mdDdDdlDdDdfdaddadDd
mdfdfdlDdadfdfddadfd
mqqslDqqaqqslq
mddslDdfddaddsld
iLiLiL
iLiLiLiL
iLiLiLiL
iLiiLiL
iLiiiLiL
)(
)(
aqDqlsl
Dql
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sl
q
Dqqaqmq
adDdlfdlsl
Ddl
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sl
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LLL
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LLLL
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1111)(
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电压方程 磁链方程
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1
1
电磁转矩 )(2
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DqlmdDqDq
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slmqqq
slmddd
Li
Li
Li
Li
Li
)(
)(
)(
)(
)(
1 最好利用转子 dq 坐标系中的数学模型
2 以各绕组磁链为状态变量3 为了避便在计算电流时的矩阵求逆的计算 应以气隙磁链为中间变量
同步电机动态仿真模型(转子 dq 坐标系)
仿真事例一空载启动过程
仿真事例一空载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
特殊结构同步电动机分类结构数学模型特性
特种同步电机的分类 特种的同步电机有永磁同步电机同步磁阻电
机和开关磁阻电机等 永磁同步电机与普通同步电机相比其励磁磁链
由位于电机转子上的永磁体产生 按照其气隙磁链波形的不同可分为永磁无刷直
流电机和永磁同步交流电机两种永磁无刷直流电机的气隙磁链和反电势波形为方波或梯形波永磁同步交流电机的气隙磁链和反电势波形为正弦波
永磁同步交流电机按照其转子永磁体的安装方式不同又分为表面贴装式永磁同步交流电机和内嵌式永磁同步交流电机
永磁交流电机按照其气隙磁链行走路线不同可分为径向磁通式轴向磁通式和横向磁通式等
永磁同步电机的转子结构
面贴式( Surface mounted Magnet ) 内嵌式( Inset Magnet )
内埋式( Interior Magnet) 磁场集中式( Flux Concentration)
面贴带极靴式
内埋式
根据转子结构导致的 Ld 和 Lq的差异永磁同步电机分为 SPMSM ( LdasympLq )和 IPMSM( LdltLq )两种
SPMSM IPMSM
IPMSM IPMSM IPMSM
IPMSM 的多层转子结构
两层转子结构的 IPMSM 具有较好的性能和较低的造价
同步电机的转子结构与其凸极率的关系
同步电机的凸极率 (Salient Ratio) LqLd
一台 30 kW 径向气隙的 IPMSM 的参数
SPMSM
IPMSM
多层 SPMSM
永磁同步磁阻电机 PMSynRM
多层永磁同步磁阻电机 PMSynRM
同步磁阻电机 SynRM
多层同步磁阻电机 SynRM
径向磁通永磁同步电机
其主磁通沿径向穿过气隙
轴向气隙永磁同步电机
其主磁通沿轴向穿过气隙(上图中有两个气隙)
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
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piru
piru
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1
1
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2cos(
)3
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磁链方程为
)32(2cos
)32(2cos
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20
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LLL
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)65(2cos
)2(2cos
)6(2cos
20
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ssac
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MMM
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2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
In
WnT Tpmpem
2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
NS
永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
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1)120sin()120sin(sin
)120cos()120cos(cos
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磁链方程为
电磁转矩为 )(2
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其中aqslaaqaalsssq
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b轴q轴
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稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
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其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
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2
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21
0
qd
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永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
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a轴
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稳态性能分析])([
2
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永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
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2
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UEnT
稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
同步电动机在转子 dq 坐标系下的数学模型
DqDqDq
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0
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DqDqqaqDq
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电压方程为
磁链方程为
按照以下变换关系
DqaDq
aqDqDd
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M
Lii
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Lii
M
Li
000
此时同步电机的电压和磁链方程如右式所示可见其电感矩阵变得对称了又得以简化省去上标 号并有
DqDqqaqDq
DdDdfdaddadDd
Ddadfdfddadfd
Dqaqqqq
Ddadfdadddd
iLiL
iLiLiL
iLiLiL
iLiL
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电压方程 磁链方程
adfDd LM
则同步电机的方程可以简化为
DqDqDq
DdDdDd
fdfdfdfd
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pir
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M
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电磁转矩 )(2
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稳态性能分析稳态时同步电机的阻尼绕组不起作用在 dq 坐标系下同步电机所有量都为直流量且保持不变则有
fdfdfd
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11
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01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中fdafd iME 010
其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的功率角 δrsquo 为同步电机的外功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子电阻的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有20
2 21 1
3sin sin 2
2 2d q
em pd d q
E U L LT n U
L L L
同步电机的矩角特性
同步电动机的稳态矢量图
励磁电磁转矩
磁阻电磁转矩
δ
u
1ri
d
1
ju
qdd iru 11
a轴
d轴
q轴
i
dqq iru 11
fdafd iM 0
qd j
ddiL
qqqiL
动态性能分析
)](
)(
[2
3
)(2
3
00
0
dDqaDqqDdaDd
qdqd
qfdafdp
dqqdpem
iiMiiM
iiLL
iiMn
iinT
基于动态方程同步电机的动态电磁转矩为
可见动态性况下同步电机的电磁转矩由三部分组成同步电机在启动过程中如果转子角频率小于定子角频率此时同步电机的电磁转矩以异步转矩为主同步转矩是变化的达到同步时即转子角频率等于定子角频率此时同步电机的异步转矩为零只有同步电磁转矩存在
励磁电磁转矩
磁阻电磁转矩
异步电磁转矩
同步电磁转矩
同步电机 matlab 仿真模型的建立
mqDqDqlDqDqqaqDq
mdDdDdlDdDdfdaddadDd
mdfdfdlDdadfdfddadfd
mqqslDqqaqqslq
mddslDdfddaddsld
iLiLiL
iLiLiLiL
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iLiiLiL
iLiiiLiL
)(
)(
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q
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电压方程 磁链方程
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pir
pir
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ppiru
0
0
1
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电磁转矩 )(2
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Li
Li
Li
Li
Li
)(
)(
)(
)(
)(
1 最好利用转子 dq 坐标系中的数学模型
2 以各绕组磁链为状态变量3 为了避便在计算电流时的矩阵求逆的计算 应以气隙磁链为中间变量
同步电机动态仿真模型(转子 dq 坐标系)
仿真事例一空载启动过程
仿真事例一空载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
特殊结构同步电动机分类结构数学模型特性
特种同步电机的分类 特种的同步电机有永磁同步电机同步磁阻电
机和开关磁阻电机等 永磁同步电机与普通同步电机相比其励磁磁链
由位于电机转子上的永磁体产生 按照其气隙磁链波形的不同可分为永磁无刷直
流电机和永磁同步交流电机两种永磁无刷直流电机的气隙磁链和反电势波形为方波或梯形波永磁同步交流电机的气隙磁链和反电势波形为正弦波
永磁同步交流电机按照其转子永磁体的安装方式不同又分为表面贴装式永磁同步交流电机和内嵌式永磁同步交流电机
永磁交流电机按照其气隙磁链行走路线不同可分为径向磁通式轴向磁通式和横向磁通式等
永磁同步电机的转子结构
面贴式( Surface mounted Magnet ) 内嵌式( Inset Magnet )
内埋式( Interior Magnet) 磁场集中式( Flux Concentration)
面贴带极靴式
内埋式
根据转子结构导致的 Ld 和 Lq的差异永磁同步电机分为 SPMSM ( LdasympLq )和 IPMSM( LdltLq )两种
SPMSM IPMSM
IPMSM IPMSM IPMSM
IPMSM 的多层转子结构
两层转子结构的 IPMSM 具有较好的性能和较低的造价
同步电机的转子结构与其凸极率的关系
同步电机的凸极率 (Salient Ratio) LqLd
一台 30 kW 径向气隙的 IPMSM 的参数
SPMSM
IPMSM
多层 SPMSM
永磁同步磁阻电机 PMSynRM
多层永磁同步磁阻电机 PMSynRM
同步磁阻电机 SynRM
多层同步磁阻电机 SynRM
径向磁通永磁同步电机
其主磁通沿径向穿过气隙
轴向气隙永磁同步电机
其主磁通沿轴向穿过气隙(上图中有两个气隙)
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
bbb
aaa
piru
piru
piru
1
1
1
)3
2cos(
)3
2cos(
cos
m
m
m
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b
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c
b
a
i
i
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LMM
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MML
磁链方程为
)32(2cos
)32(2cos
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20
20
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ssbb
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LLL
LLL
LLL
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)65(2cos
)2(2cos
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20
20
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ssab
MMM
MMM
MMM
2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
In
WnT Tpmpem
2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
NS
永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
2
1
2
1)120sin()120sin(sin
)120cos()120cos(cos
3
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1)120sin()120cos(
1)120sin()120cos(
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0
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ppiru
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1
1电压方程为
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iL
磁链方程为
电磁转矩为 )(2
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其中aqslaaqaalsssq
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3
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d轴
b轴q轴
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稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
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iru
11
11
qqq
mddd
iL
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qd
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2
3
另有
01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
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LL
L
UEnT
永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
u
1ri
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稳态性能分析])([
2
3)(
2
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永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
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LL
L
UEnT
稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
稳态性能分析稳态时同步电机的阻尼绕组不起作用在 dq 坐标系下同步电机所有量都为直流量且保持不变则有
fdfdfd
dqq
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iru
iru
iru
11
11
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01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中fdafd iME 010
其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的功率角 δrsquo 为同步电机的外功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子电阻的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有20
2 21 1
3sin sin 2
2 2d q
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E U L LT n U
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同步电机的矩角特性
同步电动机的稳态矢量图
励磁电磁转矩
磁阻电磁转矩
δ
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a轴
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动态性能分析
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基于动态方程同步电机的动态电磁转矩为
可见动态性况下同步电机的电磁转矩由三部分组成同步电机在启动过程中如果转子角频率小于定子角频率此时同步电机的电磁转矩以异步转矩为主同步转矩是变化的达到同步时即转子角频率等于定子角频率此时同步电机的异步转矩为零只有同步电磁转矩存在
励磁电磁转矩
磁阻电磁转矩
异步电磁转矩
同步电磁转矩
同步电机 matlab 仿真模型的建立
mqDqDqlDqDqqaqDq
mdDdDdlDdDdfdaddadDd
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电压方程 磁链方程
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slmddd
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Li
Li
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)(
)(
)(
)(
)(
1 最好利用转子 dq 坐标系中的数学模型
2 以各绕组磁链为状态变量3 为了避便在计算电流时的矩阵求逆的计算 应以气隙磁链为中间变量
同步电机动态仿真模型(转子 dq 坐标系)
仿真事例一空载启动过程
仿真事例一空载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
特殊结构同步电动机分类结构数学模型特性
特种同步电机的分类 特种的同步电机有永磁同步电机同步磁阻电
机和开关磁阻电机等 永磁同步电机与普通同步电机相比其励磁磁链
由位于电机转子上的永磁体产生 按照其气隙磁链波形的不同可分为永磁无刷直
流电机和永磁同步交流电机两种永磁无刷直流电机的气隙磁链和反电势波形为方波或梯形波永磁同步交流电机的气隙磁链和反电势波形为正弦波
永磁同步交流电机按照其转子永磁体的安装方式不同又分为表面贴装式永磁同步交流电机和内嵌式永磁同步交流电机
永磁交流电机按照其气隙磁链行走路线不同可分为径向磁通式轴向磁通式和横向磁通式等
永磁同步电机的转子结构
面贴式( Surface mounted Magnet ) 内嵌式( Inset Magnet )
内埋式( Interior Magnet) 磁场集中式( Flux Concentration)
面贴带极靴式
内埋式
根据转子结构导致的 Ld 和 Lq的差异永磁同步电机分为 SPMSM ( LdasympLq )和 IPMSM( LdltLq )两种
SPMSM IPMSM
IPMSM IPMSM IPMSM
IPMSM 的多层转子结构
两层转子结构的 IPMSM 具有较好的性能和较低的造价
同步电机的转子结构与其凸极率的关系
同步电机的凸极率 (Salient Ratio) LqLd
一台 30 kW 径向气隙的 IPMSM 的参数
SPMSM
IPMSM
多层 SPMSM
永磁同步磁阻电机 PMSynRM
多层永磁同步磁阻电机 PMSynRM
同步磁阻电机 SynRM
多层同步磁阻电机 SynRM
径向磁通永磁同步电机
其主磁通沿径向穿过气隙
轴向气隙永磁同步电机
其主磁通沿轴向穿过气隙(上图中有两个气隙)
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
bbb
aaa
piru
piru
piru
1
1
1
)3
2cos(
)3
2cos(
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m
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LMM
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磁链方程为
)32(2cos
)32(2cos
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20
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LLL
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)65(2cos
)2(2cos
)6(2cos
20
20
20
ssac
ssbc
ssab
MMM
MMM
MMM
2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
In
WnT Tpmpem
2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
NS
永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
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1
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1)120sin()120sin(sin
)120cos()120cos(cos
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1)120sin()120cos(
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1电压方程为
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磁链方程为
电磁转矩为 )(2
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其中aqslaaqaalsssq
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auai
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稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
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01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
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LL
L
UEnT
永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
u
1ri
d
1
ju
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a轴
d轴
q轴
i
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fdafd iM 0
qd j
ddiL
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δ
稳态性能分析])([
2
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2
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永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
2sin
2
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21
0
qd
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L
UEnT
稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
动态性能分析
)](
)(
[2
3
)(2
3
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0
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iiMn
iinT
基于动态方程同步电机的动态电磁转矩为
可见动态性况下同步电机的电磁转矩由三部分组成同步电机在启动过程中如果转子角频率小于定子角频率此时同步电机的电磁转矩以异步转矩为主同步转矩是变化的达到同步时即转子角频率等于定子角频率此时同步电机的异步转矩为零只有同步电磁转矩存在
励磁电磁转矩
磁阻电磁转矩
异步电磁转矩
同步电磁转矩
同步电机 matlab 仿真模型的建立
mqDqDqlDqDqqaqDq
mdDdDdlDdDdfdaddadDd
mdfdfdlDdadfdfddadfd
mqqslDqqaqqslq
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电压方程 磁链方程
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pir
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ppiru
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1
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电磁转矩 )(2
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Li
Li
Li
Li
Li
)(
)(
)(
)(
)(
1 最好利用转子 dq 坐标系中的数学模型
2 以各绕组磁链为状态变量3 为了避便在计算电流时的矩阵求逆的计算 应以气隙磁链为中间变量
同步电机动态仿真模型(转子 dq 坐标系)
仿真事例一空载启动过程
仿真事例一空载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
特殊结构同步电动机分类结构数学模型特性
特种同步电机的分类 特种的同步电机有永磁同步电机同步磁阻电
机和开关磁阻电机等 永磁同步电机与普通同步电机相比其励磁磁链
由位于电机转子上的永磁体产生 按照其气隙磁链波形的不同可分为永磁无刷直
流电机和永磁同步交流电机两种永磁无刷直流电机的气隙磁链和反电势波形为方波或梯形波永磁同步交流电机的气隙磁链和反电势波形为正弦波
永磁同步交流电机按照其转子永磁体的安装方式不同又分为表面贴装式永磁同步交流电机和内嵌式永磁同步交流电机
永磁交流电机按照其气隙磁链行走路线不同可分为径向磁通式轴向磁通式和横向磁通式等
永磁同步电机的转子结构
面贴式( Surface mounted Magnet ) 内嵌式( Inset Magnet )
内埋式( Interior Magnet) 磁场集中式( Flux Concentration)
面贴带极靴式
内埋式
根据转子结构导致的 Ld 和 Lq的差异永磁同步电机分为 SPMSM ( LdasympLq )和 IPMSM( LdltLq )两种
SPMSM IPMSM
IPMSM IPMSM IPMSM
IPMSM 的多层转子结构
两层转子结构的 IPMSM 具有较好的性能和较低的造价
同步电机的转子结构与其凸极率的关系
同步电机的凸极率 (Salient Ratio) LqLd
一台 30 kW 径向气隙的 IPMSM 的参数
SPMSM
IPMSM
多层 SPMSM
永磁同步磁阻电机 PMSynRM
多层永磁同步磁阻电机 PMSynRM
同步磁阻电机 SynRM
多层同步磁阻电机 SynRM
径向磁通永磁同步电机
其主磁通沿径向穿过气隙
轴向气隙永磁同步电机
其主磁通沿轴向穿过气隙(上图中有两个气隙)
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
bbb
aaa
piru
piru
piru
1
1
1
)3
2cos(
)3
2cos(
cos
m
m
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c
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i
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磁链方程为
)32(2cos
)32(2cos
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20
20
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LLL
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2)(2)( 20 aaqaadsaaqaadaals LLLLLLL
)65(2cos
)2(2cos
)6(2cos
20
20
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ssbc
ssab
MMM
MMM
MMM
2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
In
WnT Tpmpem
2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
NS
永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
2
1
2
1)120sin()120sin(sin
)120cos()120cos(cos
3
20
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0
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1
1电压方程为
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磁链方程为
电磁转矩为 )(2
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其中aqslaaqaalsssq
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b轴q轴
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du
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稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
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11
11
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iL
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qd
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2
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2
3
另有
01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
u
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1
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d轴
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i
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稳态性能分析])([
2
3)(
2
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永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
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2
321
21
0
qd
qd
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LL
L
UEnT
稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
同步电机 matlab 仿真模型的建立
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电压方程 磁链方程
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1 最好利用转子 dq 坐标系中的数学模型
2 以各绕组磁链为状态变量3 为了避便在计算电流时的矩阵求逆的计算 应以气隙磁链为中间变量
同步电机动态仿真模型(转子 dq 坐标系)
仿真事例一空载启动过程
仿真事例一空载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
特殊结构同步电动机分类结构数学模型特性
特种同步电机的分类 特种的同步电机有永磁同步电机同步磁阻电
机和开关磁阻电机等 永磁同步电机与普通同步电机相比其励磁磁链
由位于电机转子上的永磁体产生 按照其气隙磁链波形的不同可分为永磁无刷直
流电机和永磁同步交流电机两种永磁无刷直流电机的气隙磁链和反电势波形为方波或梯形波永磁同步交流电机的气隙磁链和反电势波形为正弦波
永磁同步交流电机按照其转子永磁体的安装方式不同又分为表面贴装式永磁同步交流电机和内嵌式永磁同步交流电机
永磁交流电机按照其气隙磁链行走路线不同可分为径向磁通式轴向磁通式和横向磁通式等
永磁同步电机的转子结构
面贴式( Surface mounted Magnet ) 内嵌式( Inset Magnet )
内埋式( Interior Magnet) 磁场集中式( Flux Concentration)
面贴带极靴式
内埋式
根据转子结构导致的 Ld 和 Lq的差异永磁同步电机分为 SPMSM ( LdasympLq )和 IPMSM( LdltLq )两种
SPMSM IPMSM
IPMSM IPMSM IPMSM
IPMSM 的多层转子结构
两层转子结构的 IPMSM 具有较好的性能和较低的造价
同步电机的转子结构与其凸极率的关系
同步电机的凸极率 (Salient Ratio) LqLd
一台 30 kW 径向气隙的 IPMSM 的参数
SPMSM
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多层 SPMSM
永磁同步磁阻电机 PMSynRM
多层永磁同步磁阻电机 PMSynRM
同步磁阻电机 SynRM
多层同步磁阻电机 SynRM
径向磁通永磁同步电机
其主磁通沿径向穿过气隙
轴向气隙永磁同步电机
其主磁通沿轴向穿过气隙(上图中有两个气隙)
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
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其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
In
WnT Tpmpem
2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
NS
永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
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1)120sin()120sin(sin
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1电压方程为
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磁链方程为
电磁转矩为 )(2
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其中aqslaaqaalsssq
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稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
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01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
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2
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永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
u
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a轴
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i
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稳态性能分析])([
2
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永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
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2
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稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
同步电机动态仿真模型(转子 dq 坐标系)
仿真事例一空载启动过程
仿真事例一空载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
特殊结构同步电动机分类结构数学模型特性
特种同步电机的分类 特种的同步电机有永磁同步电机同步磁阻电
机和开关磁阻电机等 永磁同步电机与普通同步电机相比其励磁磁链
由位于电机转子上的永磁体产生 按照其气隙磁链波形的不同可分为永磁无刷直
流电机和永磁同步交流电机两种永磁无刷直流电机的气隙磁链和反电势波形为方波或梯形波永磁同步交流电机的气隙磁链和反电势波形为正弦波
永磁同步交流电机按照其转子永磁体的安装方式不同又分为表面贴装式永磁同步交流电机和内嵌式永磁同步交流电机
永磁交流电机按照其气隙磁链行走路线不同可分为径向磁通式轴向磁通式和横向磁通式等
永磁同步电机的转子结构
面贴式( Surface mounted Magnet ) 内嵌式( Inset Magnet )
内埋式( Interior Magnet) 磁场集中式( Flux Concentration)
面贴带极靴式
内埋式
根据转子结构导致的 Ld 和 Lq的差异永磁同步电机分为 SPMSM ( LdasympLq )和 IPMSM( LdltLq )两种
SPMSM IPMSM
IPMSM IPMSM IPMSM
IPMSM 的多层转子结构
两层转子结构的 IPMSM 具有较好的性能和较低的造价
同步电机的转子结构与其凸极率的关系
同步电机的凸极率 (Salient Ratio) LqLd
一台 30 kW 径向气隙的 IPMSM 的参数
SPMSM
IPMSM
多层 SPMSM
永磁同步磁阻电机 PMSynRM
多层永磁同步磁阻电机 PMSynRM
同步磁阻电机 SynRM
多层同步磁阻电机 SynRM
径向磁通永磁同步电机
其主磁通沿径向穿过气隙
轴向气隙永磁同步电机
其主磁通沿轴向穿过气隙(上图中有两个气隙)
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
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20
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LLL
LLL
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20
20
20
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ssbc
ssab
MMM
MMM
MMM
2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
In
WnT Tpmpem
2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
NS
永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
2
1
2
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3
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1
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电磁转矩为 )(2
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其中aqslaaqaalsssq
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di
稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
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2
3
另有
01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
u
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1
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i
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稳态性能分析])([
2
3)(
2
3qdqdqmpdqqdpem iiLLiniinT
永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
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2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
仿真事例一空载启动过程
仿真事例一空载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
特殊结构同步电动机分类结构数学模型特性
特种同步电机的分类 特种的同步电机有永磁同步电机同步磁阻电
机和开关磁阻电机等 永磁同步电机与普通同步电机相比其励磁磁链
由位于电机转子上的永磁体产生 按照其气隙磁链波形的不同可分为永磁无刷直
流电机和永磁同步交流电机两种永磁无刷直流电机的气隙磁链和反电势波形为方波或梯形波永磁同步交流电机的气隙磁链和反电势波形为正弦波
永磁同步交流电机按照其转子永磁体的安装方式不同又分为表面贴装式永磁同步交流电机和内嵌式永磁同步交流电机
永磁交流电机按照其气隙磁链行走路线不同可分为径向磁通式轴向磁通式和横向磁通式等
永磁同步电机的转子结构
面贴式( Surface mounted Magnet ) 内嵌式( Inset Magnet )
内埋式( Interior Magnet) 磁场集中式( Flux Concentration)
面贴带极靴式
内埋式
根据转子结构导致的 Ld 和 Lq的差异永磁同步电机分为 SPMSM ( LdasympLq )和 IPMSM( LdltLq )两种
SPMSM IPMSM
IPMSM IPMSM IPMSM
IPMSM 的多层转子结构
两层转子结构的 IPMSM 具有较好的性能和较低的造价
同步电机的转子结构与其凸极率的关系
同步电机的凸极率 (Salient Ratio) LqLd
一台 30 kW 径向气隙的 IPMSM 的参数
SPMSM
IPMSM
多层 SPMSM
永磁同步磁阻电机 PMSynRM
多层永磁同步磁阻电机 PMSynRM
同步磁阻电机 SynRM
多层同步磁阻电机 SynRM
径向磁通永磁同步电机
其主磁通沿径向穿过气隙
轴向气隙永磁同步电机
其主磁通沿轴向穿过气隙(上图中有两个气隙)
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
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其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
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2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
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a轴
d轴
b轴q轴
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永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
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其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
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永磁同步电机的矩角特性
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永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
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2
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稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
仿真事例一空载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
特殊结构同步电动机分类结构数学模型特性
特种同步电机的分类 特种的同步电机有永磁同步电机同步磁阻电
机和开关磁阻电机等 永磁同步电机与普通同步电机相比其励磁磁链
由位于电机转子上的永磁体产生 按照其气隙磁链波形的不同可分为永磁无刷直
流电机和永磁同步交流电机两种永磁无刷直流电机的气隙磁链和反电势波形为方波或梯形波永磁同步交流电机的气隙磁链和反电势波形为正弦波
永磁同步交流电机按照其转子永磁体的安装方式不同又分为表面贴装式永磁同步交流电机和内嵌式永磁同步交流电机
永磁交流电机按照其气隙磁链行走路线不同可分为径向磁通式轴向磁通式和横向磁通式等
永磁同步电机的转子结构
面贴式( Surface mounted Magnet ) 内嵌式( Inset Magnet )
内埋式( Interior Magnet) 磁场集中式( Flux Concentration)
面贴带极靴式
内埋式
根据转子结构导致的 Ld 和 Lq的差异永磁同步电机分为 SPMSM ( LdasympLq )和 IPMSM( LdltLq )两种
SPMSM IPMSM
IPMSM IPMSM IPMSM
IPMSM 的多层转子结构
两层转子结构的 IPMSM 具有较好的性能和较低的造价
同步电机的转子结构与其凸极率的关系
同步电机的凸极率 (Salient Ratio) LqLd
一台 30 kW 径向气隙的 IPMSM 的参数
SPMSM
IPMSM
多层 SPMSM
永磁同步磁阻电机 PMSynRM
多层永磁同步磁阻电机 PMSynRM
同步磁阻电机 SynRM
多层同步磁阻电机 SynRM
径向磁通永磁同步电机
其主磁通沿径向穿过气隙
轴向气隙永磁同步电机
其主磁通沿轴向穿过气隙(上图中有两个气隙)
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
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aaa
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1
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其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
In
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2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
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cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
NS
永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
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1)120sin()120sin(sin
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1电压方程为
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磁链方程为
电磁转矩为 )(2
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其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
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2
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永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
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永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
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2
321
21
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qd
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稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
特殊结构同步电动机分类结构数学模型特性
特种同步电机的分类 特种的同步电机有永磁同步电机同步磁阻电
机和开关磁阻电机等 永磁同步电机与普通同步电机相比其励磁磁链
由位于电机转子上的永磁体产生 按照其气隙磁链波形的不同可分为永磁无刷直
流电机和永磁同步交流电机两种永磁无刷直流电机的气隙磁链和反电势波形为方波或梯形波永磁同步交流电机的气隙磁链和反电势波形为正弦波
永磁同步交流电机按照其转子永磁体的安装方式不同又分为表面贴装式永磁同步交流电机和内嵌式永磁同步交流电机
永磁交流电机按照其气隙磁链行走路线不同可分为径向磁通式轴向磁通式和横向磁通式等
永磁同步电机的转子结构
面贴式( Surface mounted Magnet ) 内嵌式( Inset Magnet )
内埋式( Interior Magnet) 磁场集中式( Flux Concentration)
面贴带极靴式
内埋式
根据转子结构导致的 Ld 和 Lq的差异永磁同步电机分为 SPMSM ( LdasympLq )和 IPMSM( LdltLq )两种
SPMSM IPMSM
IPMSM IPMSM IPMSM
IPMSM 的多层转子结构
两层转子结构的 IPMSM 具有较好的性能和较低的造价
同步电机的转子结构与其凸极率的关系
同步电机的凸极率 (Salient Ratio) LqLd
一台 30 kW 径向气隙的 IPMSM 的参数
SPMSM
IPMSM
多层 SPMSM
永磁同步磁阻电机 PMSynRM
多层永磁同步磁阻电机 PMSynRM
同步磁阻电机 SynRM
多层同步磁阻电机 SynRM
径向磁通永磁同步电机
其主磁通沿径向穿过气隙
轴向气隙永磁同步电机
其主磁通沿轴向穿过气隙(上图中有两个气隙)
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
bbb
aaa
piru
piru
piru
1
1
1
)3
2cos(
)3
2cos(
cos
m
m
m
c
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a
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c
b
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i
i
i
LMM
MLM
MML
磁链方程为
)32(2cos
)32(2cos
2cos
20
20
20
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LLL
LLL
LLL
2)(2)( 20 aaqaadsaaqaadaals LLLLLLL
)65(2cos
)2(2cos
)6(2cos
20
20
20
ssac
ssbc
ssab
MMM
MMM
MMM
2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
In
WnT Tpmpem
2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
NS
永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
2
1
2
1)120sin()120sin(sin
)120cos()120cos(cos
3
20
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0
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1
1电压方程为
qqq
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iL
磁链方程为
电磁转矩为 )(2
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其中aqslaaqaalsssq
adslaadaalsssd
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d轴
b轴q轴
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qi
NS
du
qu
di
稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
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2
3
另有
01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
u
1ri
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1
ju
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d轴
q轴
i
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δ
稳态性能分析])([
2
3)(
2
3qdqdqmpdqqdpem iiLLiniinT
永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
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2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
仿真事例二带 300Nm 负载启动过程
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
特殊结构同步电动机分类结构数学模型特性
特种同步电机的分类 特种的同步电机有永磁同步电机同步磁阻电
机和开关磁阻电机等 永磁同步电机与普通同步电机相比其励磁磁链
由位于电机转子上的永磁体产生 按照其气隙磁链波形的不同可分为永磁无刷直
流电机和永磁同步交流电机两种永磁无刷直流电机的气隙磁链和反电势波形为方波或梯形波永磁同步交流电机的气隙磁链和反电势波形为正弦波
永磁同步交流电机按照其转子永磁体的安装方式不同又分为表面贴装式永磁同步交流电机和内嵌式永磁同步交流电机
永磁交流电机按照其气隙磁链行走路线不同可分为径向磁通式轴向磁通式和横向磁通式等
永磁同步电机的转子结构
面贴式( Surface mounted Magnet ) 内嵌式( Inset Magnet )
内埋式( Interior Magnet) 磁场集中式( Flux Concentration)
面贴带极靴式
内埋式
根据转子结构导致的 Ld 和 Lq的差异永磁同步电机分为 SPMSM ( LdasympLq )和 IPMSM( LdltLq )两种
SPMSM IPMSM
IPMSM IPMSM IPMSM
IPMSM 的多层转子结构
两层转子结构的 IPMSM 具有较好的性能和较低的造价
同步电机的转子结构与其凸极率的关系
同步电机的凸极率 (Salient Ratio) LqLd
一台 30 kW 径向气隙的 IPMSM 的参数
SPMSM
IPMSM
多层 SPMSM
永磁同步磁阻电机 PMSynRM
多层永磁同步磁阻电机 PMSynRM
同步磁阻电机 SynRM
多层同步磁阻电机 SynRM
径向磁通永磁同步电机
其主磁通沿径向穿过气隙
轴向气隙永磁同步电机
其主磁通沿轴向穿过气隙(上图中有两个气隙)
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
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aaa
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1
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其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
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2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
bubi
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a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
NS
永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
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稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
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其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
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2
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21
0
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永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
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2
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永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
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2
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0
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稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
特殊结构同步电动机分类结构数学模型特性
特种同步电机的分类 特种的同步电机有永磁同步电机同步磁阻电
机和开关磁阻电机等 永磁同步电机与普通同步电机相比其励磁磁链
由位于电机转子上的永磁体产生 按照其气隙磁链波形的不同可分为永磁无刷直
流电机和永磁同步交流电机两种永磁无刷直流电机的气隙磁链和反电势波形为方波或梯形波永磁同步交流电机的气隙磁链和反电势波形为正弦波
永磁同步交流电机按照其转子永磁体的安装方式不同又分为表面贴装式永磁同步交流电机和内嵌式永磁同步交流电机
永磁交流电机按照其气隙磁链行走路线不同可分为径向磁通式轴向磁通式和横向磁通式等
永磁同步电机的转子结构
面贴式( Surface mounted Magnet ) 内嵌式( Inset Magnet )
内埋式( Interior Magnet) 磁场集中式( Flux Concentration)
面贴带极靴式
内埋式
根据转子结构导致的 Ld 和 Lq的差异永磁同步电机分为 SPMSM ( LdasympLq )和 IPMSM( LdltLq )两种
SPMSM IPMSM
IPMSM IPMSM IPMSM
IPMSM 的多层转子结构
两层转子结构的 IPMSM 具有较好的性能和较低的造价
同步电机的转子结构与其凸极率的关系
同步电机的凸极率 (Salient Ratio) LqLd
一台 30 kW 径向气隙的 IPMSM 的参数
SPMSM
IPMSM
多层 SPMSM
永磁同步磁阻电机 PMSynRM
多层永磁同步磁阻电机 PMSynRM
同步磁阻电机 SynRM
多层同步磁阻电机 SynRM
径向磁通永磁同步电机
其主磁通沿径向穿过气隙
轴向气隙永磁同步电机
其主磁通沿轴向穿过气隙(上图中有两个气隙)
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
bbb
aaa
piru
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1
1
1
)3
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)3
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ssac
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其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
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2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
NS
永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
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1)120sin()120sin(sin
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1电压方程为
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磁链方程为
电磁转矩为 )(2
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其中aqslaaqaalsssq
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稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
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01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
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2
321
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0
qd
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永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
u
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a轴
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稳态性能分析])([
2
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永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
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2
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稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
仿真事例三空载启动稳定后突加 300Nm 负载
特殊结构同步电动机分类结构数学模型特性
特种同步电机的分类 特种的同步电机有永磁同步电机同步磁阻电
机和开关磁阻电机等 永磁同步电机与普通同步电机相比其励磁磁链
由位于电机转子上的永磁体产生 按照其气隙磁链波形的不同可分为永磁无刷直
流电机和永磁同步交流电机两种永磁无刷直流电机的气隙磁链和反电势波形为方波或梯形波永磁同步交流电机的气隙磁链和反电势波形为正弦波
永磁同步交流电机按照其转子永磁体的安装方式不同又分为表面贴装式永磁同步交流电机和内嵌式永磁同步交流电机
永磁交流电机按照其气隙磁链行走路线不同可分为径向磁通式轴向磁通式和横向磁通式等
永磁同步电机的转子结构
面贴式( Surface mounted Magnet ) 内嵌式( Inset Magnet )
内埋式( Interior Magnet) 磁场集中式( Flux Concentration)
面贴带极靴式
内埋式
根据转子结构导致的 Ld 和 Lq的差异永磁同步电机分为 SPMSM ( LdasympLq )和 IPMSM( LdltLq )两种
SPMSM IPMSM
IPMSM IPMSM IPMSM
IPMSM 的多层转子结构
两层转子结构的 IPMSM 具有较好的性能和较低的造价
同步电机的转子结构与其凸极率的关系
同步电机的凸极率 (Salient Ratio) LqLd
一台 30 kW 径向气隙的 IPMSM 的参数
SPMSM
IPMSM
多层 SPMSM
永磁同步磁阻电机 PMSynRM
多层永磁同步磁阻电机 PMSynRM
同步磁阻电机 SynRM
多层同步磁阻电机 SynRM
径向磁通永磁同步电机
其主磁通沿径向穿过气隙
轴向气隙永磁同步电机
其主磁通沿轴向穿过气隙(上图中有两个气隙)
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
bbb
aaa
piru
piru
piru
1
1
1
)3
2cos(
)3
2cos(
cos
m
m
m
c
b
a
ccbcac
bcbbab
acabaa
c
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i
i
i
LMM
MLM
MML
磁链方程为
)32(2cos
)32(2cos
2cos
20
20
20
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LLL
LLL
LLL
2)(2)( 20 aaqaadsaaqaadaals LLLLLLL
)65(2cos
)2(2cos
)6(2cos
20
20
20
ssac
ssbc
ssab
MMM
MMM
MMM
2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
In
WnT Tpmpem
2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
NS
永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
2
1
2
1)120sin()120sin(sin
)120cos()120cos(cos
3
20
dqabcT
1)120sin()120cos(
1)120sin()120cos(
1sincos
0
abcdqT
ppiru
ppiru
dqqq
qddd
1
1电压方程为
qqq
mddd
iL
iL
磁链方程为
电磁转矩为 )(2
3dqqdpem iinT
其中aqslaaqaalsssq
adslaadaalsssd
LLLLLMLL
LLLLLMLL
)(2
3
2
3
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3
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3
200
200
auai
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cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
qi
NS
du
qu
di
稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
dqq
qdd
iru
iru
11
11
qqq
mddd
iL
iL
qd
qdqddqpdqqdpem LL
uuLLuLEniinT
21
0 )(
2
3)(
2
3
另有
01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
u
1ri
d
1
ju
qdd iru 11
a轴
d轴
q轴
i
dqq iru 11
fdafd iM 0
qd j
ddiL
qqqiL
δ
稳态性能分析])([
2
3)(
2
3qdqdqmpdqqdpem iiLLiniinT
永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
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2
321
21
0
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LL
L
UEnT
稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
特殊结构同步电动机分类结构数学模型特性
特种同步电机的分类 特种的同步电机有永磁同步电机同步磁阻电
机和开关磁阻电机等 永磁同步电机与普通同步电机相比其励磁磁链
由位于电机转子上的永磁体产生 按照其气隙磁链波形的不同可分为永磁无刷直
流电机和永磁同步交流电机两种永磁无刷直流电机的气隙磁链和反电势波形为方波或梯形波永磁同步交流电机的气隙磁链和反电势波形为正弦波
永磁同步交流电机按照其转子永磁体的安装方式不同又分为表面贴装式永磁同步交流电机和内嵌式永磁同步交流电机
永磁交流电机按照其气隙磁链行走路线不同可分为径向磁通式轴向磁通式和横向磁通式等
永磁同步电机的转子结构
面贴式( Surface mounted Magnet ) 内嵌式( Inset Magnet )
内埋式( Interior Magnet) 磁场集中式( Flux Concentration)
面贴带极靴式
内埋式
根据转子结构导致的 Ld 和 Lq的差异永磁同步电机分为 SPMSM ( LdasympLq )和 IPMSM( LdltLq )两种
SPMSM IPMSM
IPMSM IPMSM IPMSM
IPMSM 的多层转子结构
两层转子结构的 IPMSM 具有较好的性能和较低的造价
同步电机的转子结构与其凸极率的关系
同步电机的凸极率 (Salient Ratio) LqLd
一台 30 kW 径向气隙的 IPMSM 的参数
SPMSM
IPMSM
多层 SPMSM
永磁同步磁阻电机 PMSynRM
多层永磁同步磁阻电机 PMSynRM
同步磁阻电机 SynRM
多层同步磁阻电机 SynRM
径向磁通永磁同步电机
其主磁通沿径向穿过气隙
轴向气隙永磁同步电机
其主磁通沿轴向穿过气隙(上图中有两个气隙)
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
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aaa
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1
1
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其中电压方程为
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2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
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d轴
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永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
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其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
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永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
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永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
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稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
特种同步电机的分类 特种的同步电机有永磁同步电机同步磁阻电
机和开关磁阻电机等 永磁同步电机与普通同步电机相比其励磁磁链
由位于电机转子上的永磁体产生 按照其气隙磁链波形的不同可分为永磁无刷直
流电机和永磁同步交流电机两种永磁无刷直流电机的气隙磁链和反电势波形为方波或梯形波永磁同步交流电机的气隙磁链和反电势波形为正弦波
永磁同步交流电机按照其转子永磁体的安装方式不同又分为表面贴装式永磁同步交流电机和内嵌式永磁同步交流电机
永磁交流电机按照其气隙磁链行走路线不同可分为径向磁通式轴向磁通式和横向磁通式等
永磁同步电机的转子结构
面贴式( Surface mounted Magnet ) 内嵌式( Inset Magnet )
内埋式( Interior Magnet) 磁场集中式( Flux Concentration)
面贴带极靴式
内埋式
根据转子结构导致的 Ld 和 Lq的差异永磁同步电机分为 SPMSM ( LdasympLq )和 IPMSM( LdltLq )两种
SPMSM IPMSM
IPMSM IPMSM IPMSM
IPMSM 的多层转子结构
两层转子结构的 IPMSM 具有较好的性能和较低的造价
同步电机的转子结构与其凸极率的关系
同步电机的凸极率 (Salient Ratio) LqLd
一台 30 kW 径向气隙的 IPMSM 的参数
SPMSM
IPMSM
多层 SPMSM
永磁同步磁阻电机 PMSynRM
多层永磁同步磁阻电机 PMSynRM
同步磁阻电机 SynRM
多层同步磁阻电机 SynRM
径向磁通永磁同步电机
其主磁通沿径向穿过气隙
轴向气隙永磁同步电机
其主磁通沿轴向穿过气隙(上图中有两个气隙)
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
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1
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其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
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2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
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a轴
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b轴q轴
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永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
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1)120sin()120sin(sin
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其中aqslaaqaalsssq
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稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
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另有
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其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
u
1ri
d
1
ju
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a轴
d轴
q轴
i
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稳态性能分析])([
2
3)(
2
3qdqdqmpdqqdpem iiLLiniinT
永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
永磁同步电机的转子结构
面贴式( Surface mounted Magnet ) 内嵌式( Inset Magnet )
内埋式( Interior Magnet) 磁场集中式( Flux Concentration)
面贴带极靴式
内埋式
根据转子结构导致的 Ld 和 Lq的差异永磁同步电机分为 SPMSM ( LdasympLq )和 IPMSM( LdltLq )两种
SPMSM IPMSM
IPMSM IPMSM IPMSM
IPMSM 的多层转子结构
两层转子结构的 IPMSM 具有较好的性能和较低的造价
同步电机的转子结构与其凸极率的关系
同步电机的凸极率 (Salient Ratio) LqLd
一台 30 kW 径向气隙的 IPMSM 的参数
SPMSM
IPMSM
多层 SPMSM
永磁同步磁阻电机 PMSynRM
多层永磁同步磁阻电机 PMSynRM
同步磁阻电机 SynRM
多层同步磁阻电机 SynRM
径向磁通永磁同步电机
其主磁通沿径向穿过气隙
轴向气隙永磁同步电机
其主磁通沿轴向穿过气隙(上图中有两个气隙)
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
bbb
aaa
piru
piru
piru
1
1
1
)3
2cos(
)3
2cos(
cos
m
m
m
c
b
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ccbcac
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c
b
a
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i
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LMM
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磁链方程为
)32(2cos
)32(2cos
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20
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LLL
LLL
LLL
2)(2)( 20 aaqaadsaaqaadaals LLLLLLL
)65(2cos
)2(2cos
)6(2cos
20
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20
ssac
ssbc
ssab
MMM
MMM
MMM
2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
In
WnT Tpmpem
2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
NS
永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
2
1
2
1)120sin()120sin(sin
)120cos()120cos(cos
3
20
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1)120sin()120cos(
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1
1电压方程为
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磁链方程为
电磁转矩为 )(2
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其中aqslaaqaalsssq
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d轴
b轴q轴
c轴
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qu
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稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
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其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
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永磁同步电机的矩角特性
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永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
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2
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稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
IPMSM 的多层转子结构
两层转子结构的 IPMSM 具有较好的性能和较低的造价
同步电机的转子结构与其凸极率的关系
同步电机的凸极率 (Salient Ratio) LqLd
一台 30 kW 径向气隙的 IPMSM 的参数
SPMSM
IPMSM
多层 SPMSM
永磁同步磁阻电机 PMSynRM
多层永磁同步磁阻电机 PMSynRM
同步磁阻电机 SynRM
多层同步磁阻电机 SynRM
径向磁通永磁同步电机
其主磁通沿径向穿过气隙
轴向气隙永磁同步电机
其主磁通沿轴向穿过气隙(上图中有两个气隙)
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
bbb
aaa
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1
1
1
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其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
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2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
NS
永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
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1)120sin()120sin(sin
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其中aqslaaqaalsssq
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稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
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其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
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2
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永磁同步电机的矩角特性
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永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
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2
321
21
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qd
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稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
同步电机的转子结构与其凸极率的关系
同步电机的凸极率 (Salient Ratio) LqLd
一台 30 kW 径向气隙的 IPMSM 的参数
SPMSM
IPMSM
多层 SPMSM
永磁同步磁阻电机 PMSynRM
多层永磁同步磁阻电机 PMSynRM
同步磁阻电机 SynRM
多层同步磁阻电机 SynRM
径向磁通永磁同步电机
其主磁通沿径向穿过气隙
轴向气隙永磁同步电机
其主磁通沿轴向穿过气隙(上图中有两个气隙)
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
bbb
aaa
piru
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1
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20
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ssac
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2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
In
WnT Tpmpem
2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
bubi
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a轴
d轴
b轴q轴
c轴
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永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
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电磁转矩为 )(2
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稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
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其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
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则有
2sin
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永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
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永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
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0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
径向磁通永磁同步电机
其主磁通沿径向穿过气隙
轴向气隙永磁同步电机
其主磁通沿轴向穿过气隙(上图中有两个气隙)
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
bbb
aaa
piru
piru
piru
1
1
1
)3
2cos(
)3
2cos(
cos
m
m
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c
b
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ccbcac
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c
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a
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i
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LMM
MLM
MML
磁链方程为
)32(2cos
)32(2cos
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20
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LLL
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2)(2)( 20 aaqaadsaaqaadaals LLLLLLL
)65(2cos
)2(2cos
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20
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ssac
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MMM
MMM
MMM
2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
In
WnT Tpmpem
2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
NS
永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
2
1
2
1)120sin()120sin(sin
)120cos()120cos(cos
3
20
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1sincos
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1
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磁链方程为
电磁转矩为 )(2
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其中aqslaaqaalsssq
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b轴q轴
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稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
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2
3
另有
01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
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LL
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永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
u
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稳态性能分析])([
2
3)(
2
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永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
轴向气隙永磁同步电机
其主磁通沿轴向穿过气隙(上图中有两个气隙)
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
bbb
aaa
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1
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2cos(
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20
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2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
In
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2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
NS
永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
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1
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1)120sin()120sin(sin
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稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
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其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
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2
321
21
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永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
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2
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永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
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2
321
21
0
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LL
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UEnT
稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
横向磁通永磁同步电机( Transversal-flux )
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
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磁链方程为
)32(2cos
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LLL
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)2(2cos
)6(2cos
20
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ssac
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ssab
MMM
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2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
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WnT Tpmpem
2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
NS
永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
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1)120sin()120sin(sin
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磁链方程为
电磁转矩为 )(2
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其中aqslaaqaalsssq
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LLLLLMLL
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01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
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2
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21
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永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
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稳态性能分析])([
2
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永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
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2
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0
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稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
永磁同步交流电机(PMSM)
气隙磁通密度分布为正弦波
正弦电压供电时电流也为正弦波
气隙磁力线分布为正弦波
空载电势为正弦波
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
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1
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MLM
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磁链方程为
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)32(2cos
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LLL
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20
20
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MMM
MMM
MMM
2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
In
WnT Tpmpem
2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
NS
永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
2
1
2
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其中aqslaaqaalsssq
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稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
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3
另有
01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
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LL
L
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永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
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2
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2
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永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
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2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
永磁无刷直流电机 (BLDC)
气隙磁力线分布为方波 气隙磁通密度分布为方波
空载电势为方波 方波电流供电时电压也为方波
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
bbb
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其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
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2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
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永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
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其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
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2
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0
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永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
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2
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永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
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2
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0
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稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
同步磁阻电机( SynRM )的结构
永磁辅助同步磁阻电机
凸极转子结构 多层转子结构 (TLA) 多层转子结构 (ALA)
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
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其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
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2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
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a轴
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永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
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其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
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永磁同步电机的矩角特性
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永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
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稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
三种电机的比较 三种同步电机 SynRM SPMSM IPMSM 比较之性能 Cogging torque转矩特性效率及损失
成本 定位转矩 (Cogging torque) IPMSM 与 SPMSM具有 Cogging torque其中 IPMSM较大因其具有凸极效应(Saliency) 在压缩机负载的应用上应具有较小的 Cogging torque因需具有低噪音及低振动特性
效率及损耗 IPMSM 的效率最高因其除具永磁转矩外还具有磁阻转矩其所需的定子電流最小而具有最小的铜损 SPMSM无磁阻转矩其铜损增大另外因外包钢膜上的感生涡流所造成的铁损以及较大的气隙使其效率稍低而 SynRM因无永磁转矩全靠磁阻转矩而效率较低但仍比 IM高約 2-3
成本以 SynRM為 10 当比较对象 IM IPMSM SPMSM 分別为其的 113 142 15 倍
由上之比叫可知欲得高性能高效率的控制特性可选用 IPMSM 而如欲得最低成本者可选用 SynRM 只是效率较低但仍比 IM高些
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
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piru
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1
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其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
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电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
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永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
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1)120sin()120sin(sin
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稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
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其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
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2
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永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
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永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
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稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
永磁同步电动机在相坐标系下的数学模型
ccc
bbb
aaa
piru
piru
piru
1
1
1
)3
2cos(
)3
2cos(
cos
m
m
m
c
b
a
ccbcac
bcbbab
acabaa
c
b
a
i
i
i
LMM
MLM
MML
磁链方程为
)32(2cos
)32(2cos
2cos
20
20
20
ssbb
ssbb
ssaa
LLL
LLL
LLL
2)(2)( 20 aaqaadsaaqaadaals LLLLLLL
)65(2cos
)2(2cos
)6(2cos
20
20
20
ssac
ssbc
ssab
MMM
MMM
MMM
2200 24)( sssaaqaadmls LMLLLMM
其中电压方程为
上式中 Laad(Laaq) 分别为 d 轴 (q 轴 ) 线与 a轴线重合时对应的 a 相绕组的主电感 ψm 为永磁磁极在一相定子绕组中产生的基波磁链幅值
IL
In
WnT Tpmpem
2
电磁转矩为
永磁同步电动机的组成见右图所示定子 abc 三相对称绕组 as bs 和 cs 转子永磁励磁磁极
其中
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
NS
永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
2
1
2
1)120sin()120sin(sin
)120cos()120cos(cos
3
20
dqabcT
1)120sin()120cos(
1)120sin()120cos(
1sincos
0
abcdqT
ppiru
ppiru
dqqq
qddd
1
1电压方程为
qqq
mddd
iL
iL
磁链方程为
电磁转矩为 )(2
3dqqdpem iinT
其中aqslaaqaalsssq
adslaadaalsssd
LLLLLMLL
LLLLLMLL
)(2
3
2
3
)(2
3
2
3
200
200
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
qi
NS
du
qu
di
稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
dqq
qdd
iru
iru
11
11
qqq
mddd
iL
iL
qd
qdqddqpdqqdpem LL
uuLLuLEniinT
21
0 )(
2
3)(
2
3
另有
01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
u
1ri
d
1
ju
qdd iru 11
a轴
d轴
q轴
i
dqq iru 11
fdafd iM 0
qd j
ddiL
qqqiL
δ
稳态性能分析])([
2
3)(
2
3qdqdqmpdqqdpem iiLLiniinT
永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
永磁同步电动机在转子 dq坐标系下的数学模型
按照前面介绍坐标转换的知识将同步电机定子 abc 三相绕组转换到 dq 坐标系中分别用一个 d 轴绕组 ds 和一个 q 轴绕组 qs 来代替见右图所示转换矩阵如下式所示此时同步电机只有定子 ds 和 qs 两套绕组它们都固定在转子上随转子同步旋转
2
1
2
1
2
1)120sin()120sin(sin
)120cos()120cos(cos
3
20
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1)120sin()120cos(
1sincos
0
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1
1电压方程为
qqq
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磁链方程为
电磁转矩为 )(2
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其中aqslaaqaalsssq
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LLLLLMLL
LLLLLMLL
)(2
3
2
3
)(2
3
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3
200
200
auai
bubi
cu ci
a轴
d轴
b轴q轴
c轴
r
qi
NS
du
qu
di
稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
dqq
qdd
iru
iru
11
11
qqq
mddd
iL
iL
qd
qdqddqpdqqdpem LL
uuLLuLEniinT
21
0 )(
2
3)(
2
3
另有
01111 )()( jEiLjrjiLjrjuuU qqddqd
其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
u
1ri
d
1
ju
qdd iru 11
a轴
d轴
q轴
i
dqq iru 11
fdafd iM 0
qd j
ddiL
qqqiL
δ
稳态性能分析])([
2
3)(
2
3qdqdqmpdqqdpem iiLLiniinT
永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
2sin
2
321
21
0
qd
qd
dpem LL
LL
L
UEnT
稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
稳态性能分析稳态时永磁同步电机在 dq 坐标系下的所有量都为直流量且保持不变则有
dqq
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11
11
qqq
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另有
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其中 mE 10 其稳态矢量图见右图所示在上图中 δ 为同步电机的外功率角 δrsquo 为同步电机的内功率角如不考虑定子电阻的影响两者相等根据上图所示的矢量关系在不考虑定子的情况下稳态时同步电机的电磁转矩为
在上图中有 cossin UuUu qd
则有
2sin
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2
321
21
0
qd
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LL
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永磁同步电机的矩角特性
永磁同步电动机的稳态矢量图
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永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
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2
321
21
0
qd
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dpem LL
LL
L
UEnT
稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
稳态性能分析])([
2
3)(
2
3qdqdqmpdqqdpem iiLLiniinT
永磁同步电机的电磁转矩可写为
可见永磁同步电机的电磁转矩由励磁电磁转矩和磁阻电磁转矩两部分组成
励磁电磁转矩 磁阻电磁转矩
永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 的矩角特性 永磁同步电机 IPMSM 的矩角特性可见永磁辅助同步磁阻电机 PMa-SynRM 其磁阻转矩占主要部分而永磁同步电机 IPMSM 其电磁转矩占主要部分
2sin
2sin
2
321
21
0
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稳态时为
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
开关磁阻电机开关磁阻电机是一种双凸极的磁阻电机也可以视
为一种大步距的步进电机其结构有 64 86 108和 1210 极等左图为86极结构即定子有 8个极转子有 6个极定子安装有八套集中绕组相对应极的绕组的首尾相连都成一相故 86极电机定子共有四相绕组
其优点有 (1) 转子结构简单制造成本低可获得较低的转动惯量 (2) 定子绕组为集中式绕组简单可靠 (3) 主要损耗由定子绕组产生易散热 (4) 由于转子无永磁磁体可允许较高的运行温度 (5) 简单的单极性驱动无直通问题 (6) 在没有浪涌电流的情况下可获得较高的启动转矩 (7) 可运行在极高的速度 (8) 转矩 转速特性易于调整以满足不同应用场合的需要缺点有1048729 (1)双凸极结构引起震动和噪音1048729 (2) 转矩脉动较高主要应用场合(1)已获得应用的场合Washing machineVacuum blowerMotorcy
cleAutomotive cruise control drives(2) 正在考虑应用的场合 Conventional automotive actuatorsAerospace starter-generatorsHigh-speed adjustable speed fluid PumpsRobotic prime movers
定子结构 转子结构
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
每相电压方程
转矩方程
控制方法低速电流斩波控制高速控制每相绕组的导通角和关断角
理想状态每相电感波形
电动状态电流波形
电磁转矩产生机理
制动状态电流波形
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
采用的驱动装置
转矩产生的机理
典型的每相电流波形
Application Characteristics of Variable Speed Drives
Application Characteristics of Variable Speed Drives