永磁同步电动机转子位置辨识本科毕业设计(编辑修改稿)

永磁同步电动机转子位置辨识本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

a)梨形槽 b)梯形槽 图 22 定子槽形 为提高零部件的通用性、缩短开发周期，在进行永磁同步电动机设计时，常常选用感应电动机的定子冲片、机壳、端盖和轴等。 中国矿业大学 2020 届本科生毕业设计 第 6 页 转子结构 按照转子是否有起动笼，可将转子结构分为实心永磁转子和笼型永磁转子两种。 实心永磁转子结构铁心由整块钢加工而 成，上面铣出槽以放置永磁体。 这种结构靠旋转磁场在转子铁心感应的涡流产生的转矩起动，无需起动绕组。 有时为提高起动转矩，采用表面镀铜的方法增大涡流。 笼型永磁转子是最常见的结构，转子铁心由 ，上面冲有均匀分布的槽，通常采用半闭口槽，如图 23a)~d)所示。 小功率电动机可采用图 23a) 、图 23b)所示的槽型。 为增强集肤效应、提高起动转矩，可采用图 23c)所示的凸形槽和图 23d)所示的刀形槽。 但由于转子上要放置永磁体，槽一般不深，电流的趋肤效应没有同功率感应电动机那么明显。 图 23e)、图 23f)所示的闭口槽也有一定的应用，它可以简化冲模制造、减小杂散损耗，且不影响运行时的功率因数，但转子漏抗较大，对起动性能有一定影响。 需要注意的是，当选用内置径向式转子磁极结构且转子槽形尺寸较小时，通常采用平底槽，以保证合适的隔磁磁桥，避免过大的漏磁系数。 当转子槽形尺寸足够大时，也可采用圆底槽。 a) b) c) d) e) f) 图 23 转子槽形 感应电动机中通常采用转子斜槽，但在永磁同 步电动机中，鉴于因有永磁体槽而不便斜槽，一般将电动机的定子叠片沿轴向扭斜一定距离以削弱谐波，减小电动机杂散损耗和附加转矩。 转子笼型绕组有铜导条焊接式和铸铝式两种。 前者在转子槽内插入铜导条，在转子铁心两端各放置一个铜端环，将铜端环和导条焊接在一起 ； 后者采用离心铸铝或压力铸铝工艺，将导条、风扇和端环一次铸出。 与焊接法相比，铸铝式具有工艺简单、成本低的优点，因此永磁同步电动机通常采用铸铝转子。 永磁体的固定方式有两种 ： 一是在永磁体上涂树脂，然后插入转子铁心，树脂凝固后将永磁体和转子铁心固定在一起 ； 二是先将永磁体插 入转子铁心，然后在铁心两端加非磁性端环，端环固定在转子铁心上。 永磁同步电动 机的转子磁极结构型式 永磁同步电动机转子磁极结构不同，则其运行性能、控制系统、制造工艺和适用场合也不同。 永磁同步电动机可采用多种转子磁极结构，通常永磁体放置在转子 中国矿业大学 2020 届本科生毕业设计 第 7 页 上，其放置的方式影响到气隙磁通、漏磁乃至电机的性能，是永磁同步电动机设计中的核心问题。 根据永磁体在转子上放置的位置不同，分为表面式和内置式两种转子磁极结构。 1) 表面式转子磁极结构 a) b) 1—铁心； 2— 永磁体； 3— 导条； 4— 护环； 5— 极间填充物； 6— 轴 图 24 表面式转子磁极结构 表面式转子磁极结构永磁体用高强度非导磁圈固定在笼型转子的外部，磁极之间可以用非导磁材料，如树脂、铝、铜等填充，也可用导磁材料填充，其结构如图24 所示。 这种结构中，永磁体通常呈瓦片形，永磁体提供磁通的方向为径向，且永磁体外表面与定子铁心内圆之间一般仅套以起保护作用的非磁性圆筒，或在永磁磁极表面包以无纬玻璃丝带作保护层。 当极数较少时，每极永磁体圆弧角度较大，材料利用率低、加工困难，可以采用拼块式结构，由多块永 磁体拼成整个磁极。 表面式转子磁极结构的缺点是 :导条在转子内部，产生的异步转矩较小，仅适合于对起动性能要求不高的场合。 2) 内置式转子磁极结构 内置式转子磁极结构中，永磁体位于导条和铁心轴孔之间的铁心中，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，极靴中可以放置铸铝笼或铜条笼，起动阻尼或（和）起动作用，动、稳态性能好，广泛用于要求有异步起动能力或动态性能高的永磁同步电动机。 按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，内置式转子磁极结构可分为径向式、切向式和混合式三种。 a. 径向式 结构 径向式 结构 是指稀土 永磁体产生的磁通方向是沿转子圆的半径方向，优点是漏 中国矿业大学 2020 届本科生毕业设计 第 8 页 磁路磁阻较大，漏磁系数小，转轴上不需采取隔磁措施，极弧系数易于控制，转子冲片的机械强度高等。 如图 25 所示为典型的径向式转子磁极结构，其永磁体轴向插入永磁体槽并通过隔磁磁桥限制漏磁通，结构简单，运行可靠，转子机械强度高，近年来得到广泛应用，其中图 25a)所示径向式结构为美国的专利，图 25b)所示的V形结构最早见于英国某产品中，该结构有效的利用了转子空间。 a) b) 1— 转轴； 2— 永磁体槽； 3— 永磁体； 4— 转子导条 图 25 内置径向式转子磁极结构 b．切向式结构 切向式结构是指稀土永磁体产生的磁通方向是沿转子圆周的切线方向，这种结构的漏磁路磁阻相对小一些，漏磁系数较大，并需采取相应的隔磁措施，优点是一个极距下的磁通由相邻两个磁极并联提供，可得到更大的每极磁通，尤其是当电动机极数较多、径向结构 不能提供足够的每极磁通时，该结构的优势更为突出。 图26 所示为两种典型的切向式 转 子磁极结构，其中图 a)所示切向结构永磁体内侧采用非磁性套筒或非磁性转轴；图 b)所示切向 结构利用空气隙隔磁，省去了图 a)中的隔磁套，转子冲片具有整体性，当励磁不足时还可在隔磁槽中放置永磁体来增加励磁。 中国矿业大学 2020 届本科生毕业设计 第 9 页 a) b) 1— 转轴； 2— 空气隔磁槽； 3— 永磁体； 4— 转子导条 图 26 内置切向式转子磁极结构 c．混合式结构 混合式结构集中了径向式和切向式转子磁极结构的优点，但其结构和制造工艺均较复杂，制造成本较高。 a) b) 中国矿业大学 2020 届本科生毕业设计 第 10 页 c) d) 1— 转轴； 2— 永磁体槽； 3— 永磁体； 4— 转子导条 图 27 内置混合式转子磁极结构 如图 27 所示为四种典型的混合式转子磁极结构，其中图 a)所示结构是由德国西门子公司发明的，需采用非磁性转轴或采用隔磁铜套，主要用于剩磁密度较低的铁氧体永磁同步电动机，随着永磁材料的高速发展，这种结构已失去其优势；图 b)所示结构近年来用得较多，也采用隔磁磁桥隔磁，这种结构的径向部分永磁体磁化方向长度约是切向部分永磁体磁化方向长度的一半；图 c)和 d)是由图 25 径向 式结构衍生来的两种混合式转子磁极结构，其永磁体的径向部分与切向部分的磁化方向长度相等，也采取隔磁磁桥隔磁。 图 25a)和 b)、图 27c)和 d)这四种结构中，转子依次可为安放永磁体提供更多的空间，空载漏磁系数也依次减小，但制造工艺依次更复杂，转子冲片的机械强度也依次有所下降。 永磁同步电机的特点 在上面的章节中， 可以看到各种永磁同步电机的转子结构差异很大，但是由于永磁材料的使用，永磁同步电机具有以下几种特点 ： 1. 电机转速与电源频率始终保持准确的同步关系，控制频率就能控制转速 ； 2. 永磁同步电机具有较硬的机械 特性，对于因负载变化而引起的电机转矩的扰动具有较强的承受能力 ； 3. 永磁同步电机转子上有永久磁铁无需励磁，因此电机可以在很低的转速下保持同步运行，调速范围宽。 与其它电机相比，永磁同步电机具有以下优点 ： 1. 电机电磁转矩纹波系数小，运行平稳，动态响应快，过载能力强。 永磁同步电机比异步电机对电压和转矩扰动具有更强的承受能力。 异步电机负载转矩发生变化时，要求电机转差也跟随变化，也就是转速发生变化，但系统转动部分的转动惯量阻碍转速的相应变化，降低了响应频率。 而永磁同步电机的 中国矿业大学 2020 届本科生毕业设计 第 11 页 负载转矩发生变化时，仅需要电机的功角适当改变， 而转速维持在原来的同步转速不变，则转动部分的转动惯量不会影响电机转矩的快速响应，瞬间最大转矩可达到额定转矩的三倍以上，使永磁同步电机非常适合在负载转矩变化较大的场合下运行 ； 2. 永磁同步电机具有高功率因数和高效率，显示出明显的节能效果。 永磁同步电机用永磁体代替电励磁，无励磁损耗，由于定、转子同步，转子铁心没有铁耗，因此永磁同步电机的效率较电励磁同步电机和异步电机高，且不需要从电网吸取滞后的励磁电流，从而节约了无功功率，提高了电机的功率因数。 永磁同步电机在 25%120%额定负载范围内均可保持较高的功率因数和效率 ，使轻载运行时节能效果更为显著，在长期使用过程中可大幅度地节省电能 ； 3. 稀土永磁同步电机较异步电机尺寸大大减少，重量较轻，且转子结构大大简化，提高了电机运行的稳定性 ； 4. 结构多样化，应用范围广。 由于转子结构的多样化，衍生出许多特点和性能各异的品种，从工业到农业，从民用到国防，从日常生活到航空航天，从简单电动工具到高科技产品，几乎处处涉及 ； 5. 永磁同步电机没有电刷，结构简单，系统的可靠性高。 由于 永磁同步电动机的转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。 因此，当转子旋转时，在定子上产 生的反电动势波形也有两种： 一种为梯形波， 被成为无刷直流电机（ Brushless DC Motor, BLDCM）；另一种为正弦波，被成为永磁同步电动机（ Permanent mag synchronous Machine, PMSM）。 本文主要针对的是 PMSM [3]。 第三 章 永磁同步电动机的工作原理及数学模型 永磁同步电动机的工作原理 图 31 永磁同步电动机工作原理示意图 中国矿业大学 2020 届本科生毕业设计 第 12 页 当永磁同步电动机的定子 三相对称绕组 通入三相交流电时，三相电流在定子绕组的电阻上产生电压降。 由三相交流电 产生旋转磁 场 N S1。 旋转磁场的转速为 11 60fn p。 由于 转子 为 永磁体，产生恒定磁场 N S2。 定子磁场 N S1 与转子磁场 N S2 之间产生磁拉力，从而产生电磁力矩拖动转子与定子磁场同步旋转。 坐标变换原理 大多数常用的交流电机都是三相电机，但我们在进行分析计算时经常使用的 是静止 αβ坐标轴系及同步旋转 dq坐标轴系，因此必须进行三相到两相之间，两相静止到两相旋转之间的变换。 三相对称绕组通过对称三相电流将产生幅值恒定的旋转磁场。 然而这个恒定幅值的磁场也 可由两相对称绕组中的对称两相电流来产生。 事实上，一组对称多相电流量是可以用另外一组多相电流来代替，只要它们产生的磁场 (包括幅值和分布 )在任何时刻都是相同的，那么这种代替就是等效的 [4]。 图 32 所示是常用的三个坐标轴系，即静止三相坐标轴系、静止 αβ 坐标轴系及同步旋转 dq 坐标轴系的示意图，其中 θ 是两相静止 αβ坐标系 α 轴和同步旋转 dq 坐标系 d 轴之间的夹角。 三个轴系的位置及相互间关系按 MATLAB 中惯例来设置，本论文中所涉及的坐标轴系如无特殊说明均遵循这一惯例。 0qd CBA 图 32 三种常用坐标轴系 为满足三相绕组的合成磁势与两相绕组的合成磁势相等的原则，定义 C3/2为三相静止坐标系到两相静止 αβ 坐标系的变换矩阵 (以下简称 3/2 变换矩阵 ) 中国矿业大学 2020 届本科生毕业设计 第 13 页 得： 33 / 221 1 / 2 1 / 20 3 / 2 3 / 21 / 2 1 / 2 1 / 2NCN （ ） 其中 N N3 分别是三相绕组和两相绕组每相的有效匝数，矩阵存在第三行是因为考虑三相电流之和不等于零，两相坐标轴系中存在零序电流 i0。 由两相定子坐标系到三相定子坐标系变换矩阵 (以下简称 2/3 变换矩阵 )可以由 3/2 变换矩阵求逆获得 ： 22 / 331 0 1 / 22 1 / 2 3 / 2 1 / 23 1 / 2 3 / 2 1 / 2NCN   （ ） 在变换过程中，保持了矢量的幅值不变。 如果在变换过程中还要满足保持功率不变条件，并使电流电压具有同一变换矩阵，则变换矩阵系数 32NN 等于 23 ，可得。 3 / 21 1 / 2 1 / 22 0 3 / 2 3 / 23 1 / 2 1 / 2 1 / 2C （ ） 当 A、 B、 C 各相绕组上的电压与电流分别为相位互差 1。