永磁同步电机的原理和结构

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第一章永磁同步电机的原理及结构

1.1永磁同步电机的基本工作原理

永磁同步电机的原理如下在电动机的定子绕组中通入三相

电流，在通入电流后就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场，

由于在转子上安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，依据磁

极的同性相吸异性相斥的原理，在定子中产生的旋转磁场会带

动转子进行旋转，最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋

转磁极的转速相等，所以可以把永磁同步电机的起动过程看成

是由异步启动阶段和牵入同步阶段组成的。在异步启动的争辩

阶段中，电动机的转速是从零开头渐渐增大的，造成上诉的主

要缘由是其在异步转矩、永磁发电制动转矩、

由转子磁路不对称而弓起的磁阻转矩和单轴转近等一系列的因素共同作用

下而引起的，所以在这个过程中转速是振荡着上升的。在起动

过程中，只有异步转矩是驱动1•颗的转矩，电动机就是以这转矩来得以加

速的，其他的转矩大部分以制动性质为主。在电动机的速度由

零增加到接近定子的磁场旋转转速时，在永磁体脉振转矩的影

响下永磁同步电机的转速有可能会超过同步转速，而消灭转速

的超调现象。但经过一段时间的转速振荡后，最终在同步转矩

的作用下而被牵入同步。

1.2永磁同步电机的结构

永磁同步电机主要是由转子、端盖、及定子等各部件组成的。

一般来说，永磁同步电机的最大的特点是它的定子结构与一般

的感应电机的结构格外格外的相像，主要是区分于转子的独特

的结构与其它电机形成了差别。和常用的异步电机的最大不同

则是转子的独特的结构，在转子上放有高质量的永磁体磁极。

由于在转子上安放永磁体的位置有很多选择，所以永磁同步电

机通常会被分为三大类：内嵌式、面贴式以及插入式，如图1.1

所示。永磁同步电机的运行性能是最受关注的，影响其性能的

因素有很多，但是最主要的则是永磁同步电机的结构。就面贴

式、插入式和嵌入式而言，各种结构都各有其各自的优点。

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图1-1

面贴式的永磁同步电机在工业上是应用最广泛的，其最主

要的缘由是其拥有很多其他形式电机无法比拟的优点，例如其

制造便利，转动惯性比较小以及结构很简洁等。并且这种类型

的永磁同步电机更加简洁被设计师来进行对其的优化设计，其

中最主要的方法是把气隙磁链的分布结搬计成近似正弦的分布，n寻其分

布结构改成正弦分布后能够带来很多的优势，例如

能减小磁场的谐波以蛇所带来的负面效应，应用以上的方法能够很好的

改善电机的运行性能。插入式结构的电机之所以能够跟面贴式

的电机相比较有很大的改善是由于它充分的利用了它设计出的

磁链的结构有着不对称性所生成的独特的磁阻转矩能大大的提

高了电机的功率密度，并且在也能很便利的制造出来，所以永

磁同步电机的这种结构被比较多的应用于在传动系统中，但是

其缺点也是很突出的，例如制作成本和漏磁系数与面贴式的相

比较都要大的多。嵌入式的永磁同步电机中的永磁体是被安置在

转子的内部，相比较而言其结构虽然比较简单，但却有几个很

明显的优点是毋庸置疑的，由于有高气隙的磁通密度，月以很明显的

它跟面贴式的电机相比较就会产生很大的转矩；由于在转子永

磁体的安装方式是选择嵌入式的，所以永磁体在被去磁后所带

来的一系列的危急的可能性就会很小，因此电机能够在更高的

旋转速度下运行但是并不需要考虑转子中永磁体是否会由于离

心力过大而被破坏。

为了体现永磁同步电机的优越性能，与传统异步电机来进

行比较，永磁同步电机特殊是最常用的稀土式的永磁同步电机

具有结构简洁，运行牢靠性很高；体积格外的小，质量特殊的

轻；损耗也相对较少，效率也比较高；电机的外形以及大小可

以机敏多样的变化等比较明显的优点。正是由于其拥有这么多

的优势所以其应用范围格外的广泛，几乎遍及航空航天、国防、

工农业的生产和日常生活等的各个领域。永磁同步电动机与感

应电动机相比，可以考虑不输入无功励磁电流，因此可以格外

明显的提高其功率因素，进而削减了定子上的电流以及定子上

电阻的损耗，而且在稳定运行的时候没有转子电阻上的损耗，

进而可以因总损耗的降低而减小风扇(小容量的电机甚至可以

不用风扇)以及相应的风磨损耗，从而与同规格的感应电动机

相比较其效率可以提高2-8个百分点。

1.3永磁同步电机的数学特性

先对永磁同步电机的转速进行争辩，在分析定子和转子的磁

动势间的转速关系时，假定转子的转速为?r/min,所以转子的磁动势

相应的转速也为nr/min,所以定子的电流相应的频率是f=7X,

由于定子旋转的磁动势的旋转速度是由定子上的电流产生鬲，

所以应为

60f60pn

叫=---------二---------------=n

pp60

(1.1)

可以看出转子的旋转速度是与定子的磁动势的转速相等的。

对于永磁同步电机的电压特性争辩，可以利用电动机的惯例

来直接写出它的电动势平衡方程式

U=E0+j/dxd+jlqxq

(1.2)

对于永磁同步电机的功率而言，同样依据发电机的惯例

能够得到永磁同步电机的电磁功率为

2

DUE。.*U11._

Pw=m-----smo+m——---------sin2d

%21%xj

(1.3)

对于永磁同步电机的转矩而言，在恒定的转速［下，转

矩和功率是成正比的，所以可以得到以下公式

PMmUE.mU211

T=-=------sind+----------------sin2d

。］2。］Ixxd

(1.4)

其次章永磁同步电机物理模型开环仿真

2.1永磁同步电机模块及仿真

下面对永磁同步电机物理模型的开环进行仿真，在仿真之

前先介绍各个单元模块，以便于对模型进行更好的仿真。

2.1.1物理单元模块

逆变器单元，逆变是和整流相对应的，它的主要功能是把直

流电转变成沟通电。逆变可以被分为两类，包括有源逆变以及

无源逆变。其中有源逆变的定义为当沟通侧连接电网时，称之

为有源逆变；当负载直接与沟通侧相连时，称之为无源逆变。

以图2-1的单相桥式逆变电路的例子来说明逆变器的工作

原理。

SIS3/

io负载

Ud

Uo

S2/S4/

图2-1逆变电路

图27中S1-S4为桥式电路的4个臂，它们是

由电力电子器件及其帮助电路组成的。当开关S1、S4闭合，S2、S3

断开时，负载电压u。为正；当S1、S4断开，S2、S3闭合时，u0

为负，其波形如图2-2所示。

Uo

图2-2逆变电路波形

通过这个方法，就可以把直流电转变成沟通电，只要转变

两组开关相应的切换频率，就可以转变沟通电的输出频率。这

就是逆变器的工作原理。

当负载是电阻时，负载电流i。和电压u。的波形是相同的，

相位也相同。当负载是阻感时，i。的基波相位滞后于u0的基波,

两者波形的外形也不同，图2-2给出的是阻感负载时的i。的波

形。设工时刻断开S1、S4,同时合上S2、S3,则u。的极性马上

变为负的。但是，正是由于负载中存在着电感，其中的电流极

性仍将维持原来的方向而不能马上转变。这时负载电流会从直

流电源负极而流出，经过S2、负载和S3再流回正极，负载电感

中储存的能量会向直流电源发出反馈信号，负载电流要渐渐减

小，到七2时刻降到零，之后i。才开头并反向增大。S2、S3断开,

S1、S4闭合时的状况类似。上面是S1-S4均为抱负开关时的分

析，实际电路的工作过程要比这更简单一些。

逆变电路依据直流侧电源性质的不同可以被分为两种：直

流侧为电压源的称为电压型逆变电路；直流侧为电流源的称为

电流型逆变电路。它们也分别被称为电压源逆变电路和电流源

逆变电路。

三相电压型逆变电路是由三个单相逆变电路而组成的。在

三相逆变电路中三相桥式逆变电路应用的最为广泛。如图2-3

所示的三相电压型桥式逆变电路是采用IGBT作为开关器件的,因此可

以很明显的看出它是由三个半桥逆变电路组成的。

十。

图2-3三相电压型桥式逆变电路

如图2-3所示的电路的直流侧一般只用一个电容器就可以了，但

是为了便利分析，画出了串联的两个电容器并且标出假想的中点No

单相半桥和全桥逆变电路是具有很多相像点的，三相电压型桥式逆变

电路也是以180度的导电方式作为其基本的工作方式，同一半桥上下

两个臂交替着导电，每相之间开头导电的角度以120度相错开。这样

在任何时候，将会有三个桥臂同时导通。也可能是上面一个下面两个,

也可能是上面两个下面一个同时导通。它之所以被称为纵向换流是由

于每次换流都是在同一相上的两个桥臂之间互换进行。

逆变器的参数设置如图2-4所示

BlockParameters:UniversalBridge

UniversalBridge(sask)(link)

Thisblockispleznentabridgeofselectedpowerelectronicsdevices.SeriesRC

snubbercircuitsareconnectedinparallelwitheachswitchdevice.PressHelpfor

suggestedsnubbervalueswhenthemodelisdiscretized.Foraostapplicationsthe

internalinductanceLonofdiodesandthyristorsshouldbesettozero

Cancel

图2-4逆变器模块参数设置

六路脉冲触发器模块，如图2-5所示

Synchronized

6-PulseGenerator

alpha-deg<

AB<

<pulsesBC<

CA<

Block<

图2-5六路脉冲触发器模块

同步六路脉冲发生器模块可用于很多领域。六路脉冲触发器的主要

部分是六个晶闸管。该模块的输出是一个六脉冲单独同步的六晶闸管电压

矢量。下面的图表显示了一个0度的a角的六路脉冲。如图2-6所示

图2-6六路脉冲触发器输出的脉冲

aipha_deg

输入一个夕放射信号，以度的形式。该输入可以连接到一个恒

定的模块或者它可以连接到把握系统来把握发电机的脉冲

AB、BC、CA

为输入的ABC三相的线电压

Freq

频率的输入端口，这种输入应当连接到包含在赫兹的基本频率,

恒定的模块。

BIock

六路脉冲触发器的参数设置如图2-7所示

QFunctionBlockParameters:Synchronized6-PulseGenerator

Synchronized6-pulsegenerator(aask)(link)

Usethisblocktofirethe6thyristorsofa6-pulseconverter.The

outputisavectorof6pulses(0~l)individuallysynchronizedon

the6cozmutationvoltages.Pulsesaregeneratedalphadegreesafter

theincreasingzero-crossingsoftheconautationvoltages.

OKCancelHelpApply

图2-7六路脉冲触发器参数设置

2.1.2永磁同步电机模型仿真结果

本文在基于Matlab下建立了永磁同步电机的开环电机模型

的仿真。

PMSM的参数设定为：电机的额定电压为220V,额定电流为

3A,额定机械转速为3000rpm,极对数为2,电磁输出功率为900W,

定子阻抗为4.3Q,直轴感抗为0.027H,交轴感抗为0.067H,漏

磁通储为0.272wb,转动惯量J为0.00179kgm2,粘滞摩擦系数

B为0。

得到的仿真结果图如图2-9所示

图2-9电机转速曲线

从图中的曲线可以看出，电机转速给定值为3000N(pm),从电机

起动开头，速度渐渐上升，达到给定值需要的时间比较长，换句话说

就是电机的响应时间较长，而且在达到稳定值四周时的转速波动也比

较大，可能是由于永磁同步电机的内部结构很简单，也可能是跟电机

没有任何把握有关，期望在搭建了速度转矩双闭环把握后的转速的响

图270永磁同步电机转矩曲线

从图中可以看出，在永磁同步电机起动后转矩的值在零的

四周波动，波动范围还是比较大，产生波动的主要缘由还是电

机简单的内部结构，以及在没有任何把握的状况下才消灭的，

期望在搭建成速度转矩双闭环把握下可以使其波动的范围减

小，无限的接近于零。

电流的仿真结果如图2-11所示

图271永磁同步电机电流曲线

对于永磁同步电机开环物理模型仿真的电流，电流在电机

开头运行时电流会在短时间内上升并振荡，但很快就接近与零

值并且在零值四周波动。

第三章永磁同步电机双闭环仿真

3.1永磁同步电机双闭环仿真模型

在MATLAB下的SIMULINK环境中，利用其中的各种模块，建

立了永磁同步电机双闭环把握系统仿真模型。该系统是由PI把

握器构成的速度环和滞环电流把握器建■的电流环共同把握的

双闭环把握系统。通过给定转速与实际转速的比较产生的误差，

将产生的误差信号送入PI把握器，再由PI把握器送达转速把

握模块。并通过坐标变换产生的参考电流，与PMSM输出的实际

电流相比较，再通过桥路逆变器产生输入PMSM的三相电压，经

过坐标变换后直接输入到PMSM本体把握其运行。最终达到在利

用双闭环把握系统的把握下能够实现实际转速与期望转速相全

都的目的。

依据模块化的思想，我们可以将系统的整体结构划分为以

下几个主要部分：

PMSM电机本体模块，转速控制模块,转矩控制模块，坐标变换模块，电流控制模块,

电压逆变模块。

3.1.1PMSM本体模块

在整个仿真过程中，电机本体模块是其中最重要的模块之

o依据公式可得到永磁同步电机的机械转速以及电子转速公

式:

Iff八

3mdt

y

(3.1)

而

8厂

（P为极对数）

⑶2)

则可以建立如下的电机本体模块，如图3-2所示:

►1/S

Integrator

wr=0ifwr<0►6

out_6

Y<，K7

图37PMSM电机本体模块

3.1.2转速把握模块

转速把握模块是由比例积分把握器依据比例积分把握原

理建立的，如图3-3所示的比例积分PI把握模块。在本体模块

中取的比例积分为0.5,积分增益为0.01,定子电流输出的限

幅为［-5,5］。

Integrator

图3-2PI把握模块

3.1.3转矩把握模块

本次仿真是以常量转矩把握为转速把握的方式，即当实际

转速小于额定的转速时，取交轴期望电流iq*与供应的定子电流

.*

相等，而直轴的期望电流1,大小为0,角。二90。°则

(3.3)

由此可以看出转矩与电机交轴电流之间存在肯定的线性关

系。在仿真过程中是由程序实现的，转矩把握模块也是依据以

上的原理建立的。

3.1.4坐标变换模块

在仿真中，主要有4个坐标变换的模块：两相旋转坐标系

向两相静止坐标系变换(d一q至ij«一°),两相静止的坐标系

向三相坐标是变换(a—p到abc),以及三相坐标系向两相静

止坐标系变换(abc到a—/3),两相静止坐标系向两相旋转坐

标变换(a—£到d—q),同类变换的电压和电流变换式相同。

相应的坐标变换公式如下所示：

两相旋转坐标系向静止坐标系变换:

=idcos0-iqsinO

(3.4)

ip-idsin6+[cos。

(3.5)

两相静止坐标系向三相坐标系变换:

(3.6)

(3.7)

(3.8)

相应的反变换为:

2k+

(3.9)

(3.10)

id=\acos0+ipsin。

(3.11)

iq--iasin8+i?cos0

(3.12)

依据坐标变化公式（一）可以建立如图3-3、图3-4、

图3-5.图3-6的坐标变换模块。

1

in1

Product3

图3-3d-g到o-夕坐标变换

A1

out_1

图3•—4a—3到abc坐标变换

1

in1

2

in

3

Sum1Gain1out_2

in_3

图3—5abc到a-0坐标变换

Product3

图3—6a-3到d-q坐标变换

3.1.5电流把握模块

对于电流把握方式而言，接受的是滞环把握。首先确定一

个期望值，依据滞环的带快要在期望值的两侧来确定一个范围，

当实际输出电流达到滞环宽度以上的时候，就会输出高值信号，

从而达到对输出电流调整的目的。

滞环把握器的模块是依据滞环把握原理搭建的，如图3-7

所示。在图3-7中首先将实际电流与期望电流进行比较后产生

误差，再经过滞环把握器后产生三相电压信号。然后经过数据

规律非运算器器件和类型变换装置产生IGBT桥路6个IGBT管

的门极脉冲信号。因同一相上的桥臂的管子触发脉冲是相反的，

所以只要在原来的三相脉冲信号上加上规律非即可构成相应的

6路脉冲触发信号，把握各个IGBT管的导通以及关闭。

在本次仿真中，滞环的宽度设为0.1当期望电流与实际电

流的误差不小于滞环带的宽度时，滞环把握器即开通，输出值

为1,当误差小于滞环宽度的负值时，滞环把握器即关断，输出

为0。

1

labc

►1

gatesignal

2

Iref

Logical

Operator2

图3—7滞环把握器结构

3.1.6电压逆变器模块

电压源逆变器如图3-8所示，依据3.1.5小结小节中我们

争辩的电流把握器，它能够产生出IGBT的门极信号，并且通过

这个信号来把握每个IGBT管的导通以及关断。由直流电源产生

的三相电流与三相实际电流值同时作用在负载上，依据误差的

大小来产生输入到PMSM的三相电压Vabc,通过这个产生出来的

三相电压来调整PMSM的实际转速也能同时调整交直轴的电流，

最终达到实际值与期望值相等的目的。这个逆变桥的IGBT管是

选用的IRGIB10B60KD1o为了得到相对更好的电流波形，要在

IGBT桥路三相电流输出端加上一个滤波器，右边的负载电阻全

取为1。，直流电压为20V,左下角独立的部分是IGBT桥路中流

经IGBT管的电流以及电压的测量装置，可通过它得到流经每个

IGBT管的电压和电流，要想得到IGBT管上的损耗功率只需将同

一个IGBT管的电压电流和电压相乘即可，要想得到在一段时间

内单个IGBT管上的消耗功率的总和，可以在功率输出端放上一

个积分器输出值即可得到。

图3—8电压逆变器结构

3.2仿真结果

►time

ContinuousToWorkspaces

powergui

►Wf

►is

labcout

►Yd

gatesignal--►labc

Controt

Productdq->alfa-betaV&bc

teta.id.iqHysteresisCurrentControl

Switch

gatesignal

ts

gatesignal

ConstantSumi

currentcontrolandinverter

Constant1dq->altabetaaliabeta

teta.id,iq

►WrWorksp近即CUEControl1

id

Control1

iq

*►Torque

►PM-SMToWorkspace1

►cos(u(1))

alia-beta->dq►-K-

Sum2teta.iallaJbeta►FenGain3T°Wo<kspace4

aita-betaProduct1

PM-SM

motormodel1

►speed

Switch1ToWorkspaces

LoadTorque

Gain1

60<-

Samploandhold

Samplingblock

图3-9整体仿真框图

本文基于MATLAB中的SIMULINK建立出了永磁同步电机

的双闭环把握系统的电机模型，这是一种新的电压变换结构及

电流把握方法，以此方法为基础对此双闭环模型进行了实际的

仿真。PMSM的参数设定如下：电机的额定电压为220V,额定电

流为3A,额定机械转速为1700rpm,极对数为2,电磁输出功率

为900W,定子阻抗4.3Q,直轴感抗为0.027H,交轴感抗0.067H。

漏磁通乙为0.272wb,转动惯量J为0.00179kgn?,粘滞摩擦系

数B为0.

本次仿真就是为了验证所设计的PMSM双闭环把握系统的仿

真模型的静、动态性能是否得到改善，是否达到预想的结果以

及系统空载启动的性能是否良好它的优越性能否体现出来，系

统先是在空载状况下启动，在t=0.4s时突加负载2Nm,可以得

到系统转速、转矩、直轴交轴电流以及A相电流的仿真曲线。

给定参考转速为200rad/s,滞环宽度取为0.1。

图370永磁同步电机双闭环把握转速

15

图3.11永磁同步电机双闭环把握转矩

图3.12永磁同步电机双闭环）电流曲线

图3.14永磁同步电机双闭环i电流曲线

通过上面的仿真图可以很明显的看出：在给定的参考转速不

变的状况下，系统从接收到信号到能够响应需要的时间很短并

且上下的波动不是很大总体来看还是很平稳的，在起动阶段系

统是保持转速恒定的，并且在空载稳定速度下运行时，不考虑

系统的摩擦转矩，因此此时的电磁转矩的平均值为零，交轴和

直轴电流以及相电流的平均值也接近为零。在突然加上负载后，

转速发生了突然的下降，但是又能比较快的恢复到稳定的状态，

稳态运行时转速没有静差，但突然加上负载后，电磁转矩就会

略有增大，这是由于开关的频繁切换所造成的。稳态时，电磁

转矩等于负载转矩，直轴电流的平均值为零，交轴电流均值增

大，相电流为正弦波形，这很符合永磁同步电机的特性。仿真

结果表明电机的动静态性能比较好，得到仿真之前预期的目的，

说明建仿照真的方法是比较抱负的，是正确的。

第四章永磁同步电机开环和双闭环仿真比较

通过其次章的争辩和分析，可以看出永磁同步电机在开环的

运行形式下，得到的转矩、电流、转速的波形跟我们想要的效

果有很大的差距，其中会消灭从起动开头，达到稳定的时间比

较长，而且到达稳定时的效果也比较差，波形很明显。这主要

是由于开环运行的条件下系统普遍存在的问题较多

(1)在开环系统中，各种参数间相互之间影响并且相互制

约着，所以很难再对调整器的参数进行更好的调整，因而系统

的动态性能的缺陷很明显，在这种状况下不是很抱负。

(2)任何扰动在转速消灭偏差后也无法调整，因而转速动

态降落较大。

相对开环来讲在第三章争辩的永磁同步电机的双闭环把握

系统就对电机调整的优势就很明显，如仿真结果表明：对永磁

同步电机双闭环把握系统的仿真结果进行波形分析，可以很清

楚的看到其的合理性，并且系统能够在格外平稳的状态下运行,

跟开环把握