雙凸極永磁電機dspm的研究

0雙凸極永磁同步電機自90年代中期以來，隨著電氣工程電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機科學(xué)的進(jìn)步，以及新型磁強材料的出現(xiàn)，雙凸極永興同步電機的獨特結(jié)構(gòu)和良好的電氣性能吸引了越來越多的關(guān)注和研究，成為電氣工程領(lǐng)域的一個獨特研究方向。論文主要研究在Matlab/Simulink軟件環(huán)境下對雙凸極永磁電機建模和仿真,為理論分析和設(shè)計DSPM調(diào)速系統(tǒng)提供了一種有效的實驗方法。1dspm電機的工作原理圖1為定子永磁型8/6極DSPM電機剖面圖。DSPM電機結(jié)構(gòu)與開關(guān)磁阻電機很相似,定、轉(zhuǎn)子均為以凸極結(jié)構(gòu),定、轉(zhuǎn)子鐵芯均由硅鋼片疊壓而成,但是在定子軛部嵌入了永磁體。定子上有集中繞組,轉(zhuǎn)子上沒有繞組。定轉(zhuǎn)子極數(shù)不相等,為避免單邊磁拉力,徑向是對稱的,所以定轉(zhuǎn)子齒數(shù)為偶數(shù)。它們極數(shù)組合可以是6/4極,8/6極,12/8極或其它合理組合。DSPM電機基本工作原理可用圖2加以說明,當(dāng)磁鏈增大時,在繞組中通入正電流;當(dāng)磁鏈減小時,在繞組中通入負(fù)電流,從而在整個通電周期內(nèi)始終可以產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩(這是與開關(guān)磁阻電機的主要區(qū)別之一)。2重組磁鏈、永磁磁鏈和自感DSPM電機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型由電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程及機械運動方程組成。up=Rpip+e=Rpip+dΨpdt=Rpip+Lpdipdtω+ipdLPdθω+dΨpmpdθω(2?1)up=Rpip+e=Rpip+dΨpdt=Rpip+Lpdipdtω+ipdLΡdθω+dΨpmpdθω(2-1)Tep=12i2p?Lp?θ+ip?Ψpmp?θ(2?2)Te=Jdωdt+Bω+Tl(2?3)Τep=12ip2?Lp?θ+ip?Ψpmp?θ(2-2)Τe=Jdωdt+Bω+Τl(2-3)ω=dθdtω=dθdt(2-4)式中,up,Rp,ip,e分別為定子P相繞組(P對應(yīng)A、B、C、D四相)外加電壓、內(nèi)阻、電流和反電動勢;Ψp、Ψpmp、Lp分別為定子P相繞組合成磁鏈、永磁磁鏈和繞組自感;J、B、Tl分別為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量、摩擦系數(shù)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。3電機非線性教學(xué)模型的建立DSPM調(diào)速系統(tǒng)由電機本體,功率變換器、控制電路以及驅(qū)動電路等幾大部分組成,如圖3所示。電機本體由4相獨立的模塊構(gòu)成,由于電機結(jié)構(gòu)對稱,各相只是存在相位差,所以只需分析其中的一相,下面以A相為例加以說明。為簡化分析,假設(shè)電源電壓不變;電機各相參數(shù)對稱,忽略相繞組互感,只考慮自感;忽略鐵心磁滯和渦流效應(yīng)。由公式(2-1)得:Lpdipdt=up?(Rpip+ipdLpdθω+dΨpmpdθω)Lpdipdt=up-(Rpip+ipdLpdθω+dΨpmpdθω)(3-1)電機非線性電感和磁鏈特性的實現(xiàn)是建模和仿真的關(guān)鍵,電感特性的準(zhǔn)確與否很大程度上決定了仿真的準(zhǔn)確性。由于雙凸極結(jié)構(gòu)以及磁路飽和效應(yīng)的影響,電機參數(shù)如電感、永磁磁鏈等都不是常數(shù),不僅與轉(zhuǎn)子位置有關(guān),而且是繞組電流的函數(shù),無法用解析式準(zhǔn)確表達(dá)。本文將在有限元分析軟件Ansys中計算得到一個周期內(nèi)部分點的電感和磁鏈數(shù)據(jù),利用simulink中的look-uptable模塊插值實現(xiàn)式(3-1)中所需要的一個周期所有角度對應(yīng)的電感和磁鏈值。由式(3-1)、(2-2),利用simulink中的數(shù)學(xué)函數(shù)以及自定義的函數(shù)function,搭建A相繞組子模型,如圖4所示。相應(yīng)的可以構(gòu)建出電機其它相繞組的子模型,從而組合成電機本體模型。按照圖3所示雙凸極永磁電機調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu),再構(gòu)建系統(tǒng)功率變換模型、位置信號處理模型和速度PI調(diào)節(jié)模型,聯(lián)合電機本體模型,完成了DSPM電機調(diào)速系統(tǒng)模型構(gòu)架,如圖6所示。4穩(wěn)態(tài)運行仿真用所建調(diào)速系統(tǒng)模型對8/6極DSPM進(jìn)行仿真。仿真對象的基本參數(shù)為:額定功率為750W,定子相繞組電阻R=2.7Ω,系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量J=0.023kg·m2,摩擦系數(shù)B=0.004N·s/rad,直流供電電壓Us=200V,穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為1000r/min,并優(yōu)化PI模型參數(shù)Kp=0.15,Ki=0.012,對電機在穩(wěn)態(tài)運行、動態(tài)啟動、負(fù)載突變等情況下分別進(jìn)行仿真。穩(wěn)態(tài)運行下4相電流如圖7所示。由于四相繞組電流依次相差15°機械角,從而A與C反相,B與D反相。系統(tǒng)在空載啟動時,經(jīng)過0.18秒,對應(yīng)的電機A相電流、轉(zhuǎn)矩及電機各相合成轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波形如8所示。可以看出,由于參考電流的限幅作用,相流沒有迅速上升(電流過大會引起功率變化器IGBT損壞)。且系統(tǒng)基本沒有超調(diào),響應(yīng)速度很快。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后,負(fù)載由1N·m突變?yōu)?N·m,得到A相電流和轉(zhuǎn)速波形,如圖9所示。由圖示波形可見,當(dāng)負(fù)載突變后,通過PI調(diào)節(jié)系統(tǒng)能迅速地調(diào)整穩(wěn)定下來,誤差較小,抗干擾性能好。5閉環(huán)系統(tǒng)傳動在介紹雙凸極永磁電機工作原理基礎(chǔ)上,應(yīng)用Matlab/Simulink軟