目錄 1 11.2永磁同步電機工作原理 21.1.1電機中的電磁力 21.1.2永磁同步電機的基本運行原理 31.3永磁同步電機的數(shù)學模型 31.4矢量控制理論 41.4.1矢量控制 41.4.2矢量控制常用的坐標變換 4永磁同步電動機主要由定子、轉(zhuǎn)子和端蓋等部件組成。定子是用疊片進行疊壓而成，永磁同步電機運行時會產(chǎn)生損耗，采用這種疊壓方式可以減小損耗，定子里面還裝有三相繞組，稱為電樞；轉(zhuǎn)子包括永磁體磁極和鐵心，可以疊裝也可以將其做成實心。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子中的分布，主要包括表面凸出式永磁轉(zhuǎn)子、表面嵌入式永磁轉(zhuǎn)子和內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子，目前新能源電機常用內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子[9]。按永磁體分布位置的不同，永磁同步電機可分為突出式永磁同步電機（SPMSM）和內(nèi)置式永磁同步電機（IPMSM）兩類。圖2-1為突出式永磁同步電機，圖2-2為內(nèi)置式永磁同步電機。表貼式轉(zhuǎn)子磁路較為簡單，維護成本低但是不能實現(xiàn)異步啟動是因為其表面不能加裝啟動繞組。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)有三種包含切向式、徑向式和混合式。區(qū)分它們的辦法可以采用觀察轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)與永磁體磁化的方向。圖2-1突出式永磁同步電動機圖2-2內(nèi)置式永磁同步電動機1.2永磁同步電機工作原理1.1.1電機中的電磁力電機能夠運行靠的是洛倫茲力和麥克斯韋力的共同作用，這兩種力在電機內(nèi)部密切相關(guān)。如果磁場中存在運動著的電荷，那么它就會受到洛倫茲力的作用。嵌入電機定子側(cè)的繞組通入電流時，會產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢，定子圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢又會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子電流在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下在轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生切向的力，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。不同介質(zhì)之間在磁場的作用下會產(chǎn)生相互作用的力叫做麥克斯韋力，電機內(nèi)部鐵芯材料的磁導率明顯高于空氣的磁導率，它們屬于不同的介質(zhì)，這樣由于磁場的作用就會在轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生沿法線方向的麥克斯韋力，稱為徑向力，可由如下公式（2-1）表示：（2-1）其中為真空中的磁導率，為電機內(nèi)部氣隙磁密的切向分量，為法向分量，切向分量通常較小，可以忽略。通常電機的轉(zhuǎn)子位于截面的中心位置，并且由軸承固定著，不能發(fā)生移動，從而轉(zhuǎn)子與定子間的距離始終保持不變，氣隙的長度就是設計好的固定值，氣隙中磁場的分布即氣隙磁密是均勻的，由麥克斯韋力的產(chǎn)生原理及公式（2-1）可知，轉(zhuǎn)子受到的各個沿法線方向的麥克斯韋力，都有其相反方向大小相同的麥克斯韋力，這樣轉(zhuǎn)子受到的總的麥克斯韋為0。1.1.2永磁同步電機的基本運行原理永磁同步電機的旋轉(zhuǎn)磁場由定子產(chǎn)生，其原理可類比于交流異步電動機，轉(zhuǎn)速也與其相似。磁極由轉(zhuǎn)子永磁部分提供。定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場，與轉(zhuǎn)子永磁體磁極和轉(zhuǎn)子鐵心，形成回路[10]。根據(jù)磁阻最小原理，即磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合，利用這個旋轉(zhuǎn)磁場在其中的電磁力帶動轉(zhuǎn)子開始進行旋轉(zhuǎn)[11]，于是永磁體轉(zhuǎn)子圍繞在定子上所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的磁力牽引下開始進行一個同步旋轉(zhuǎn)，從而帶動電機軸旋轉(zhuǎn)。永磁同步電機的起動進程包含異步發(fā)動階段和牽入同步階段，異步發(fā)動時電動機的轉(zhuǎn)速從零開始振蕩上升，因其中的異步轉(zhuǎn)矩，永磁同步電機的制動轉(zhuǎn)矩，矩起的磁阻轉(zhuǎn)矩等一系列關(guān)鍵要素。在高速起動過程中，只有異步轉(zhuǎn)矩是一種具有高速驅(qū)動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，其他轉(zhuǎn)矩以制動性質(zhì)為主[12]。如果電動機速度在永磁體脈沖扭矩影響下從零上升至接近定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，永磁同步電機轉(zhuǎn)速有可能會持續(xù)上升從而超過同步轉(zhuǎn)速，將這種現(xiàn)象稱之為永磁同步電機的超調(diào)現(xiàn)象。在經(jīng)過周期性的振蕩之后，永磁同步電機轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)矩的作用下最終同步。1.3永磁同步電機的數(shù)學模型作為一種高效的三相交流電機，對永磁同步電機進行數(shù)學建模是認識電機結(jié)構(gòu)、分析電機運行規(guī)律，掌握各變量間的邏輯或定量關(guān)系的基礎。在考慮永磁同步電機電感不受磁阻和電流變化而產(chǎn)生影響，磁路不飽和，不計算渦流和磁滯損耗；忽略齒槽、換相過程及對電樞反應的影響，并且三相繞組對稱電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布等基礎條件下，可建立其在d-q軸坐標系下的數(shù)學模型如下[13]：diψd其中：ud,uq,id,iq,ψd,ψq分別為永磁同步電機d軸定子電壓、q軸定子電壓、d軸經(jīng)過數(shù)學分析可以得出永磁同步電機機械轉(zhuǎn)動方程為：dωrdt=其中：J代表機械轉(zhuǎn)動慣量；Tl代表轉(zhuǎn)子的負載轉(zhuǎn)矩；Te代表轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩；Tf為電機的庫倫摩擦轉(zhuǎn)矩；B1.4矢量控制理論1.4.1矢量控制直流電機內(nèi)部各電流間不存在相互耦合的關(guān)系，可以對不同的電流分別進行控制，但是交流電機內(nèi)部電流關(guān)系存在耦合，為了方便對交流電機性能實現(xiàn)控制，我們就要把耦合量分解開來，在這里我們采用坐標變換思想，將電流變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標系中進行研究，在此坐標系中控制電流大小和方向就能夠解耦直交軸分量，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁場間的解耦控制，這樣就能夠像控制直流電機一樣控制交流電機，獲得優(yōu)良的電機性能。在進行矢量控制過程中，為了方便研究，我們需要把各個矢量進行不同的坐標變換。1.4.2矢量控制常用的坐標變換（1）Clack變換三相坐標系ABC到兩相靜止坐標系α?（4）兩相靜止坐標系α?（5）Park變換兩相靜止坐標系α?β到同步旋轉(zhuǎn)坐標系（6）同步旋轉(zhuǎn)坐標系d?q到兩相靜止坐標系α?（7）將三相坐標系ABC變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標系d?q,其坐標變換矩陣可表示如下式：（8）將同步旋轉(zhuǎn)坐標系d?q變換到三相坐標系ABC，其坐標變換矩陣可表示如下式：（9）以上給出了使用坐標變換時所用到的坐標變換矩陣，表明了各變量在三相坐標系、兩相靜止坐標系以及同步旋轉(zhuǎn)坐標系之間的關(guān)系，這是設計交流電機矢量控制系統(tǒng)所要用到的基本知識，我們要根據(jù)上述給出的坐標變換矩陣，搭建出不同變換之間轉(zhuǎn)換的仿真模塊，以便在后面設計搭建矢量控制系統(tǒng)整