第34卷第2期2004年3月 东南大学学报( 自然科学版) JO UR NAL OF S OUTHEA ST UNIVER SITY (Natural Science Edition) Vol 134No 12 Mar.2004 永磁同步电动机电磁场计算中定转子 空间相对位置确定的研究 刘瑞芳1,3 严登俊2 胡敏强1 (1东南大学电气工程系,南京210096)(2河海大学电气工程学院,南京210098)(3北京交通大学电气学院,北京100044) 摘要:采用通用有限元软件对永磁同步电动机电磁场分析时,存在着电动机定、转子轴线相对位置未知的问题,而确定这个相对位置是任意负载下磁场计算的前提.本文通过研究电动机电磁量之间的关系找到特定内功率因数角下气隙合成电势和内功率角的特征.提出一种相当于逆问题分析的处理方法,在不同定子电流初相位下进行计算,搜寻对应于特定内功率因数角磁场分布,从而求得定转子空间的初始相对位置. 关键词:永磁同步电动机;有限元;定转子空间相对位置 中图分类号:T M351 文献标识码:A 文章编号:1001-0505(2004)022******* Investigation in determining the relative position between stator and rotor of a PMSM in electromagnetic field calculation Liu Ruifang 1,3 Yan D engjun 2 Hu Minqiang 1 (1Department of Electrical Engineering,Southeas t Univers ity,Nanjing 210096,C hina)(2C ollege of Electrical Engineering,Hohai Univers ity,Nanjing 210098,C hina)(3School of Electrical Engineering,Beijing Ji aotong University,B eiji ng 100044,Chi na) Abstract:When designing universal finite ele ment sof tw are for analyzing the per manent magnet synchronous motors (PM S Ms),the relative position of the stator and rotor a xis remains unkno wn.How ever determining the relative position is a precondition for electroma gnetic field calculation.Through analyzing the basic relationship of variables in synchronous machines the characteristics of air gap resultant E M F and inner power angle under special inner po wer factor angle can be obtained.A technique similar to inverse problem solving is proposed in this paper.A series of electromagnetic field calculation under different armature current initial phase angles are carried out firstly,then through searching the field of special inner pow er factor angles the relative position of rotor and stator can be determined subsequently.Key words:PM S M;finite element method (FE M);relative position of stator and rotor 收稿日期:2003201222. 作者简介:刘瑞芳(1971)),女,博士生;胡敏强(联系人),男,博 士,教授,博士生导师,m qhu@https://www.doczj.com/doc/882627668.html,. 在永磁同步电动机通用软件设计中,存在着电动机定、转子相对位置未知的问题,而确定这个相对位置是进行永磁同步电动机负载磁场计算的前提.现有文献多采用根据具体电动机的结构和槽号 分配来判断定、转子轴线相对位置[1~3].但对通用程序,软件系统应当具有自动判断定、转子初始相对位置的功能,否则会使用户对程序的干预大大增加,不易实现程序的自动化和通用化. 1 定转子空间相对位置的确定问题 根据M axwell 方程,永磁同步电动机的二维电磁场边值问题可以表述为
一、实验目的 1. 测量永磁同步电机定子电阻、交轴电感、直轴电感、转子磁链以及转动惯量。 二、实验内容 1. 掌握永磁同步电机dq 坐标系下的电气数学模型以及机械模型。 2. 了解三相永磁同步电机内部结构。 3. 确定永磁同步电机定子电阻、交轴电感、直轴电感、反电势系数以及转动惯量。 三、拟需实验器件 1. 待测永磁同步电机1台； 2. 示波器1台； 3. 西门子变频器一台； 4. 测功机一台及导线若干； 5. 电压表、电流表各一件； 四、实验原理 1. 定子电阻的测量 采用直流实验的方法检测定子电阻。通过逆变器向电机通入一个任意的空间电压矢量U i (例如U 1)和零矢量U 0,同时记录电机的定子相电流,缓慢增加电压矢量U i 的幅值,直到定子电流达到额定值。如图1所示为实验的等效图,A 、B 、C 为三相定子绕组,U d 为经过斩波后的等效低压直流电压。I d 为母线电流采样结果。当通入直流时，电机状态稳定以后，电机转子定位，记录此时的稳态相电流。因此，定子电阻值的计算公式为： 1 ,2a d b c d I I I I I ===- (1) 23d s d U R I = (2)
图1 电路等效模型 2． 直轴电感的测量 在做直流实验测量定子电阻时,定子相电流达到稳态后,永磁转子将旋转到和定子电压矢量重合的位置,也即此时的d 轴位置。测定定子电阻后,关断功率开关管,永磁同步电机处于自由状态。向永磁同步电机施加一个恒定幅值,矢量角度与直流实验相同的脉冲电压矢量(例如 U 1),此时电机轴不会旋转(ω=0),d 轴定子电流将建立起来，则d 轴电压方程可以简化为： d d d q q d di u Ri L i L dt ω=-+d d d d di u Ri L dt =+ (3) 对于d 轴电压输入时的电流响应为： ()(1)d R t L U i t e R -=- (4) 利用式(4)以及测量得到的定子电阻值和观测的电流响应曲线可以计算得到直轴电感值。 其中U /R 为稳态时的电流反应，R 为测得的电机定子电阻。由上式可知电流上升至稳态值的倍时，1d R t L - =-，电感与电阻的关系式可以写成： 0.632d L t R =? (5) 其中为电流上升至稳态值倍时所需的时间. 3． 交轴电感的测量 测出L d 之后,在q 轴方向(d 轴加90°)施加一脉冲电压矢量。电压矢量的作用时间一般选取的很短 ,小于电机的机械时间常数,保证电机轴在电压矢量作用期间不会转动。则q 轴电压方
参数化扫描的有问题，但是趋势应该差不多 《永磁电机》 永磁同步电机分为表面式和内置式。 由于永磁体特别是稀土永磁体的磁导率近似等于真空磁导率，对于表面式，直轴磁阻和交轴磁阻相等，因此交直轴电感相等，即Ld=Lq，表现出隐极性质。对于内置式，直轴磁阻大于交轴磁阻（交轴通过路径的磁导率大于直轴），因此Ld 效应，则气隙磁压降为H H=H H H=H H H0H=H H0 Φ HH H ,式中，Ф为每极磁通；δ为气隙 长度；τ为极距；La为铁心长度。 调速永磁同步电机转子结构分为表面型和内置型。由于永磁体特别是稀土永磁体的磁导率近似等于真空磁导率，对于表面式，直轴磁阻与交轴磁阻相等，因此交直轴电感相等，即Ld=Lq，表现出隐极性质。而对其他结构，直轴磁阻大于交轴磁阻，因此Ld 永磁同步电机设计 1电机仿真模型 （a ）原型电机（b ）新型电机 图1PM-Y2-180-4电机整体有限元仿真模型 图2新型电机转子1/4模型 2静态有限元仿真结果比较 2.1永磁磁场分布 当永磁体单独作用时，两种电机的磁力线分布如图3所示。 （a ）原型电机（b ）新型电机 图3两种电机永磁磁场分布 2.2永磁气隙磁密波形 当永磁体单独作用时，两种电机一个周期范围（即一对永磁体范围）的永磁气隙磁密波形如图4所示。 （a ）原型电机 （b ）新型电机 （c ）两种电机比较 图4两种电机永磁气隙磁密分布 3空载稳态有限元仿真结果比较 3.1空载永磁磁链、空载永磁反电势波形 空载情况下，两种电机的三相绕组电流均设置为零，电机中磁场由永磁体单独产生。设置电机稳态运行转速为n =3000r/min ，可得到两种电机的空载永磁磁链、空载永磁反电势波形分别如图5、图6所示。由于三相绕组对称，在此仅给出A 相绕组仿真结果。 图5两种电机空载永磁磁链 图6两种电机空载永磁反电势 3.2空载永磁磁链、空载永磁反电势谐波分析 利用Matlab 对图5、图6的波形进行傅里叶分析，可得到两种电机磁链及反电势的各次谐波分量，如图7所示。 （a ）空载永磁磁链（b ）空载永磁反电势 图7磁链及反电势谐波分量分析 通过对两种电机的空载永磁磁链和空载永磁反电势进行谐波分析，得到以下结论：（1）3次谐波分量是主要谐波分量；（2）偶次谐波分量几乎为零，奇次谐波分量相对较大；（3）采用新型电机结构可在一定程度上削弱3次谐波分量，但同时会引起5、7次谐波分量增加，总体削弱谐波效果并不明显。 4负载稳态有限元仿真结果比较 4.1电枢绕组通入三相对称电压 两种电机具有相同的参数如下：电阻R =0.0410947?，电感L =5.87143?10?5H ，额定转速n =3000r/min 。给电枢绕组通入三相对称电压： A B C 310.269sin(20035.3581/180) 310.269sin(20035.3581/1802/3)310.269sin(20035.3581/1802/3) u t u t u t ππππππππ=+=+-=++（1） 并进行有限元仿真，得到两种电机的绕组电流及转矩波形，分别如图8、图9所示。 （a ）原型电机 （b ）新型电机 图8两种电机绕组电流波形 导线线径与电流规格表 绝缘导线(铝芯/铜芯)载流量的估算方法 以下是绝缘导 线(铝芯/铜芯)载流量的估算 方法,这是电工基础,今天把这些知识教给大家,以便计算车上的导线允许通过的电流.(偶原在省供电局从事电能计量工作) 铝芯绝缘导线载流量与截面的倍数关系 导线截面(平方毫米) 1 1.5 2.5 4 6 10 16 25 35 50 70 95 120 载流量(A 安培) 9 14 23 32 48 60 90 100 123 150 210 238 300 载流是截面倍数 9 8 7 6 5 4 3.5 3 2.5 估算口诀：二点五下乘以九，往上减一顺号走。三十五乘三点五，双双成组减点五。(看不懂没关系,多数情况只要查上表就行了)。条件有变加折算，高温九折铜升级。穿管根数二三四，八七六折满载流。 说明：(1)本节口诀对各种绝缘线(橡皮和塑料绝缘线)的载流量(安全电流)不是直接指出，而是“截面乘上一定的倍数”来表示，通过心算而得。由表5 3可以看出：倍数随截面的增大而减小。“二点五下乘以九，往上减一顺号走”说的是2．5mm’及以下的各种截面铝芯绝缘线，其载流量约为截面数的9倍。如2．5mm’导线，载流量为2．5×9＝22．5(A)。从4mm’及以上导线的载流量和截面数的倍数关系是顺着线号往上排，倍数逐次减l ，即4×8、6×7、10×6、16×5、25×4。“三十五乘三点五，双双成组减点五”，说的是35mm”的导线载流量为截面数的3．5倍，即35×3．5＝122．5(A)。从50mm’及以上的导线，其载流量与截面数之间的倍数关系变为两个两个线号成一组，倍数依次减0．5。 表格为导线在不同温度下的线径与电流规格表。 （请注意：线材规格请依下列表格，方能正常使用） 磁环外径 D 36.0mm 磁环内径 d 22.5mm 磁环高度 h 11.0mm 磁环导磁截面积 A 74.3mm^274.3mm^2磁环有效磁路长 l 90.2mm 90.2mm 磁环芯材磁导率 u 125125相对磁导率线圈匝数 N 88.0匝88.0匝↓↓环状线圈电感值 L 1000.92uH 1001uH 磁环电感饱 和磁通计算 ↓电感电流 I 10.00A 15319高斯1.532特斯拉 磁场强度H 9.75A/m 线径Φ1mm 股数n 1每匝线圈长度MLT 42.6mm 电阻mohm 108.59mohm 铜线总长度C 4.69m 蓝色字体为输入参数粉色字体为计算值磁环电感及饱和磁通计算 相对磁导率μr：26,40,60,75,90,125 750.6897966 磁通密度B l s N L μ2=)ln()(d D d D l -=πl iN B 0μμ=l iN H = 计算值 MPP铁镍钼合金,主要用于大电流功率电感, 抗偏流特性好,频率特性也比较好. Sendust合金(铁硅铝磁芯),是一种低损耗和相对高饱和度1.05T的材料，所 以非常适用于功率因数校正电路，以及单向驱动器应用，由于接近零磁 致伸缩，铁硅铝是消除在线噪音滤波器和电感器中的可听频率噪声的最 佳选择。 适当的成本,较低的损耗,高饱和度,接近零的磁致伸缩,无热老化 现象,软饱和,铁硅铝应用包括功率因数校正扼流圈,升压/降压稳压器,直流 输出电感器和回扫变压器. 铁镍(hi-flux),高磁通粉末磁芯是分布式气隙环形磁芯,有50%的镍和50%的铁合金粉末制成,其偏置性能在 所有粉末磁芯材料中最高 .高磁通磁芯所具备的优点,非常适用于高功率,高直流偏置以及高电源频率下的高交流偏差等的应用.与7,500高斯的标准钼坡莫合金MPP磁芯或4.500高斯的铁氧体相比,高磁通磁芯具有15,000高斯的饱和磁通密度.高磁通粉末磁芯的磁芯损耗显著低于铁粉磁芯的磁芯损耗.在大多数应用中,高磁通磁芯的尺寸可能都比铁粉芯的还要小. 高磁通磁粉芯主要应用在如开关调节电感器,在线噪音滤波器,回扫变压器,功率因数校正和脉冲变压器等。 永磁同步电机参数测量实验 一、实验目的 1. 测量永磁同步电机定子电阻、交轴电感、直轴电感、转子磁链以及转动惯量。 二、实验内容 1. 掌握永磁同步电机dq 坐标系下的电气数学模型以及机械模型。 2. 了解三相永磁同步电机内部结构。 3. 确定永磁同步电机定子电阻、交轴电感、直轴电感、反电势系数以及转动惯量。 三、拟需实验器件 1. 待测永磁同步电机1台； 2. 示波器1台； 3. 西门子变频器一台； 4. 测功机一台及导线若干； 5. 电压表、电流表各一件； 四、实验原理 1. 定子电阻的测量 采用直流实验的方法检测定子电阻。通过逆变器向电机通入一个任意的空间电压矢量U i (例如U 1)和零矢量U 0,同时记录电机的定子相电流,缓慢增加电压矢量U i 的幅值,直到定子电流达到额定值。如图1所示为实验的等效图,A 、B 、C 为三相定子绕组,U d 为经过斩波后的等效低压直流电压。I d 为母线电流采样结果。当通入直流时，电机状态稳定以后，电机转子定位，记录此时的稳态相电流。因此，定子电阻值的计算公式为： 1 ,2 a d b c d I I I I I ===- (1) 23d s d U R I = (2) 图1 电路等效模型 2． 直轴电感的测量 在做直流实验测量定子电阻时,定子相电流达到稳态后,永磁转子将旋转到和定子电压矢量重合的位置,也即此时的d 轴位置。测定定子电阻后,关断功率开关管,永磁同步电机处于自由状 态。向永磁同步电机施加一个恒定幅值,矢量角度与直流实验相同的脉冲电压矢量(例如U 1),此时电机轴不会旋转(ω=0),d 轴定子电流将建立起来，则d 轴电压方程可以简化为： d d d q q d di u Ri L i L dt ω=-+d d d d di u Ri L dt =+ (3) 对于d 轴电压输入时的电流响应为： ()(1)d R t L U i t e R -=- (4) 利用式(4)以及测量得到的定子电阻值和观测的电流响应曲线可以计算得到直轴电感值。 其中U /R 为稳态时的电流反应，R 为测得的电机定子电阻。由上式可知电流上升至稳态值的0.632倍时，1d R t L - =-，电感与电阻的关系式可以写成： 0.632d L t R =? (5) 其中t 0.632为电流上升至稳态值0.632倍时所需的时间. 3． 交轴电感的测量 测出L d 之后,在q 轴方向(d 轴加90°)施加一脉冲电压矢量。电压矢量的作用时间一般选取的很短,小于电机的机械时间常数,保证电机轴在电压矢量作用期间不会转动。则q 轴电压方程可以简化为： q q q d d q di u Ri L i L dt ωωψ=+++ q q q q di u Ri L dt =+ (6) q 轴电流将按如下的指数形式建立: ()(1)q R t L U i t e R -=- (7) 利用测量直轴电感的方法同样可以测量交轴电感。 此外，由于没有正好超前d 轴90°的电压矢量，需要施加一个60°和120°合成矢量来完成等效q 轴电压矢量的施加过程。并且在进行脉冲电压实验的过程中,电压幅值和作用时间 应选择适当。电压幅值选择太小,影响检测精度,过大可能使电流超过系统限幅值影响系统安全。作用时间过短,采样点少,获取的电流信息少,也会影响检测精度,作用时间过长,电流同样可能过大影响系统安全，并且电机容易发生转动。 4． 反电势系数的测量 采用空载实验法，即用测功机带动被测永磁同步电机以一定的转速旋转，同时保持被测电机负载开路，测试此时的电机空载相电压，即为反电势电压。结合转速、反电势可以计算得出相应的反电势系数，计算公式如下： 1000e E K n = ? (8) 式中：E 为反电势，n 为转速。电机的反电势系数，其定义为每1000PRM 时电机每相绕组上的反电势电压的有效值（请注意不是线线电压，是线到中性线的电压，单位为：V/KRPM/相） 这种方法需要将被测电机运行至发电状态，并且需要负载开路手动测试反电势。 永磁同步电动机的分类和特点 一，永磁同步电动机的特点 永磁同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好；但它与异步电机相比，也有成本高、起动困难等缺点。和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。 我国是盛产永磁材料的国家，特别是稀土永磁材料钕铁硼资源在我国非常丰富，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4倍左右，号称“稀土王国”。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。因此，对我国来说，永磁同步电动机有很好的应用前景。 二，永磁同步电动机的分类 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：一种为正弦波；另一种为梯形波。这样就造成两种同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机（PMSM）调速系统；而由梯形波（方波）永磁同步电动机组成的调速系统，在原理和控制方法 上与直流电动机系统类似，故称这种系统为无刷直流电动机（BLDCM）调速系统。 永磁同步电动机转子磁路结构不同，则电动机的运行特性、控制系统等也不同。根据永磁体在转子上的位置的不同，永磁同步电动机主要可分为：表面式和内置式。在表面式永磁同步电动机中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，这种电机的重要特点是直、交轴的主电感相等；而内置式永磁同步电机的永磁体位于转子内部，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，可以保护永磁体。这种永磁电机的重要特点是直、交轴的主电感不相等。因此，这两种电机的性能有所不同。 三无刷直流电动机（BLDCM） 1，BLDCM研究现状 永磁无刷直流电动机与传统有刷直流电动机相比, 是用电子换向取代 原直流电动机的机械换向, 并将原有刷直流电动机的定转子颠倒（转子采用永磁体）从而省去了机械换向器和电刷，其定子电流为方波, 而且控制较简单, 但在低速运行时性能较差, 主要是受转矩脉动的影响。 引起转矩脉动的因素很多, 主要有以下原因： （1）电枢反应引起的转矩脉动 减弱或克服这种原因造成转矩脉动采用的方法是适当增大气隙, 设计 磁路时使电机在空载时达到足够饱和, 以及电机选择瓦形或环形永磁 体径向励磁结构等。 （2）电流换相引起的转矩脉动 永磁式同步电机的特点及其分类 永磁式同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好；但它与异步电机相比，也有成本高、起动困难等缺点。和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。 近年来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，经大力推广和应用已有研究成果，使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得越来越广泛的应用。正向大功率化(高转速、高转矩)、高功能化和微型化方面发展。目前，稀土永磁电机的单台容量已超过1000KW，最高转速已超过300000r/min，最低转速低于0.01r/min，最小电机的外径只有 0.8mm，长1.2mm。 我国是盛产永磁材料的国家，特别是稀土永磁材料钕铁硼资源在我国非常丰富，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4倍左右，号称“稀土王国”。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。因此，对我国来说，永磁同步电动机有很好的应用前景。充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，对实现我国社会主义现代化具有重要的理论意义和实用价值。 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：一种为正弦波；另一种为梯形波。这样就造成两种同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机(PMSM) 电感的主要参数 1）??μi(导磁率)(Permeability)---这是铁芯的一个重要参数，对于一个带铁芯的电感，铁芯的导磁率越高，电感值会越高。 2）???? L(电感值)(Inductance)---L=(4πμiN2A/l)*10-9(H)，N-线圈圈数，A-磁路截面积，l-磁路平均长度。电感值与铁芯的μi值成正比，与线圈圈数的平方成正比，与测试频率有关(电感值随测试频率的变化关系常用电感的频率曲线来表示)，与环境温度有关，客户通常对电感值的要求是在某一特定频率下合于某一范围。电感值通常是不用计算得出的(因为就算你算得吐血也未必算得准，磁环的可以算得大概准确)，而是用仪器测出的。目录上通常是标示L值的公差范围。 3） Q(品质因素)---客户通常对Q值的要求是越高越好， Q=2πfLe/Re (Re是有效电阻，是消耗能量的部份， 有效电阻由DCR、表面效应、铁损所贡献) (Le是真实电感扣除分布电容影响后的值)，电子工 程施希望所选定的频率讯号通过，而且更希望所通 过的讯号损失越少越好，故他们希望Q值越高越好。 Q值也是随测试频率而变化的，(Q值随测试频率的 变化关系常用Q值的频率曲线来表示)。目录上通常 以其最小值为标注。 4）DCR(直流电阻)(Direct Current Resistance)---电感在直流电流下测量得之电阻，客户通常对DCR值的要求是越小越好。目录上通常以其最大值为标注。 5） SRF(自共振频率)(Self-Resonant Frequency) ---电感的真实电感与电感的分布电容产生共振 时的频率，客户通常对SRF值的要求是越大 越好。目录上通常以其最小值为标注。 自共振频时电感的表现就像电阻，即 (真实)电感值的感抗(2πfL)与分布电容的容抗 (-1/2πfC d )相互抵消，即2πfL-1/2πfC d =0， 所以自共振频率f=1/2π√LC d 。自共振频时电感的Le(有效电感值)为0，所以此时的Q值为0。 一、实验目的 1.测量永磁同步电机定子电阻、交轴电感、直轴电感、转子磁链以及转动惯量。 二、实验内容 1.掌握永磁同步电机 dq 坐标系下的电气数学模型以及机械模型。 2.了解三相永磁同步电机内部结构。 3.确定永磁同步电机定子电阻、交轴电感、直轴电感、反电势系数以及转动惯量。 三、拟需实验器件 1.待测永磁同步电机 1 台； 2.示波器 1 台； 3.西门子变频器一台； 4.测功机一台及导线若干； 5.电压表、电流表各一件； 四、实验原理 1.定子电阻的测量 采用直流实验的方法检测定子电阻。通过逆变器向电机通入一个任意的空间电压矢量U i(例如 U1)和零矢量U0,同时记录电机的定子相电流, 缓慢增加电压矢量U i的幅值,直到定子电流达到额定值。如图 1 所示为实验的等效图,A 、B、C 为三相定子绕组, U d为经过斩波后的等效 低压直流电压。 I d为母线电流采样结果。当通入直流时，电机状态稳定以后，电机转子定位，记录此时的稳态相电流。因此，定子电阻值的计算公式为： I a I d , I b I c 1 (1) I d 2 2U d (2) R s 3I d I d A O U d B C 图 1 电路等效模型 2．直轴电感的测量 在做直流实验测量定子电阻时, 定子相电流达到稳态后, 永磁转子将旋转到和定子电压矢量 重合的位置 , 也即此时的 d 轴位置。测定定子电阻后, 关断功率开关管, 永磁同步电机处于自 由状态。向永磁同步电机施加一个恒定幅值, 矢量角度与直流实验相同的脉冲电压矢量( 例如U1),此时电机轴不会旋转( ω=0),d轴定子电流将建立起来，则 d 轴电压方程可以简化为： di d u d Ri d di d u d Ri d L q i q L d dt L d dt (3)对于 d 轴电压输入时的电流响应为： i (t) R t U (1 e L d )(4) R 利用式 (4) 以及测量得到的定子电阻值和观测的电流响应曲线可以计算得到直轴电感值。 其中 U/ R为稳态时的电流反应，R 为测得的电机定子电阻。由上式可知电流上升至稳态值的 倍时，R t1，电感与电阻的关系式可以写成： L d L d t 0.632 ? R (5) 其中为电流上升至稳态值倍时所需的时间. 3．交轴电感的测量 测出 L d之后,在q轴方向(d轴加90°)施加一脉冲电压矢量。电压矢量的作用时间一般选取 的很短 , 小于电机的机械时间常数, 保证电机轴在电压矢量作用期间不会转动。则q轴电压方 参数化扫描的有问题，但是趋势应该差不多 《永磁电机》 永磁同步电机分为表面式和内置式。 由于永磁体特别是稀土永磁体的磁导率近似等于真空磁导率，对于表面式，直轴磁阻和交轴磁阻相等，因此交直轴电感相等，即Ld=Lq ，表现出隐极性质。对于内置式，直轴磁阻大于交轴磁阻（交轴通过路径的磁导率大于直轴），因此Ld Modeling and Analyzing of Surface-Mounted Permanent-Magnet Synchronous Machines With Optimized Magnetic Pole Shape Zhenfei Chen1,Changliang Xia1,2,Qiang Geng2,and Yan Yan1 1School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University,Tianjin300072,China 2Tianjin Key Laboratory of Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy,Tianjin Polytechnic University, Tianjin300387,China Two types of eccentric magnetic pole shapes for optimizing conventional surface-mounted permanent-magnet(PM)synchronous machines with radial magnetization are presented in this paper.An analytical method based on an exact subdomain model and discrete idea is proposed for obtaining the air-gap?ux density distribution in the improved motor.Cogging torque and back EMF analytical models are further built with the?eld solution,which provide useful tools for investigating motor performances with unequal thickness magnetic poles.The accuracy and feasibility of the models have been validated by a?nite element method.Based on the analytical models,the effects of pole shape parameters on motor performance are investigated.Results show that both pole shapes can perfect magnetic?eld distribution,decrease harmonic content of back EMF,reduce torque ripples,and improve the utilization of PMs. Index Terms—Exact subdomain model,?ux density distribution,magnetic pole shape optimization,surface-mounted permanent-magnet(PM)synchronous machine. I.I NTRODUCTION T HE surface-mounted permanent-magnet(PM) synchronous machine has been widely used in elevator,wind turbine,and hybrid electric vehicle applications due to its high ef?ciency,power factor,and torque density [1],[2].The PM pole,as a pivotal part of the PM motor, directly affects motor cost and behavior,such as magnetic ?eld,back EMF,torques,and so on.As a result,magnetic pole design is particularly important in PM motor design and has attracted lots of attention.Studies in[3]–[6]point out that the contributions of different PM parts are not uniform and magnetic pole optimization can not only improve PM material utilization,reduce magnet material cost,but also achieve more sinusoidal magnetic?eld distribution and lower cogging torque performance. The magnetic?eld calculation is an important prerequisite for the analysis of PM machines.Many methods have been proposed for magnetic?eld prediction in past few decades. In[7],the drawbacks and stability of numerical implementa-tion are discussed and a semianalytical framework is presented for solving2-D PM machine models in three different coordi-nates.Nevertheless,analytical modeling is usually much more complex for improved PM motors with optimized magnetic pole con?gurations,since the radial thickness of magnetic pole changes with the circumferential position,which makes its mathematical modeling more dif?cult than that of conven-tional magnetic poles.Several analytical methods are given in[8]–[10],which provide valuable theoretical references for magnetic pole design and analysis.Stator slotting is usually neglected or complicated pole boundary is simpli?ed to reduce the dif?culty of modeling,which also results in a low accuracy of the models. Manuscript received March3,2014;revised May11,2014;accepted May24,2014.Date of current version November18,2014.Corresponding author:C.Xia(e-mail:motor@https://www.doczj.com/doc/882627668.html,). Color versions of one or more of the?gures in this paper are available online at https://www.doczj.com/doc/882627668.html,. Digital Object Identi?er 10.1109/TMAG.2014.2327138Fig.1.PM pole shapes.(a)Conventional pole shape S0.(b)Outer arc eccentric pole shape SA.(c)Inner arc eccentric pole shape SB. In this paper,two types of eccentric magnetic pole designs are chosen for pole shape optimization of surface-mounted PM machines with radial magnetization.To solve the problem of unequal thickness magnetic pole modeling,a modi?ed subdomain model method based on discrete idea is proposed to predict magnetic?eld distribution in the air-gap.With the ?eld solution,cogging torque and back EMF models are built. The effects of magnetic pole dimensions on motor behavior are further investigated to draw some conclusions. II.A NALYTICAL M ODELING A.Eccentric Magnetic Pole Shapes Compared with the conventional magnetic pole,two kinds of eccentric magnetic pole shapes for improving the?eld distribution of surface-mounted PM motors are shown in Fig. 1.Fig.1(a)is the conventional magnetic pole shape designated as S0,Fig.1(b)is the outer arc eccentric magnetic pole shape designated as SA,and Fig.1(c)is the inner surface arc magnetic pole shape designated as SB. As shown in Fig.1,O is the center of motor and h m is the magnet thickness at the pole centerline.For conventional pole shape S0,its inner and outer arcs have the same centre O and the radial thickness does not change with position. R r and R m are the radii of magnet inner and outer surfaces,and h m=R m?R r.For the shape SA,the center of its outer arc moves to O and the radius changes to be R o.For the shape SB,the center of its inner arc moves to O ,and the radius 0018-9464?2014IEEE.Personal use is permitted,but republication/redistribution requires IEEE permission. See https://www.doczj.com/doc/882627668.html,/publications_standards/publications/rights/index.html for more information.永磁同步电机计算
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