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永磁同步电动机转子系统的模态分析计算黄渠;武宁;李建军;任德江【摘要】对一般调速永磁同步电机转子系统进行了模态分析,针对表贴式转子结构,分别对其自由状态下,轴承支撑状态下分别进行了模态分析计算,利用ANSYS-workbench有限元软件模拟轴承支撑,并通过调整轴承位置,研究轴承距离转子铁心对称与不对称情况下的模态频率的变化.研究结果表明,相对于转子系统自由状态下的模态频率,轴承支撑会使转子系统模态频率下降,另外,对称轴承支撑更有利于转子系统稳定,使一阶临界转速更高.为高速电机转子的结构优化设计提供一定的依据.【期刊名称】《防爆电机》【年(卷),期】2019(054)003【总页数】4页(P12-15)【关键词】转子系统;模态分析;同步电机;临界转速【作者】黄渠;武宁;李建军;任德江【作者单位】广东工业大学,广东广州510006;广东工业大学,广东广州510006;广东工业大学,广东广州510006;广东工业大学,广东广州510006【正文语种】中文【中图分类】TM301.30 引言电机是一个包含定、转子在内的机电耦合系统。
转子作为各种旋转机械的关键部件，电机转子的振动特性直接影响到转轴的可靠性和电机的工作寿命的长短。
—般情况下，转子根据它自身的变形属性，变形系数低称为刚性转子反之称为柔性转子。
振动主要在其临界转速附近比较显著，为确保调速范围内可以避免共振，应保证其临界转速尽量远离正常工作转速。
对于刚性转子，工程上希望它的工作转速小于一阶临界转速，柔性转子则希望它工作转速大于一阶临界转速。
因此准确计算转子结构的模态特性对于选取转轴材料以及排除电机共振故障有很重要的现实意义[1]。
现如今应用于计算临界转速的方法有很多，包括有：有限元法、有限差分法、传递矩阵法以及结构修正法。
但由于影响临界转速的因素很多，要想获得更贴近实际表现的临界转速，依然是目前所需要研究的重点之一[2～4]。
文献[5]针对永磁同步电机转子的磁钢保护套对转子临界转速的影响进行了模态分析，验证有限元方法的有效性。
永磁同步电机最大转矩电流比控制一、本文概述Overview of this article随着能源危机和环境污染问题的日益严重，高效、环保的电机驱动系统成为了现代工业领域的研究热点。
永磁同步电机（PMSM）作为一种高性能的电机类型，因其高效率、高功率密度和良好的调速性能而被广泛应用于电动汽车、风力发电、机床设备等领域。
然而，为了充分发挥永磁同步电机的性能优势，有效的控制策略是至关重要的。
本文着重研究永磁同步电机的最大转矩电流比（MTPA）控制策略，旨在实现电机的高效、稳定运行。
With the increasing severity of energy crisis and environmental pollution, efficient and environmentally friendly motor drive systems have become a research hotspot in the modern industrial field. Permanent magnet synchronous motor (PMSM), as a high-performance motor type, is widely used in fields such as electric vehicles, wind power generation, and machine equipment due to its high efficiency, high power density, and good speed regulation performance. However, inorder to fully leverage the performance advantages of permanent magnet synchronous motors, effective control strategies are crucial. This article focuses on the maximum torque to current ratio (MTPA) control strategy of permanent magnet synchronous motors, aiming to achieve efficient and stable operation of the motor.最大转矩电流比控制是一种优化电机运行性能的控制方法，它通过调整电机的电流矢量，使得电机在相同电流幅值下产生最大的转矩输出。
永磁电机的有限元仿真分析作者：姚光久来源：《电气传动自动化》2019年第01期摘要：本文利用Ansfot公司的Maxwell 2D瞬态模块，建立了永磁电机模型，加载激励源构成一个完整的仿真系统。
通过对永磁电机模型瞬态有限元分析，得到了电机五种状态磁力线与反电动势。
仿真结果精确地反映了电机运动过程，为永磁电机优化设计、减少转矩脉动、提高效率提供了理论依据。
关键词：永磁电机; 五种状态; 瞬态分析中图分类号： TM3 ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;文献标识码： AAbstract： the Ansfot company Maxwell 2D transient module， establish the permanent magnet motor model. Loading excitation source， constitute a complete system simulation system. By the permanent magnet motor model transient finite element analysis obtained motor five state lines and back EMF; ;Simulation results accurately reflect the motor， for permanent magnet motor optimization design， reduce the torque ripple and efficiency to provide a theoretical basis.Key words： permanent magnet motor; five state; transient analysis1 ;引言永磁電机是把永磁电机本体、电子技术和控制技术融为一体的电磁机械装置，早期用于军事和航天领域，如卫星姿态控制、导弹测试用转台等，稍后被应用于工业加工领域，用作高性能机床的驱动[1]。
调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析1 引言与传统的电励磁电机相比,永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率密度大;损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。
随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代,变频调速永磁同步电动机也应运而生。
变频调速永磁同步电动机可分为两类，一类是反电动势波形和供电电流波形都是理想矩形波（实际为梯形波）的无刷直流电动机，另一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。
这类电机通常由变频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。
本文使用Ansoft Maxwell 软件中的RMxprt 模块进行了一种调速永磁同步电动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell 2D 中建立了二维有限元仿真模型,并在此模型的基础上对电机的基本特性进行了瞬态特性分析。
2 调速永磁同步电动机的电磁设计2.1 额定数据和技术要求调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等.通过改变电机的各个参数来提高永磁同步电动机的效率η、功率因数cos ϕ、起动转矩st T 和最大转矩max T .本例所设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下：计算额定数据:(1) 额定相电压:N 220V U U ==(2) 额定相电流：3N N N N N1050.9A cos P I mU ηϕ⨯== (3) 同步转速：160=1000r /min f n p= (4) 额定转矩：3N N 19.5510286.5N m P T n ⨯== 2.2 主要尺寸和气隙长度的确定永磁电机的主要尺寸包括定子内径和定子铁心有效长度,它们可由如下公式估算得到:2i11P D L C n '= N N N cos E K P P ηϕ'=， 6.1p Nm dp C K K AB δα=' 式中，i1D 为定子内径，L 为定子铁心长度，P '为计算功率，C 为电机常数。
永磁电机斜极角度计算摘要：1.引言2.永磁电机的工作原理3.斜极角度的概念和作用4.斜极角度的计算方法5.计算实例6.结论正文：永磁电机斜极角度计算在电机设计和运行中具有重要的意义。
永磁电机利用永磁体产生磁场，取代了传统的电磁线圈，使得电机具有更高的效率和更小的体积。
然而，永磁电机的磁场分布和传统电机有很大不同，需要考虑斜极角度对电机性能的影响。
永磁电机的工作原理是利用永磁体产生磁场，通过电流产生转矩，从而驱动电机转动。
在永磁电机中，永磁体的形状和排列方式会影响电机的性能。
斜极角度是永磁体在电机中的倾斜角度，它会影响电机的磁场分布、磁阻转矩和电机的效率。
斜极角度的概念和作用主要体现在以下几个方面：1.磁场分布：斜极角度的变化会导致磁场分布的变化，进而影响电机的磁阻转矩和效率。
2.磁阻转矩：斜极角度的变化会影响磁阻转矩的大小和方向，从而影响电机的转矩和转速。
3.电机效率：斜极角度的变化会影响电机的效率，通过合理调整斜极角度，可以提高电机的效率。
斜极角度的计算方法主要有以下几种：1.解析法：通过分析电机的磁场分布和磁阻转矩的表达式，求解斜极角度。
这种方法适用于磁场分布简单的情况。
2.数值法：通过有限元分析软件，对电机的磁场进行数值模拟，求解斜极角度。
这种方法适用于磁场分布复杂的情况。
3.实验法：通过实验台架测试，调整斜极角度，观察电机性能的变化，从而确定合适的斜极角度。
这种方法适用于实际应用场合。
下面我们通过一个计算实例，来演示斜极角度的计算过程。
假设我们有一台2 极永磁电机，永磁体的厚度为h，宽度为w，极数为2，电流为I，磁场强度为B。
我们需要求解斜极角度α。
根据电机的磁场分布和磁阻转矩公式，我们可以得到：T = 2 * I * B * sin(α) * w * h通过调整斜极角度α，我们可以观察磁场转矩T 的变化，从而确定合适的斜极角度。
总之，永磁电机斜极角度计算是电机设计和运行中的一个重要环节。
三相同步电机分析1. 电流设置问题电流的幅值*sin(2*pi*频率*time+delta)电流极大值：电流有效值*sqrt(2)频率：f=p*n/60 p为转子级对数，即Pr2. 电压的初相位调整根据出来的A相电压调整其位置，对于电压半个周期相位为360/2/Pr，务必使A相的电压满足正弦波形3. 分析时长与步长的控制分析时长选择一到两个周期，周期的计算方法：T=1/f=p*n/60分析步长选择分析时长的1%-2%，此外，每隔一到十个记一次数4. 基于坐标变换的交流磁场磁通密度的调整(-Moving1.Position -初始相位 * PI/180) * 极对数 + PI注意前面要加个负号5. 空载情况下的三个校核要点电流要为零+A相电压从零开始起步+Flux_q=0(磁通变化后)Flux-d是沿磁极正向的磁场强度，Flux-q是垂直于磁场方向的磁场强度，正常情况下，垂直于磁场方向应该为06. 删除现有的结果7. 负载要将电流初相位delta改为零，然后给电流的大小赋值8. 气隙磁密分布情况使用气隙中间的圆线作为参考面，使用场计算器计算B在中心面上的径向与切向分量在result中添加曲线可以在此处更改对应的时间9. 对气隙磁密进行傅里叶分解首先要进行坐标变化，把横坐标变成1，并且注意要用标准单位可以用鼠标划分局部显示傅里叶结果的横坐标是谐波极对数（频率），纵坐标是谐波幅值10. 网格划分问题可以通过画圆圈线手动加密气隙网格密度，画圈之后，将coverlines删除，将自动保留线画完曲线之后再画网格，并通过plotmesh查看11. 矢量场向量曲面积分计算问题在指定的曲线上，当需要插入函数的时候，先将变量以及加减乘除运算符先加上，然后使用积分函数integ 函数，需要注意的是，此处为矢量的线积分，要注意公式的转换·1，一般，极坐标积分可以提出一个r 出来，即：()r f d θθ∫在线积分时就变成了：()l f d θ∫。
永磁同步直线电机数学模型永磁同步直线电机是一种应用于直线运动控制系统的新型电机。
它具有高效率、高精度、高刚度和快速响应的特点，广泛应用于工业自动化、高速列车、机床、印刷、数控机床、半导体设备等领域。
永磁同步直线电机的数学模型是描述其运动规律的数学表达式。
通过建立数学模型，可以分析和预测电机的性能，并设计出最优的控制策略。
永磁同步直线电机的数学模型主要包括动态模型和静态模型两部分。
动态模型描述了电机的运动状态和响应特性。
它基于牛顿第二定律和电机动态方程建立，考虑了电机的负载惯性、摩擦力和电磁力等因素。
动态模型可以用于分析电机的加速度、速度和位置等动态性能。
静态模型描述了电机的静态特性。
它基于电机的静态平衡方程建立，考虑了电机的电磁力、重力和摩擦力等因素。
静态模型可以用于分析电机的静态力学性能，如电机的负载能力和刚度等。
在建立永磁同步直线电机的数学模型时，需要考虑电机的结构参数、电磁参数和控制参数等因素。
结构参数包括电机的长度、宽度和高度等几何尺寸，电磁参数包括电机的磁极数、电流和磁链等参数，控制参数包括电机的控制电流和控制电压等参数。
根据实际应用需求，可以对模型进行简化或者增加更多的参数，以提高模型的准确性和适用性。
通过数学模型，可以对永磁同步直线电机的性能进行分析和优化。
例如，可以通过模型预测电机的响应时间、稳态误差和精度等指标，在设计过程中选择合适的结构参数和控制参数，以实现最佳性能。
此外，还可以通过模型分析电机的负载能力和刚度，评估电机在不同工况下的可靠性和稳定性。
永磁同步直线电机的数学模型是分析和设计电机的重要工具。
通过建立准确的数学模型，可以深入理解电机的运动规律和特性，为电机的应用和控制提供有效的指导。
同时，也可以通过模型优化电机的性能，提高电机的效率和精度，满足不同领域和应用的需求。
永磁同步电机计算实例
永磁同步电机（PMSM）的控制涉及到多个步骤，包括电流检测、坐标变换、电流控制和电压矢量计算。
下面是一个简单的PMSM计算实例，涵盖了这
些主要步骤：
1. 电流检测：使用霍尔效应电流传感器来测量三相定子电流。
假设测得的三相电流分别为ia、ib和ic。
2. 坐标变换：将三相电流从静止坐标系转换为两相坐标系。
在这个例子中，采用Park变换将三相电流ia、ib、ic转换为两相坐标系上的电流iα和iβ。
这个变换的公式如下：
iα = ia + (√3 / 2) ib - (1 / 2) ic
iβ = (1 / 2) ib + (√3 / 2) ic - ia
3. 电流控制：根据控制环的设定，计算出d轴和q轴的电流参考值Idref和Iqref。
然后，将实际测得的iα和iβ与参考值进行比较，得到误差信号。
4. 电压矢量计算：使用比例积分（PI）控制器来调节误差信号，并生成相应的电压矢量。
在PMSM中，通常使用电压矢量脉宽调制（SVPWM）来生
成控制电压。
根据误差信号和当前角度，可以估算出新的电压矢量，并确定SVPWM的占空比。
5. 角度估算：使用传感器（如光电编码器或旋转变压器）来测量电机的位置和速度。
根据这些测量值，可以估算出电机的角度。
这个角度用于坐标变换和电压矢量计算。
请注意，上述步骤是一个简化的示例，实际的PMSM控制算法可能更加复杂。
此外，还需要考虑其他因素，如电机参数、控制环路设计、电机热管理、电磁噪声等。
PMSM 电机在旋转dq 坐标系中定子电压和定子磁链方程为d ds d q q q s q d d d d f q q q d u R i dtd u R i dt L i L iψωψψωψψψψ⎧=+-⎪⎪⎪=++⎨⎪=+⎪⎪=⎩(1)d u ,qu 为d 、q 轴的定子电压；d L ，qL 为d 、q 轴的电枢电感，对于隐极电机来说d L =q L =L；di ，q i为d 、q 轴的电枢电流；d ψ，q ψ为d 、q 轴的定子磁链；sR 为电枢绕组电阻；fψ为永磁铁产生的磁链，为常量；ω为电机电角速度，有r p ωω=，p 为电机的极对数，r ω为电机转子角速度；由式（1）推出：11d sd r q d q f s r d q r qdi R i p i u dt L L di p R p i i udtL L L ωψωω-⎧=++⎪⎪⎨--⎪=-+++⎪⎩ (2)PMSM 电机在旋转dq 坐标系中电磁转矩方程为()()1.5 1.5 1.5e d q q d d q d q f q f qT p i i p L L i i i p i ψψψψ=-⎡⎤=-+⎣⎦=(3)PMSM 电机的转子动力学方程为re m r d T T b Jdt ωω--=(4)e T 为电机的电磁转矩； mT 为电机的负载扭矩；b 为电机的阻尼系数； J 为电机的转动惯量；由式（3）式（4）可以推出1.5f m r q r p T d bi dt J J J ψωω--=++(5)状态方程为X AX Bu C =++选取,d d q q r i u X i u u ω⎛⎫⎛⎫ ⎪== ⎪⎪⎝⎭ ⎪⎝⎭，由式（2）式（5）推出10001,0,01.5000sr f s rm f R p L L p R A p B C L L L T p b J JJ ωψωψ⎛⎫⎛⎫-⎛⎫⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎪⎪ ⎪=---== ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎪ ⎪⎪ ⎪-⎝⎭ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭。
