异步起动永磁同步电机设计
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毕业设计论文题目永磁同步电动机的设计及结构的研究(院)系电气与信息工程系专业电气工程及其自动化班级0 学号0 号学生姓名高富帅导师姓名完成日期2005年6月8日目录摘要 (1)Abstract (2)第1章绪论 (3)1.1永磁性材料简述 (3)1。
1。
1 稀土永磁材料 (3)1.1。
2 其它永磁材料 (4)1.1.2。
1 铝镍钴永磁 (5)1.1。
2.2 铁氧体永磁材料 (6)1。
1。
2。
3 粘结永磁材料 (6)1。
2永磁同步电机的发展概况 (6)1。
2.1永磁同步电机在国内的发展概况 (7)1。
2.2永磁同步电机在同外的发展概况 (7)1。
3永磁同步电动机的分类 (8)1.3.1永磁同步电动机简介 (8)1。
3.2永磁同步电动机的分类 (8)1.4永磁同步电动机的主要特点和应用 (9)第2章永磁材料的性能和选用 (11)2.1 永磁材料磁性能的主要参数 (11)2。
1.1退磁曲线 (11)2.1.2 回复曲线 (12)2.1。
3 内禀退磁曲线 (13)2。
1。
4 稳定性 (14)2.2 永磁材料的选择和应用注意事项 (15)2。
2.1永磁材料的选择 (15)2.2.2 永磁材料的应用注意事项 (16)第3章永磁同步电动机的结构和基本理论 (16)3.1永磁同步电动机的结构 (18)3.1。
1永磁同步电动机的总体结构 (18)3。
1。
2永磁同步电动机的转子磁路结构 (19)3。
1。
2.1表面式转子磁路结构 (20)3.1.2.2内置式转子磁路结构 (21)3.1.2。
3爪极式转子磁路结构 (23)3.1.3隔磁措施 (23)3.2 永磁同步电动机的基本理论 (23)3.2。
1 稳态运行和相量图 (23)3。
2。
2永磁同步电动机的稳态性能分析和计算 (25)3。
2。
2。
1电磁转矩和矩角特性 (25)3。
2.3 工作特性曲线 (27)3.3永磁同步电动机的磁路分析与计算 (27)3。
3.1磁路计算特点 (27)3。
同步电动机启动原理与励磁系统分析摘要:对于同步电动机而言,它的起动方法有好几种,例如:辅助电动机起动法、变频起动法和异步起动法。
而异步起动法就是同步电动机在转子上装有类似感应电动机笼型绕组的起动绕组(即阻尼绕组),电动机转子由磁极冲片叠片而成的磁极、圆筒磁轭等组成,磁极设有横、纵阻尼绕组。
当电动机接通电源后,便能产生异步转矩起动电动机到接近同步转速,然后设法将电动机牵入同步。
大多数同步电动机都是采用此方法起动的。
本文对同步电动机启动原理与励磁系统进行分析,以供参考。
关键词:同步机;启运原理;励磁分析引言压缩空气储能(Compressed-Air-Energy-Storage,CAES)是一种具有储能容量大、使用周期长、响应速度快等优点的大规模储能技术方案,同时较电池储能更加安全可靠,较抽水蓄能不那么依赖于地理环境,近年来引起国内外大型企业及研究机构的高度关注,国内也相继建成多个集成示范项目。
其中压缩空气储能环节,因为压缩机空气流量及出口压力一般都比常规压缩机要大很多,及在项目装机容量和建设规模的要求,所以一般选择大型同步电动机作为压缩机的驱动。
同时,同步电动机也以其优异的功角特性及良好的性能在动力拖动中有着广泛的应用。
1永磁同步电动机控制方法简述永磁同步电动机控制方法主要采用变频调速方法。
交流电动机的变频调速系统主要控制形式分为开环控制和闭环控制。
比较2种控制方式,因永磁同步电动机在开环控制方式下无法将电机转子位置信号和电机运行的实际速度信号作为实时反馈信号,易出现电机运行失步和突然停车等问题,从而造成永磁同步电动机退磁故障,所以开环控制的变频调速系统并不适用于永磁同步电动机。
为精确得到电机的转子位置信息和电机运行速度信息,实现永磁同步电动机的闭环控制,目前主要采用的方法是在电机的转轴上安装高精度的传感器。
其中,电梯行业常见的传感器主要为光电编码器来检测电机的转子位置信息和电机转速。
FOC控制是一种使用变频器来控制三相交流电机的技术。
一、永磁同步无齿轮曳引机与有齿轮曳引机相比有哪些优点?1 体积小、重量轻伊士顿电梯引进和技术转化的永磁同步曳引机采用高性能钕铁硼稀土永磁材料和现代永磁电机设计技术,使曳引机的功率传输密度大大提高,取消了传统有齿轮曳引机的齿轮减速机构(齿轮减速箱),实现了曳引机的无齿轮传动,使得曳引机的整个体积缩小30%左右,重量减轻30%左右。
2 噪音低、振动小由于取消了齿轮减速机,有效降低了曳引机传输系统的噪音和振动,同时消除了传统有齿轮曳引机有可能发生的曳引机机械振动频率与建筑物固有频率发生共振现象,噪音下降可达10分贝.3 少维护或免维护齿轮减速机的取消,不用在使用齿轮油和每年1—2次的更换,大大减少了曳引机的维护成本和工作,使曳引机做到少维护甚至免维护。
4 效率高、节能永磁同步曳引机采用永磁体励磁,没有励磁损耗,电机本身效率提高,另外齿轮减速箱的取消,减少了曳引机曳引传动中的机械能量损耗,使整个曳引传动系统的效率大大提高(可达40%),功率减少30%左右,节能效果显著。
5 可靠性高曳引轮与制动轮采用整体结构形式,安全可靠性提高。
制动系统采用上电释放的双臂闸瓦刹车系统,双臂制动力矩达2.2倍额定转矩,安全性更高。
6 安装过程简化由于无齿轮永磁同步曳引机本身具有上行超速保护功能,不用在另外增加上行安全钳(额外增加上行超速保护装置),简化安装过程,减少故障点。
7.节约成本1)齿轮减速机的取消,不用在使用齿轮油和每年1—2次的更换;2)机房尺寸可以降低和缩小;二、我公司永磁同步无齿轮曳引机产品概况伊士顿电梯率先在国内通过 2.5M/S高速永磁同步无齿轮的国家电梯质量检验中心检验,各项性能指标均符合国家标准要求。
目前永磁同步无齿轮曳引机产品包括N(ESW800)和W(ESW1000)两个系列。
N(ESW800)系列为内转子结构,与普通电机结构相同,即电机的转子位于电机内部,定子位于转子外部并固定在机座内腔。
内转子结构适用于大载重量、高速度应用要求。
永磁电机在火电厂中的应用研究摘要: 文章对国内外永磁同步电机的发展现状进行了简单分析,根据永磁电机的特点,分析永磁电机在火电厂中三个典型的技术经济优势,在火电厂的辅机中用高效永磁同步电动机代替异步电机,具有良好的节能效果。
关键词:永磁同步电机稀土永磁材料异步启动永磁同步电动机变频永磁电机永磁电机与电励磁电机相比,永磁电机具有结构简单,运行可靠;损耗小,效率高;电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点,因而应用范围遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。
1 国内外永磁同步电机的发展现状历史上第一台电机是永磁电机,1821年法拉第发现通电的导线能绕永磁铁旋转,第一次成功地实现了电能向机械能的转换,从而建立了电机的实验室模型,被认为是世界上第一台电机。
当时,永磁材料为天然磁铁矿石(Fe3O4),性能比较差,其剩磁和矫顽力都太低,不久就被电励磁电机取代了。
1845年英国的惠斯通用电磁体代替了天然永磁铁,1857年发明了自励电励磁发电机。
由于电励磁方式能在电机中产生足够强的磁场,使电机体积小、重量轻、性能优良,在此之后的一百多年里,电励磁电机理论和技术得到了迅猛的发展,而永磁励磁方式在电机中的应用则较少。
1967年出现的稀土永磁材料具有很强的剩磁、矫顽力和较大的磁能积,使大功率永磁电机登上历史的舞台。
进入90年代以来,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,永磁电机的研究开发进入一个新阶段,应用也越来越广泛。
我国稀土资源丰富,稀土永磁的产量居世界前列,使得稀土永磁材料的产品质量不断提高、成本价格不断降低,为制造较大功率的中国稀土永磁电机奠定了坚实基础。
永磁电机在船舶(电力推进系统)、轨道交通(高铁、动车)、新能源汽车、风力发电、电梯(永磁同步曳引机)、航空航天(无刷直流电机)、机床(伺服控制)等领域已得到了广泛的应用,但永磁电机目前在火力发电厂中的应用还不多。
永磁同步电机与异步电机永磁同步电机和异步电机是两种常见的电动机类型,它们在工业和家庭应用中都有广泛的应用。
本文将介绍这两种电机的原理、特点和应用领域,旨在帮助读者更好地理解和区分它们。
一、永磁同步电机永磁同步电机是一种使用永磁材料作为励磁源的电机。
它的原理是通过永磁体产生的磁场和定子线圈产生的旋转磁场之间的相互作用来实现电机的转动。
永磁同步电机具有以下特点:1. 高效率:永磁同步电机由于没有励磁损耗,所以具有较高的效率,通常可达到90%以上。
2. 高起动转矩:永磁同步电机在起动时可以提供较大的转矩,适用于需要快速启动和停止的场合。
3. 精确控制:永磁同步电机可以通过改变定子线圈的电流和频率来实现精确的转速和转矩控制。
4. 体积小、重量轻:永磁同步电机由于没有励磁线圈,所以结构相对简单,体积小,重量轻。
永磁同步电机广泛应用于工业自动化、航空航天、电动汽车等领域。
例如,它可以用于工业机械的驱动,如机床、风机、泵等;还可以用于电动汽车的驱动系统,提供高效率和高性能的动力。
二、异步电机异步电机是一种常见的交流电动机,工作原理是通过定子线圈产生的旋转磁场和转子铁芯之间的相对运动来实现电机的转动。
异步电机具有以下特点:1. 结构简单:异步电机由于没有永磁体或励磁线圈,所以结构相对简单,制造成本低。
2. 起动转矩较低:异步电机在起动时的转矩较低,需要较长的时间来加速到额定转速。
3. 转速波动较大:异步电机的转速会受到负载变化的影响,容易产生转速波动。
4. 维护成本低:异步电机结构简单,故障率低,维护成本相对较低。
异步电机广泛应用于家用电器、工业设备、水泵等领域。
例如,它可以用于家用洗衣机、冰箱、空调等家电的驱动;还可以用于工业生产线上的传动装置,如输送带、搅拌机等。
总结:永磁同步电机和异步电机是两种常见的电动机类型,它们在结构、工作原理和应用领域上有所不同。
永磁同步电机具有高效率、高起动转矩、精确控制等特点,适用于高性能和精确控制要求的场合;而异步电机则具有结构简单、维护成本低等特点,适用于一般功率和速度要求的场合。
感应异步和永磁同步感应异步和永磁同步是两种常见的电机类型。
它们具有不同的结构和工作原理,适用于不同的应用场合。
本文将详细介绍这两种电机的特点和优缺点。
一、感应异步电机感应异步电机是一种常见的交流电机,其结构简单、可靠性高、成本低,广泛应用于各种工业场合。
感应异步电机的工作原理是在电枢中产生旋转磁场,使转子受到电磁力的作用而运动。
感应异步电机可以分为单相感应电机和三相感应电机两种类型。
单相感应电机具有结构简单、成本低、可靠性高等优点,广泛应用于家用电器、小型机械等场合。
但是,单相感应电机的起动转矩较小,容易出现起动困难的问题,需要采用启动电容器等辅助装置来解决。
三相感应电机具有转矩大、效率高、功率密度高等优点,广泛应用于工业生产中。
但是,三相感应电机的功率因数较低,容易出现功率损耗大的问题,需要采用电容器等辅助装置来提高功率因数。
二、永磁同步电机永磁同步电机是一种新型的电机类型,其结构复杂、成本较高,但具有高效率、高功率密度、高精度等优点,适用于高性能和高要求的应用场合。
永磁同步电机的工作原理是利用永磁体的磁场和定子线圈的旋转磁场之间的相互作用,使转子同步运动。
永磁同步电机可以分为表面永磁同步电机和内嵌永磁同步电机两种类型。
表面永磁同步电机的永磁体安装在转子表面,结构简单、制造成本低,但容易出现热问题,需要采用冷却装置来解决。
内嵌永磁同步电机的永磁体嵌入到转子中,结构复杂、制造成本高,但具有高功率密度、高精度等优点,适用于高性能和高要求的应用场合。
三、感应异步电机和永磁同步电机的比较感应异步电机和永磁同步电机各有优缺点,适用于不同的应用场合。
相比之下,感应异步电机具有结构简单、成本低、可靠性高等优点,适用于大多数应用场合。
而永磁同步电机具有高效率、高功率密度、高精度等优点,适用于高性能和高要求的应用场合。
感应异步电机和永磁同步电机在起动转矩、功率因数、效率等方面也有所不同。
感应异步电机的起动转矩较小,需要采用辅助装置来解决起动困难的问题。
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WORD文档可编辑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,根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。
在异步启动的研究阶段中,电动机的转速是从零开始逐渐增大的,造成上诉的主要原因是其在异步转矩、永磁发电制动转矩、由转子磁路不对称而引等一系列的因素共同作用起的磁阻转矩和单轴转矩下而引起的,所以在这个过程中转速是振荡着上升的。
在起动过程中,质的转矩,只有异步转矩是驱动性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,而出现转速的超调现象。
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普通的感应电机的结构非常非常的相似,主要是区别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。
图1-1面贴式的永磁同步电机在工业上是应用最广泛的,其最主要的原因是其拥有很多其他形式电机无法比拟的优点,例如其制造方便,转动惯性比较小以及结构很简单等。
第一章永磁同步电机的道理及构造永磁同步电机的道理如下在电念头的定子绕组中通入三相电流,在通入电流后就会在电念头的定子绕组中形成扭转磁场,因为在转子上装配了永磁体,永磁体的磁极是固定的,依据磁极的同性相吸异性相斥的道理,在定子中产生的扭转磁场会带动转子进行扭转,最终达到转子的扭转速度与定子中产生的扭转磁极的转速相等,所以可以把永磁同步电机的起动进程算作是由异步启动阶段和牵入同步阶段构成的.在异步启动的研讨阶段中,电念头的转速是从零开端逐渐增大的,造成上诉的重要原因是其在异步转矩.永磁发电制动转矩下而引起的,所以在这个进程中转速是振荡着上升的.在起动进程中,其他的转矩大部分以制动性质为主.在电念头的速度由零增长到接近定子的磁场扭转转速时,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出同步转速,而消失转速的超调现象.但经由一段时光的转速振荡后,最终在同步转矩的感化下而被牵入同步.永磁同步电机主如果由转子.端盖.及定子等各部件构成的.一般来说,永磁同步电机的最大的特色是它的定子构造与通俗的感应电机的构造异常异常的类似,主如果差别于转子的奇特的构造与其它电机形成了不同.和经常运用的异步电机的最大不合则是转子的奇特的构造,在转子上放有高质量的永磁体磁极.因为在转子上安顿永磁体的地位有许多选择,所以永磁同步电机平日会被分为三大类:内嵌式.面贴式以及拔出式,如图 1.1所示.永磁同步电机的运行机能是最受存眷的,影响其机能的身分有许多,但是最重要的则是永磁同步电机的构造.就面贴式.拔出式和嵌入式而言,各类构造都各有其各自的长处.图1-1面贴式的永磁同步电机在工业上是运用最广泛的,其最重要的原因是其失去许多其他情势电机无法比较的长处,例如其制造便利,迁移转变惯性比较小以及构造很简略等.并且这种类型的永磁同步电机加倍轻易被设计师来进行对其的优化设计,个中最重要的办法是将其散布构造改成正弦散布后可以或许带来许多的优势,运用以上的办法可以或许很好的改良电机的运行机能.拔出式构造的电机之所以可以或许跟面贴式的电机比拟较有很大的改良是因为它充分的运用了它设计出的磁链的构造有着不合错误称性所生成的奇特的磁阻转矩能大大的进步了电机的功率密度,并且在也能很便利的制造出来,所以永磁同步电机的这种构造被比较多的运用于在传动体系中,但是其缺点也是很凸起的,例如制造成本和漏磁系数与面贴式的比拟较都要大的多部,比拟较而言其构造固然比较庞杂,但却有几个很显著的长处是毋庸置疑的,较就会产生很大的转矩;因为在转子永磁体的装配方法是选择嵌入式的,所以永磁体在被去磁后所带来的一系列的安全的可能性就会很小,是以电机可以或许在更高的扭转速度下运行但是其实不须要斟酌转子中永磁体是否会因为离心力过大而被损坏.为了表现永磁同步电机的优胜机能,与传统异步电机来进行比较,永磁同步电机特殊是最经常运用的稀土式的永磁同步电机具有构造简略,运行靠得住性很高;体积异常的小,质量特此外轻;损耗也相对较少,效力也比较高;电机的外形以及大小可以灵巧多样的变更等比较显著的长处.恰是因为其失去这么多的优势所以其运用规模异常的广泛,几乎广泛航空航天.国防.工农业的临盆和日常生涯等的各个范畴.永磁同步电念头与感应电念头比拟,可以斟酌不输入无功励磁电流,是以可以异常显著的进步其功率身分,进而削减了定子上的电流以及定子上电阻的损耗,并且在稳固运行的时刻没有转子电阻上的损耗,进而可以因总损耗的降低而减小电扇(小容量的电机甚至可以不必电扇)以及响应的风磨损耗,从而与同规格的感应电念头比拟较其效力可以进步2-8个百分点.先对永磁同步电机的转速进行研讨,间的转速关系时速也为 n r/min,所以定子的电流响应的频率是因为定子扭转的磁动势的扭转速度是由定子上的电流产生的,所以应为可以看出转子的扭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征研讨,可以运用电念头的通例来直接写出它的电动势均衡方程式(1.2)对于永磁同步电机的功率而言,同样依据发电机的通例可以或许得到永磁同步电机的电磁功率为(1.3)对于永磁同步电机的转矩而言,转矩和功率是成(1.4)第二章永磁同步电机物理模子开环仿真下面临永磁同步电机物理模子的开环进行仿真,在仿真之前先介绍各个单元模块,以便于对模子进行更好的仿真.逆变器单元,逆变是和整流相对应的,它的重要功效是把直流电转变成交换电.逆变可以被分为两类,包含有源逆变以及无源逆变.个中有源逆变的界说为当交换侧衔接电网时,称之为有源逆变;当负载直接与交换侧相连时,称之为无源逆变.以图2-1的单相桥式逆变电路的例子来解释逆变器的工作道理.图2-1逆变电路图2-1中S1-S4为桥式电路的4个臂,帮助电路构成的.当开关,S2.S3断开时,负载电压;当S1.S4断开,S2.S3闭应时,其波形如图2-2所示.图2-2逆变电路波形经由过程这个办法,就可以把直流电转变成交换电,只要转变两组开关响应的切换频率,就可以转变交换电的输出频率.这就是逆变器的工作道理.当负载是电阻时,,相位也雷同.当负载是阻感时,形也不合,图2-2.设S1.S4,同时合上S2.S3,则.但是,恰是因为负载中消失着电感,个中的电流极性仍将保持本来的偏向而不克不及连忙转变.这时负载电流会从直流电源负极而流出,经由S2.负载和S3再流回正极,,负载电流要逐渐减小,到,之后大.S2.S3断开,S1.S4闭应时的情形类似.上面是S1-S4均为幻想开关时的剖析,实际电路的工作进程要比这更庞杂一些.逆变电路依据直流侧电源性质的不合可以被分为两种: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.它们也分离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构成的.在三相逆变电路中三相桥式逆变电路运用的最为广泛.如图2-3所示的三相电是由三个半桥逆变电路构成的.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,但是为了便利剖析,画出了串联的两个电容器并且标出设想的中点单相半桥和全桥逆变电路是具有许多类似点的,三相电压型桥式逆变电路也是以180度的导电方法作为其根本的工作方法,统一半桥高低两个臂瓜代着导电,每相之间开端导电的角度以120度相错开.如许在任何时刻,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因为每次换流都是在统一相上的两个桥臂之间交换进行.逆变器的参数设置如图2-4所示图2-4逆变器模块参数设置六路脉冲触发器模块,如图2-5所示图2-5六路脉冲触发器模块同步六路脉冲产生器模块可用于许多范畴.六路脉冲触发器的重要部分.下面的图表显示了一个0度的α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,以度的情势.该输入可以衔接到一个恒定的模块或者它可以衔接到掌握体系来掌握发电机的脉冲AB.BC.CA为输入的ABC三相的线电压Freq频率的输入端口,这种输入应当衔接到包含在赫兹的根本频率,恒定的模块.Block六路脉冲触发器的参数设置如图2-7所示图2-7六路脉冲触发器参数设置图2-8整体开环仿真框图本文在基于Matlab下树立了永磁同步电机的开环电机模子的仿真.Ω,直轴感抗为0.027H,交轴感抗为0.067H,漏磁通λf为0.272wb,迁移转变惯量J2,粘滞摩擦系数B为0.得到的仿真成果图如图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),从电机起动开端,速度逐渐上升,达到给定值须要的时光比较长,换句话说就是电机的响应时光较长,并且在达到稳固值邻近时的转速摇动也比较大,可能是因为永磁同步电机的内部构造很庞杂,也可能是跟电机没有任何掌握有关,愿望在搭建了速度转矩双闭环掌握后的转速的响应时光能缩短,达到给定值邻近时的高低摇动能减小转矩的成果如图2-10所示图2-10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邻近摇动,摇动规模照样比较大,产生摇动的重要原因照样电机庞杂的内部构造,以及在没有任何掌握的情形下才消失的,愿望在搭建成速度转矩双闭环掌握下可以使其摇动的规模减小,无穷的接近于零.电流的仿真成果如图2-11所示图2-11永磁同步电机电流曲线对于永磁同步电机开环物理模子仿真的电流,电流在电机开端运行时电流会在短时光内上升并振荡,但很快就接近与零值并且在零值邻近摇动.第三章永磁同步电机双闭环仿真在MATLAB下的SIMULINK情形中,运用个中的各类模块,树立了永磁同步电机双闭环掌握体系仿真模子.该体系是由PI掌握器构成的速度环和滞环电流掌握器树立的电流环配合掌握的双闭环掌握体系.经由过程给定转速与实际转速的比较产生的误差,将产生的误差旌旗灯号送入PI掌握器,再由PI掌握器送达转速掌握模块.并经由过程坐标变换产生的参考电流,与PMSM输出的实际电流比拟较,再经由过程桥路逆变器产生输入PMSM的三相电压,经由坐标变换后直接输入到PMSM本体掌握其运行.最终达到在运用双闭环掌握体系的掌握下可以或许实现实际转速与期望转速相一致的目标.依据模块化的思惟,我们可以将体系的整体构造划分为以下几个重要部分:3.1.1 PMSM本体模块在全部仿真进程中,电机本体模块是个中最重要的模块之一.依据公式而P 为极对数) (3.2)‘ 则可以树立如下的电机本体模块,如图3-2所示:图3-1 PMSM 电机本体模块转速掌握模块是由比例积分掌握器依据比例积分掌握道理树立的,如图3-3所示的比例积分PI 掌握模块.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].图3-2 PI 掌握模块,,而直0,则由此可以看出转矩与电机交轴电流之间消失必定的线性关系.在仿真进程中是由程序实现的,转矩掌握模块也是依据以上的道理树立的. 在仿真中,重要有4个坐标变换的模块:两相扭转坐标系向两相静止坐标系变换(d —q 到,两相静止的坐标系向三相坐标是到abc ),以及三相坐标系向两相静止坐标系变换(abc 到,到 d —q ),.响应的坐标变换公式如下所示:两相扭转坐标系向静止坐标系变换:(3.5)两相静止坐标系向三相坐标系变换:(3.6)(3.8)响应的反变换为:(3.10)(3.11)(3.12)依据坐标变更公式(—)可以树立如图3-3.图3-4.图3-5.图3-6的坐标变换模块.图3—4 α-β到abc坐标变换图3—5abc到α-β坐标变换图3—6 α-β到d-q坐标变换对于电流掌握方法而言,采取的是滞环掌握.起首肯定一个期望值,依据滞环的带将近在期望值的两侧来肯定一个规模,当实际输出电流达到滞环宽度以上的时刻,就会输出高值旌旗灯号,从而达到对输出电流调节的目标.滞环掌握器的模块是依据滞环掌握道理搭建的,如图3-7所示.在图3-7中起首将实际电流与期望电流进行比较后产生误差,再经由滞环掌握器后产生三相电压旌旗灯号.然后经由数据逻辑非运算器器件和类型变换装配产生IGBT桥路6个IGBT管的门极脉冲旌旗灯号.因统一相上的桥臂的管子触发脉冲是相反的,所以只要在本来的三相脉冲旌旗灯号上加上逻辑非即可构成响应的6路脉冲触发旌旗灯号,掌握各个IGBT管的导通以及封闭.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,滞环掌握器即开通,输出值为1,当误差小于滞环宽度的负值时,滞环掌握器即关断,输出为0.图3—7 滞环掌握器构造电压源逆变器如图3-8所示,依据3.1.5小结末节中我们研讨的电流掌握器,它可以或许产生出IGBT的门极旌旗灯号,并且经由过程这个旌旗灯号来掌握每个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感化在负载上,依据误差的大小来产生输入到PMSM的三相电压Vabc,经由过程这个产生出来的三相电压来调节PMSM的实际转速也能同时调节交直轴的电流,最终达到实际值与期望值相等的目标.这个逆变桥的IGBT管是选用的IRGIB10B60KD1.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直流电压为20V,左下角自力的部分是IGBT桥路中流经IGBT管的电流以及电压的测量装配,可经由过程它得到流经每个IGBT管的电压和电流,要想得到IGBT管上的损耗功率只需将统一个IGBT管的电压电流和电压相乘即可,要想得到在一段时光内单个IGBT管上的消费功率的总和,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 电压逆变器构造3.2 仿真成果图3-9 整体仿真框图直轴感抗为0.027H,交轴感抗0.067H.粘滞摩擦系数B为0.本次仿真就是为了验证所设计的PMSM双闭环掌握体系的仿真模子的静.动态机能是否得到改良,是否达到预想的成果以及体系空载启动的机能是否优胜它的优胜性可否表现出来,体系先是在空载情形下启动,在t=0.4s时突加负载2Nm,可以得到体系转速.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3-10 永磁同步电机双闭环掌握转速图3.11 永磁同步电机双闭环掌握转矩图3.12图3.13图 3.14 永磁同步电机双闭环i电流曲线经由过程上面的仿真图可以很显著的看出:在给定的参考转速不变的情形下,体系从吸收到旌旗灯号到可以或许响应须要的时光很短并且高低的摇动不是很大总体来看照样很安稳的,在起动阶段体系是保持转速恒定的,并且在空载稳固速度下运行时,不斟酌体系的摩擦转矩,是以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.在忽然加上负载后,转速产生了忽然的降低,但是又能比较快的恢复到稳固的状况,稳态运行时转速没有静差,但忽然加上负载后,电磁转矩就会略有增大,这是因为开关的频仍切换所造成的.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,这很相符永磁同步电机的特征.仿真成果标明电机的动静态机能比较好,得到仿真之前预期的目标,解释建模仿真的办法是比较幻想的,是精确的.第四章永磁同步电机开环和双闭环仿真比较经由过程第二章的研讨和剖析,可以看出永磁同步电机在开环的运行情势下,得到的转矩.电流.转速的波形跟我们想要的后果有很大的差距,个中会消失从起动开端,达到稳固的时光比较长,并且到达稳准时的后果也比较差,波形很显著.这主如果因为开环运行的前提下体系广泛消失的问题较多(1)在开环体系中,各类参数间互相之间影响并且互相制约着,所以很难再对换节器的参数进行更好的调剂,因而体系的动态机能的缺点很显著,在这种情形下不是很幻想.(2)任何扰动在转速消失误差后也无法调剂,因而转速动态降低较大.相对开环来讲在第三章研讨的永磁同步电机的双闭环掌握体系就对电机调节的优势就很显著,如仿真成果标明:对永磁同步电机双闭环掌握体系的仿真成果进行波形剖析,可以很清晰的看到其的合理性,并且体系可以或许在异常安稳的状况下运行,跟开环掌握体系比拟较而言它具有较好的静.动态特征,可以或许达到我们所期望的目标.所以我们可以得出以下结论,采取该PMSM双闭环掌握体系模子仿真,可以异常便捷地不雅察出它和开环情形下永磁同步电机比拟较的优胜性,实现同时也能很精确的验证其算法是否合理,只须要对个中一部分的功效模块进行调换或者是合理的恰当的修正,就可以或许实现对掌握计谋的改换或改良,不但可以间断对计划的设计周期进行掌握,并且还能快速验证所设计的掌握算法是否精确是否合理,更优胜的地方是可以或许充分地运用盘算机仿真的优胜性.经由过程修正体系的参数变量某工资的参加不合扰动身分来考核在各类不合的实验前提下电机体系的动.静态机能,或者是模仿雷同的实验前提,经由过程各类参数或者不合的波形来比较不合的掌握计谋的优势和劣势,为剖析和设计不合的永磁同步电机掌握体系供给了更为有用的手腕和对象,也给为了实际电机掌握体系的设计以及调试供给了新的思绪.在双闭环体系中运用到了直接转矩掌握道理.直接转矩掌握是近几年来继矢量掌握技巧之后成长起来的一种具有高机能的一种新型的交换变频调速技巧.1985年由德国鲁尔大学Depenbrock传授第一次提出了基于六边形磁链的直接转矩掌握理论[1],1986年日本学者Takahashi 提出了基于圆形磁链的直接转矩掌握理论[2],紧接着1987年在弱磁调速规模为涉及到了它.不合于矢量掌握技巧,直接转矩掌握本身的特色是很凸起的.在矢量掌握中碰到的盘算庞杂.特征易受电念头的参数变更所影响.实际机能很难达到理论剖析成果等问题在直接转矩掌握中得到了很大程度的改良.直接转矩掌握技巧一诞生,它就以本身新鲜的掌握思绪,简练清晰明了的体系构造,优胜的静.动态机能而受到了人们广泛的留意,因而得到敏捷的成长.今朝该技巧已成功的运用到了电力机车的牵引以及晋升机等大功率交换传动上.ABB公司已将直接转矩掌握的变频器投放到了市场上.直接转矩掌握的思惟是想要直接掌握电机的电磁转矩要来掌握定子的磁链的办法,不像矢量掌握那样,要经由过程电流来掌握它的电磁转矩,而是在定子坐标系下不雅测电机的定子磁链和电磁转矩,并将磁链.转矩的不雅测值拿来与参考值经两个滞环比较强后得到的磁链.转矩掌握旌旗灯号,分解斟酌定子磁链的地位,要有开关选择恰当的电压空间矢量,掌握定子磁链的走向,从而来掌握转矩[13].和矢量掌握比拟较,它的长处在于它抛开了矢量掌握中的庞杂的思惟,直接对电机的磁链和转矩进行掌握,并用定子的磁链偏素来代替转子磁链的偏向,从而避开了电机中不轻易肯定的参数[3].经由过程本次的毕业设计,使我把从教材里学到的器械以及教材以外的常识接洽在了一路,在本次的毕业设计中我从最根本的对永磁同步电机的根本构造.工作道理等开端研讨,经由过程查阅大量的书本材料,使我获得了在本课题之外的许多常识,在此时代固然碰到了许多的问题,但是对于我来说这是一种动力,可以或许促使我更多的进修相干的常识,使我对永磁同步电机才干有更深刻的懂得,在做毕业设计的进程中才干得心应手.做毕业设计的进程中以永磁同步电机的开环仿真作为基本,最终搭建出对永磁同步电机的双闭环掌握,使其施展出其最好的机能,并与其开环时的电机机能进行比较,不雅察出双闭环掌握体系对电机有用掌握,达到我们预期和想要的目标.现代的社会中,电力电子技巧.微电子技巧.以及电机掌握理论等都敏捷的成长起来,恰是因为以上的成长,才使得永磁同步电机可以或许更好的被深刻研讨,以及最终达到广泛的运用.固然本次毕业设计对永磁同步电机的机能做出了一些改良,得到了一些有意义的成果,但是因为本身的才能有限,还须要进一步的进修和研讨.比方关于永磁同步电机的一系列难题,以及它的局限性,都是须要得到更多的学者来进行研讨,最后愿望永磁同步电机有个更好的明天.。
永磁异步电机工作原理永磁异步电机(Permanent Magnet Asynchronous Motor,简称PMA)是一种采用永磁体作为励磁源的异步电动机。
它结合了传统异步电机和永磁同步电机的优点,具有高效率、高功率因数和高起动转矩等特点。
下面将详细解释永磁异步电机的工作原理。
一、基本构造永磁异步电机由定子和转子组成。
定子是由三相绕组和铁芯构成,绕组通过交流电源供给三相交流电流,产生旋转磁场。
转子则由带有永磁体的铜条构成,其中的永磁体产生恒定的磁场。
定子和转子之间通过空隙隔开。
二、基本原理1.定子旋转磁场产生在永磁异步电机中,定子绕组通入三相对称交流电流,形成一个旋转的三相交流磁场。
这个旋转的磁场刺激了转子中的永磁体,在其周围形成了一个旋转的稳态磁场。
2.感应势引起感应电流由于转子中的永磁体在旋转磁场作用下,产生了感应势。
根据法拉第电磁感应定律,感应势会引起转子中的铜条上产生感应电流。
这些感应电流形成了一个额外的磁场,与定子旋转磁场相互作用。
3.转子受力及运动由于定子旋转磁场和感应电流产生的额外磁场之间的相互作用,将会在转子上产生一个力矩。
这个力矩使得转子开始旋转,并且随着时间推移逐渐加速。
当转速达到稳态时,力矩平衡,即所施加的力等于阻力,使得电机能够保持恒定的速度运行。
4.永磁体提供励磁在永磁异步电机中,永磁体提供了恒定的励磁源。
它不需要外部励磁设备来提供励磁电流,因此可以减少能源消耗并提高效率。
5.功率传输当电机启动后,在稳态运行时,定子绕组通过交流电源输入三相交流电流。
这些电流通过定子绕组产生的旋转磁场和转子中的永磁体之间的相互作用,将电能转换为机械能。
机械能通过轴传输到负载上,从而实现功率传输。
三、优点和应用永磁异步电机具有以下优点:1.高效率:由于永磁体提供了恒定的励磁源,减少了能源消耗并提高了效率。
2.高功率因数:由于永磁体提供了额外的励磁,使得电机具有较高的功率因数。
3.高起动转矩:由于定子旋转磁场与感应电流产生的额外磁场相互作用,使得电机具有较高的起动转矩。
摘要电机的起动电流近似的与定子的电压成正比,因此要采用降低定子电压的办法来限制起动电流,即为降压起动。
对于因直接起动冲击电流过大而无法承受的场合,通常采用降压起动,此时,起动转矩下降,起动电流也下降,所以只适合必须减小起动电流,又对起动转矩要求不高的场合。
常见降压起动方法:定子串电阻降压起动、Y/Δ起动控制线路、延边三角起动、软启动及自耦变压器降压起动。
关键词:三相异步电动机降压启动启动方法目录摘要---------------------------------------------------------------------- I 目录--------------------------------------------------------------------- II 第1章绪论-------------------------------------------------------------- 2第2章三相异步电动机的基本结构及工作原理-------------------------------- 21 定子部分----------------------------------------------------------- 32 转子部分----------------------------------------------------------- 33. 气隙δ------------------------------------------------------------- 54、三相异步电动机的铭牌数据--------------------------------------------55、三相异步电动机的工作原理--------------------------------------------5 第3章异步电动机的优缺点------------------------------------------------ 73.1 三相异步电动机的优点--------------------------------------------- 73.2 异步电动机存在的缺点--------------------------------------------- 7第4章三相异步电动机起动方式-------------------------------------------- 81、直接启动----------------------------------------------------------- 92、三相异步电动机的Y—Δ起动控制-------------------------------------103自耦变压器降压启动--------------------------------------------------11 4、绕线式异步电动机转子串接电阻起动-----------------------------------12 第5章三相异步电动机常见故障问题及处理-----------------------------------16第6章心得体会-----------------------------------------------------------17 结论--------------------------------------------------------------------- 17参考文献----------------------------------------------------------------- 19第1章绪论三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速,转子绕组因与磁场间存在着相对运动而产生感生电动势和电流,并与磁场相互作用产生电磁转矩,实现能量变换。
Ansoft EM专题讨论(三)——异步启动永磁同步电机设计 最近有感于论坛Ansoft版区学习的氛围越来越好了,这与各位版主的努力都是分不开的。看到前面两个专题中,我们的超版和技术精英们都做了很多工作,本着向大家学习的原则,我也来凑个热闹 本人在读研期间曾经涉猎过这种电机的设计与仿真,下面就把我很久以前做的一个练习分享给大家。做的不一定对,希望大家多多批评指正!这也是和大家学习的过程,望各位不吝赐教 其实,这种电机在实际设计过程中需要注意的问题还是很多的。很遗憾在校期间没能彻底解决这个领域的一些问题。这里也希望大家广泛针对该类电机的设计进行讨论和交流,向大家学习了! 下面先给出电机结构示意图
电机为典型的4极36槽结构,绕组为单层交叉,Y接形式,内置径向W型永磁体,采用冲片类型为DW315-50。具体的其他的电机参数将在RMxprt设计中给出 区别于前面两位版主的纯V11仿真,该算例采用了Ansoft RMxprt V5.0版本与Maxwell V11.1版进行了简易的联合2D仿真。对新人而言,V5.0的界面更加人性化和易于上手,推荐新同学使用。 运用Ansoft RMxprt V5.0进行基本的电磁设计,输入相应电机参数反复调试运行。下面给出本例的参数设置 基本参数 定子内外径和槽形尺寸 转子内外径和磁钢设计 转子槽形和端环设计
以上需要补充说明的是Ansoft RMxprt V5.0的材料设置问题和绕组编辑问题 就材料设置而言,大家可以利用软件自带的.h-b文件自行添加所需要的硅钢片材料,主要是需要查找一些手册来添加磁化曲线和损耗曲线,用记事本的格式进行编辑添加,放在指定的文件夹中,即可在设计中引用,图例DW315-50的.h-b文件,要对应操作窗口的各项参数进行添加,方可正确使用 添加后磁化曲线示意 添加后的损耗曲线示意 关于磁钢的材料设置,可以在软件的Magnet选项中任意添加所需材料的参数,如下图所示
注意,这里我给出的是电机在75℃的工作温度下,磁钢的性能参数 下面给出绕组连接方法。本算例定子采用单层交叉绕组,因为现有给定无法满足所需条件,采用了软件自带的绕组编辑器,连接方式如下图所示: 在编辑器的列表中,可以任意改变绕组相序,匝数,线圈的两边所在槽号,从而得到所需要的任意形式的绕组排布 Ansoft RMxprt V5.0的设计结果输出 除了可以导入到Maxwell里进行电机的有限元分析,经过RMxprt V5.0的设计计算后,我们还得得到以下的结果 1.冲片效果图 2.绕组排布 3.电磁计算单 其中用来进行有限元瞬态分析的主要是以下数据
4.性能曲线 Power Factor VS Torque Angle Input Line Current VS Torque Angle
Efficiency VS Torque Angle Air Gap Power VS Torque Angle
Starting Torque VS Speed One Conductor Induce Voltage at No Load
Air-Gap Flux Density at No Load Induce Winding Voltages at No Load
关于异步启动永磁同步电机的有限元分析,和三相异步电机有很多相似之处,我这里我重点讲不同,和需要注意的地方,有些问题在其他类电机分析中同样涉及。欢迎大家拍砖! 首先说下电机静磁场分析的前处理工作,静磁场分析主要是为了求解电机在某一运行工况时刻的状态和参数。通常我们比较关心的是额定工况运行时对电机的分析。下面给出的算例为定子通入额定电流,转子无电流流通的静磁场分析: 下图为对RMxprt模型导入Maxwell 2D进行静磁场分析后的界面, 前处理工作中有几个需要注意的地方,这里提一下: 1.Define Model
RMxprt导入的模型可能存在分段过少的现象,对于定子轭磁密以及齿槽转矩的计算有直接的影响。如要提高计算精度,我们可以通过下图所示方法进行修正 分别选中定子外径和Band,对圆弧细化到1分度,下图为修正Band分度到1度 2.Setup Materials 添加材料的方法大家看其他专题都有讲过,这里我重点提一个问题就是永磁体的设置问题: 很多人对磁钢的充磁方向总是容易混淆,拿我这个例子来说
(1)Align with object's orientation——充磁方向为默认的黑色箭头方向 (2)Align with a given direction——与系统X轴正半轴的夹角方向充磁 (3)Align relative to object's orientation——相对默认的黑色箭头的夹角方向充磁 本例中默认的方向(黑色)与系统X轴同向,所以,用(2)、(3)两种方法充磁输入的角度是完全相同的。充磁后,点击View Angle,可以看到充磁后实际的磁钢磁力线走向(红色) 3.Setup Boundaries/Sources 小型电机的计算量不大,为了减少麻烦,可以对电机取全模型分析,这样边界条件只需要加一个零磁矢位,加在电机的定子外径,如图所示
对RMxprt进行全模型导入Maxwell 2D可以进行如下设置(单元电机分析和主从边界的添加可以详见上一专题) 另一个问题就是加入定子电流源(是针对后续电感计算求解需要的): A相流入电流(PhA)输入值为25.66A,则A相流出(PhReA)电流为-25.66A;B相和C相与A相分别相差120°和240°,则PhB=-12.83A,PhReB=12.83A;PhC=-12.83A,PhReC=12.83A;分别将Define Model中分组后的三相绕组选中,施加电流激励,图示为A相流入电流源的施加
其他线圈依次设置,就不每个给出截图了 在电机的静磁场分析中,除了要通过计算得到电机的磁密、场图分布之外,我们可能还对某些参数感兴趣,最基本的包括电机的受力、转矩、电感参数(详细讨论见专题一)等等。在运算之前,我们通常要进行如下的预设置: 当你想要求物体的受力和扭矩时,你必须选择一些物体是旋转或者移动的。在我们这个例子里,我们将选择转子、轴和永磁体。首先点击 Setup Executive Parameters/Force,选择旋转的物体和点击Include Selected Objects。Torque的设置同理。分别如下图所示 Force的设置 Torque的设置 当我们要计算一个物体的电感时,必须在边界条件时让它是电流源; 在本例中,包括PhA,PhB,PhC,PhReA,PhReB,PhReC线圈。Maxwell计算的电感系数是整个A相(PhA和PhReA),你必须选择PhA和指定PhReA是它回来的路径。Maxwell知道把两项团体组成完整的A相。点击Setup Executive Parameters/Matrix-Flux 选择PhA和指定回来的路径是PhReA。 反复B和C相。如下图所示 经过以上设置后可以开始计算了 计算收敛后结束 计算后可以直接得到受力和扭矩值
单位长度的绕组电感系数 计算得到的电感矩阵耦合系数
除了以上可以直接得到的计算结果外,点击Post Process/Nominal Problem在这里通过利用Plot、Geometry以及场计算器等一些后处理操作得到需要的数据 点击Plot,我们可以实现以下功能 1、获取电机任意部分剖分效果图,利用mesh.下图给出的是整个模型的剖分示意 2、获取电机中软磁材料的磁化曲线,利用BH Curves.在本例中可选stator、rotor、shaft.下图给出定子材料的磁化曲线stator
3、获得电机的磁场分布,利用Field/flux lines,可以画出电机任意部分的磁力线分布图。下图给出的是整个电机的磁力线分布 4、获得电机的磁密分布云图,利用Field/mag B,可以画出电机任意部分的磁密分布云图。下图给出的是整个电机的磁密分布云图
5、用Geometry/Circle画出气隙线,然后通过场计算器获取气隙磁密波形曲线 气隙磁密的波形曲线客观上还取决于具体的位置,比如距定子内圆或转子外圆的距离,不同位置受齿槽影响不同,因此得出的曲线也会有所不同,下面给出气隙磁场某一位置的气隙磁密波形图
用同样的方法,我们可以得到定子齿磁密、转子齿磁密的波形曲线,这同样是电机设计的一个重要指标。通过得到圆周方向的分布曲线,我们可以验证电机设计是否合理,过高和过低的磁密都是不合适的。取齿宽最狭处,用Geometry/Circle画线,经场计算器计算,得到下面的磁密分布曲线 定子齿磁密分布 转子齿磁密分布 场分析部分我就先说这么多,下面谈谈异步起动永磁同步电机的瞬态分析。当然,大家
最关心的肯定是电机的起动过程仿真了,我准备分3个楼层阐述。原则还是,其他专题说过的,我就不详细说了。本楼重点谈下瞬态仿真的前处理工作,主要是对某些参数的处理,谈下我的个人见解,如果有不对的地方,希望各位高手多多指点,谢谢! 1、转子起动绕组的参数设置 说白了就是电机端环中相邻导条之间电阻和电感参数的求解,Maxwell2D瞬态分析里的学名叫End resistance between adjacent conductor和End inductance between adjacent conductors,这两个参数在边界/源设置中是要用到的。但是RMxprt5.0对line-start PMSM的磁路计算结果中却不包含这两项关键的参数。除了可以采用另外的电磁计算程序追加估算的方法,针对Ansoft机电仿真软件本身,我认为可以再次利用RMxprt5.0做一个相同的异步电机,该异步电机与line-start PMSM的区别在于除了转子没有磁钢外,完全一致。该异步电机求解出的端环电参数,可以近似用于同一规格的line-start PMSM的瞬态分析。下面给出的是RMxprt5.0求解异步电机得到端环参数的过程