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... ... 第 2章永磁同步电机的结构特点及数学模型 永磁同步电机概述电机是一种机电能量转换或信号转换的电磁机械装置。自 1831 年电磁感应定律为人们所知,人们发现可以利用磁场将电能与机械能进行相互转化,由此发明了电机。随着不同种类的电机相继出现,大力推动了电气工程行业及电力电子工业的发展。众所周知,要于电机之内建立所需的磁场,一种方式是可以通过在电机内部对电机绕组通以电流产生磁场,需要持续的提供电能维持磁场存在,磁场强度取决于电机内部的电流及绕组的结构。另一种可以通过永磁体产生磁场, 由于永磁材料的固有特性故不再需要提供其他外在能量便可以持续维持磁场存在,因此采用永磁材料产生磁场可以使电机在自身结构上更为简单,其运行的安全程度和效率也随之提高。起初人们并未发现可用于建立磁场的较为合适的材料,因此人们利用天然的磁铁矿石制成永磁材料,并在 19世纪 20年代制成世界上第一台永磁电机。但由于天然磁铁矿石的磁性较低,因此为了满足磁场需求,制成的电机体积庞大,性能较差,并不能达到人们在工业等相关领域的要求。直到 1845 年,英国的惠斯通用电磁铁代替永久磁铁,随后又发明了自励电励磁发电机,开创了电励磁方式的先河。它弥补了天然磁铁的不足,在随后的几十年中,电励磁电机逐渐取代了原始的永磁电机随着电机技术发展的需要,人们开始不断寻找磁性能更好的永磁材料。 20 世纪中期被发现并加以应用的铝镍钴永磁材料和铁氧体永磁材料就是很好的例子,因其磁性能在原有材料基础上的较大提高,因此在工业、农业、军事或者在日常生活中人们又重新重视起永磁电机的应用。但这两种材料也有其自身的缺陷,铝镍钴永磁材料矫顽力较低、易退磁,铁氧体永磁材料的剩磁较低, 在一定程度上又限制了永磁电机的发展。随着人们的继续探索, 20 世纪 60 年代美国人 研制出的以钐钴为主要成分的稀土永磁材料,被称为第一代稀土永磁材料,引领永磁电机发展到一个新的阶段。由于其价格昂贵,起初各国研发的重点通常在航空航天和要求高性能的高科技领域。直到无论从价格还是性能上都更具优势的钕铁硼永磁材料的问世。 1973 年以为主要成分的第二代稀土永磁材料随之出现,这种永磁材料最大磁能积达到了 3。 1983 年又发现钕铁硼( NdFeB )永磁材料(第三代稀土永磁材料) ,由于这种材料中不含有战略物资钴,而且材料中的钕的价格远远低于钐,所以一出现变引起了人们的关注。自此,国内外研发的重点开始转向工业和民用电机中。我国稀土资源丰富,可以说我们在该材料和电机的科研上是有巨大优势的,我们应致力于将永磁电机的品种和应用领域不断扩大,使其向体积微型化、功能扩大化和效率高能化方向发展。... ... 永磁同步电机的特点由于结构的差异使得永磁同步电机具有以下优点: 1、效率高,功率因数高,节约能源,损耗低,温升低。与异步电机相比,由于永磁同步电机在稳态运行时也没有转子铜损耗, 没有无功励磁电流, 使定子电流和定子铜损耗大大降低, 具有更高的功率因数, 可以不用装冷却风扇。与同规格的异步电机相比,其效率要高 2%-8% 。 2 、过载能力强, 转速平稳, 转矩纹波系数小, 动态响应快而准。当转矩发生扰动时, 同步电动机比感应电机有较快的反应和更强的过载能理。在三相异步电机的转速发生相应的变化时, 电机响应的快速性被系统转动部分的惯性阻碍。所以感应电机负载转矩发生变化, 它的转差率也要跟着发生变化。而针对同步电动机的负载转矩发生干扰时, 转速始终维持在原来的同步速度, 只需要适当变化电机的功角, 电机对转矩的快速响应不会被转动部分的惯性影响。实践证明, 永磁同步电动机在负载转矩大幅变化时, 额定转矩可以只有最大转矩的三分之一, 非常有利稳定运行。 3 、体积小, 结构简单, 重量轻。高性能永磁材料的应用, 使得永磁同步电机功率密度提高,与同容量的异步电机和直流电机相比,其质量和体积都有较大减少。 4 、控制简单, 可靠性高, 使用寿命长。与异步电机和电励磁同步电机相比, 其控制更为简单。与直流电机相比,没有电刷,结构简单,系统的可靠性提高。 5、适应性强,应用范围广。特别是与电子控制器件的匹配性好,以致电机组成系统总价便宜。 永磁同步电机在静止坐标系下的数学模型电动机的数学模型包括以下四组方程: 转矩方程, 电压方程, 运动方程和磁链方程。为了简化分析,首先对交流永磁电动机作如下假设: (1) 当PMSM 定子绕组通过三相对称正弦电流, 其气隙磁场中磁动势按照正弦规律分布,可以忽略气隙中的高次谐波。(2) 三相定子绕组按照每两相之间各差 120 °的对称结构分布; (3) 永磁体材料电导率忽略不计; (4) 忽略电机的磁路饱和及磁滞满流的影响,认为磁路是