永磁同步牵引电机设计分析与仿真平台研究.pdf

《永磁同步牵引电机设计分析与仿真平台研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《永磁同步牵引电机设计分析与仿真平台研究.pdf（79页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、A b s t r a c t W i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em i c r o - e l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya n dc o n t r o lt h e o r y , t h e p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( P M S M ) ，谢t l ls i m p l es t r u c t u r e ，b u tm o r e e n e r g y - e f f i c i e n t

2、，h a sb e e nw i d e l ya p p l i e di ns e r v os y s t e ma n dr e c e i v e di n c r e a s i n g a t t e n t i o n R e s e a r c ha n d d e s i g no fP M S Mi s o fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o r e n e r g y c o n s e r v a t i o na n dg r e e ne c o n o m y i nt h i sp a p e r , P M S Mu s

3、 e da sat r a c t i o nm o t o ri n l l i 曲- s p e e dr a i l w a ya r es t u d i e di nd e p t h , t h er e s e a r c hw o r km a i n l yi n c l u d e st h e f o l l o w i n ga s p e c t s F i r s t l y , d e s c r i b et h ea p p l i c a t i o ns t a t u sa n dp r o s p e c t so fp e r m a n e n t

4、m a g n e t s y n c h r o n o u st r a c t i o nm o t o r ( P M S T M ) i nd e t a i l ，b a s e do nd e s i g nt h e o r yo fP M S M ， a n a l y s i sa n dd e s i g no fP M S T M w i t 1d i f f e r e n ts t r u c t u r e sh a sb e e nd o n e S e c o n d l y , b a s e d O i lf i n i t ee l e m e n t

5、a n a l y s i s ，r e s e a r c ht h ee l e c t r o m a g n e t i c p r o p e r t i e sa n dc a l c u l a t es o m ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so fP M S Mu s i n gt h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dd e r i v a t i o n , t h es i m u l a t i o nr e s u l tb yM a x w e l lp r o v i d e d

6、t h er e f e r e n c et o o p t i m a ld e s i g n T h i r d l y , s i m u l a t i o nm o d e lo fc o n t r o ls y s t e mi sb u i l dw i t l lM a t l a b S i m u l i n k , t h e w a v e f o r m so fs p e e da n dt o r q u ea r ep r e s e n t e dt os t u d yt h es t a r t i n gc h a r a c t e r i s

7、t i c s U s i n gC o - s i m u l a t i o nc a p a b i l i t i e so fS i m p l o r e ra n dF l u x ，r e s e a r c hs i m u l a t i o np l a t f o r m f o rP M S Mb a s e do np h y s i c a lm o d e l F i n a l l y , a n a l y z em a t h e m a t i c a lm o d e lo fP M S M ，d i s c u s st h ed e v e l o

8、 p m e n to fd r i v e c o n t r o ls y s t e m ，i n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r e K e yw o r d s ：P M S M ，d e s i g n , F E A ，s i m u l a t i o np l a t f o r m ，c o n t r o ls y s t e m 1 1 目录 摘要I A B S T R A C T 。 目录l I I 第一章绪论。1 i 1 铁路机车牵引系统综述1 1 2 永磁电机的发展历程及应用前景2 1 3 永磁同步电机

9、在机车牵引领域中的应用4 1 4 永磁同步电机电磁分析与调速系统研究现状5 1 4 1 永磁同步电机调速技术概述。6 1 4 2 永磁同步电机驱动控制系统的研究热点。7 1 5 本文主要研究内容8 1 6 本章小结9 第二章不同结构永磁同步电机的分析设计1 0 2 1 永磁同步电动机的分类方法及结构特点1 0 2 1 - l 根据永磁体形状分类1 0 2 1 2 根据永磁体位置分类1 0 2 2 常用的电机电磁场分析方法与软件。1 3 2 2 1 电机电磁场分析的任务与必要性1 3 2 2 2 典型的电磁场分析方法1 4 2 2 3 常用的电磁场分析软件1 7 2 3 永磁同步牵引电机的设计分

10、析1 9 2 3 1 定子槽数、槽形的确定2 0 2 3 2 转子的设计2 1 2 3 3 电机绕组设计3 1 2 4 永磁同步电机的齿槽转矩分析3 4 2 5 主要的电磁参数计算3 6 2 5 1 漏磁系数的计算3 6 2 5 2 极弧系数的计算3 7 2 5 3 交直轴电抗参数的计算3 7 2 6 永磁同步电机电磁计算软件的开发3 9 I l l 2 7 本章小结4 7 第三章永磁同步电机的起动过程研究船 3 1 电压空间矢量脉宽调制技术4 8 3 2 电压空间矢量的实现过程5 0 3 3 仿真模型的建立5 3 3 4 仿真结果分析。5 S 3 5 基于物理原型建模的联合仿真平台5 8 3

11、 5 1 基于F l u x 和S i m u l i n k 的联合仿真平台5 8 3 5 2 基于M a x w e l l 和S i m p l o r e r 的联合仿真平台5 9 3 6 本章小结6 1 第四章基于D S P 的永磁同步电机矢量控制系统设计。6 2 4 1 永磁同步电动机的数学模型6 2 4 2I D = o 的矢量控制方法6 5 4 3 矢量控制系统的硬件设计6 6 4 3 1 主电路设计6 7 4 3 2 控制电路设计6 8 4 4 矢量控制系统的软件设计酏 4 5 矢量控制系统的常见问题6 9 4 5 1 转子位置检测6 9 4 5 2P l 参数整定6 9 4

12、 5 3 软件抗干扰设计7 0 4 6 本章小结7 0 第五章总结与展望7 1 致谢。7 2 参考文献7 3 文章发表或录用情况7 6 I v 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 铁路机车牵引系统综述 近两个世纪以来，随着时代变迁和技术进步，全世界的铁路系统发生了翻天 覆地的变化，在运输业中扮演着举足轻重的角色。特别是上世纪7 0 年代全世界 范围内发生的石油危机，使得经济可持续发展受到了严峻的挑战，调整能源消耗 结构，发展绿色经济已势在必行。铁路运输作为唯一一种可以不需要消耗石油的 交通模式，为各国的运输部门减小对石油的依赖提供了新的出路，因此获得了大 量的人力物力支持，技术上不断进步

13、。 以牵引动力系统的不同来分，铁路机车经过了蒸汽机车、内燃机车和电力机 车三段发展历程。英国人史蒂芬于1 8 1 4 年发明了世界上第一台蒸汽机车，它由 锅炉、蒸汽机、车架走行部和煤水车这四大部分组成，通常是将煤燃烧时产生 的热能转变成变成机械能，提供给机车作为运行的动力。蒸汽机车的发明大大加 快了全世界的工业化进程，迅速扩大了人类的活动范围，直N - - 战结束时，蒸汽 机车仍然被广泛使用，但后来逐渐被内燃机车取代，在大多数国家现已难觅其踪 影。 内燃机车可分为柴油机车和燃气轮机车这两大类，它是以内燃机提供原动力 的一种机车。在铁路上采用的绝大多数是柴油机，相应的，它是将柴油燃烧产生 的热能

14、转变为由柴油机曲轴输出的机械能。它具有热效率高、动力装置体积小、 功率大、劳动条件好等优点，至今仍被各国的铁路部门广泛使用。 与前两种机车系统相比，电力机车的一个显著特征是它本身不再自带能源， 必须从外界获取能量，需要建设相应的铁路电气化线路，因此前期投资很大，但 是它功率大、效率高、具有较好的爬坡性能，特别适应于山区的长大隧道线路， 使得铁路不断向高速化方向发展，是目前各国铁路部门建设的重点。 我国的铁路系统大体上也经过了上述发展历程。1 8 7 6 年4 月，全长约1 4 5 公里的吴淞铁路全线完工，7 月1 1 日正式通车营业，列车速度为每小时2 4 到3 2 公里，这是我国第一条办理营

15、业的铁路，但通车后1 6 个月就被拆除了；中国人 自己修建的第一条铁路唐胥铁路，于1 8 8 1 年7 月开始修建，1 1 月竣工，它 浙江大学硕七学位论文 揭开了近代中国自主修建铁路的序幕；京张铁路是中国人自主设计并建造的第一 条铁路，总工程师是我国著名的铁路工程专家詹天佑先生，从1 9 0 6 年到1 9 0 9 年，历时四年建成通车。总的来说，新中国成立以前，我国的铁路系统发展速度 极为缓慢，规模小且分布不合理，技术落后，设备简陋，几乎全都采用蒸汽机车 作为牵引动力系统。 新中国成立以后，我国的铁路系统也进入了一个新的发展时期，从建国初期 的宝成铁路、成渝铁路、成昆铁路相继建成通车，再到

16、纵贯大陆的京九铁路、振 兴大西南的南昆铁路等交通干线的投入使用，我国的铁路建设事业进入了又好又 快的发展阶段，取得了举世瞩目的成就。铁路技术设备的发展也是日新月异，到 八十年代末，我国已结束了蒸汽机车的生产制造历史。到2 0 0 2 年底，牵引动力 全部采用内燃机车或电力机车，大大提高了运营效率。 伴随着生产技术的进步，直到目前，我国的铁路建设已迈入了高速化的新时 代，高速电力机车对牵引系统的要求越来越高，而牵引电机作为给机车系统提供 动力的“心脏“ ，应当要具有良好的起动特性和调速性能。具体来说，机车起动 时，牵引电机应能提供较大的起动转矩以帮助其迅速起动；起动后，机车处于不 同的运行状况时

17、，在短时间内速度常常要发生相应的改变，牵引电机应当要有平 滑迅捷的调速性能和宽广的调速范围。由于生产工艺的提高和高性能永磁材料的 应用，永磁同步电机的性价比不断提高，由于其功率因数高，并且体积小、重量 轻，结构简单易于维护，非常符合机车牵引系统的要求，因此也成为了机车牵引 电机方面一个新的选择。 1 2 永磁电机的发展历程及应用前景 世界上第一台电机就是永磁电机，它是法拉第在1 8 3 1 年利用电磁感应原理 制作的，又称为“法拉第圆盘发电机。它利用手柄使得一个紫铜圆盘在永久性 磁铁产生的磁场中旋转，与圆盘相连的导线便可以检测到持续微弱的电流。正是 这样一个简陋的装置，向人类展示了机械能转化为

18、电能的秘密，把人类带入了电 气化新时代。即使是目前功率高达1 0 0 万千瓦的特大电机，也是和法拉第圆盘发 电机遵循同一基本原理，即电磁感应现象。 电机问世以后，科研技术人员不断对其进行改进，并陆续应用到实际的社会 2 浙江大学硕上学位论文 生产生活中去，但随着各行各业对电机的技术指标要求不断提高，早期电机都是 采用天然磁铁矿石做成的永久性磁铁建立磁场，因此体积庞大，功率密度较低， 难以满足生产要求【1 1 。1 8 5 7 年，世界上第一台电励磁电机问世，人们用电励磁取 代永久磁铁，它具有体积小、重量轻、磁场强度大等优点，弥补了早期永磁电机 的种种不足，因此迅速成为了科研人员的研究热点，在控

19、制理论与制造技术上不 断推陈出新，开创了电励磁式电机应用的新纪元，相应的，永磁电机的应用相对 较少。 上个世纪3 0 年代和5 0 年代先后出现的铝镍钻和铁氧体永磁材料，由于其分 别具有高剩磁和高矫顽力性能，给永磁电机的应用带来了生机，各种微型电机不 断面世，但较低的磁能积限制了其进一步发展；1 9 6 7 年出现的钐钴永磁材料虽 然性能很好，但由于价格昂贵，在当时只能应用在航空航天等高科技领域；直到 1 9 8 3 年，铷铁硼材料问世以后，永磁电机才逐渐应用到工业和民用领域上来 2 1 。 伴随着永磁材料的发展，各个时代都有对应的高性能永磁电机。上个世纪5 0 年代，西门子公司采用不同的电机

20、结构和铁氧体材料，在十多年的时间里开发了 各种用途的永磁电机，有用于化纤设备的高速永磁电动机，转速高达1 8 0 0 r m i r a 同时期开发的由变频器供电的调速永磁电动机，其质量仅为相同功率直流电动机 的2 5 ，三相异步电动机的6 0 ，并且噪声小，温升低；日本的东洋电机公司在 1 9 8 4 年把标准异步电动机的定子和稀土永磁电机的转子相结合，开发出了效率更 高的永磁同步电动机；美国的G E 公司早在上个世纪5 0 年代就利用多种永磁材料， 对电机尺寸、效率、质量以及永磁材料用量进行了研究分析，总结出永磁同步电 机具有结构坚固，功率因数高，可靠性高便于维护，可采用变频电源实现开环控

21、 制等优点【3 】f 4 】。 由于历史条件的限制，我国的永磁电机发展起步较晚，但是我国素有“稀土 王国”之称，稀土资源丰富，出于节能减排的目的，政府也开始大力推广稀土永 磁材料在电机上的应用，我国在永磁电机研发制造方面具有得天独厚的优势，近 几年来发展较快。高能效的永磁同步电机已经在油田抽油机上广泛应用：国内目 前单机容量最大的永磁同步电机，是由沈阳工业大学的唐任远院士主持研制的， 功率达到了1 1 2 0 K W 。 永磁同步电机是众多高新技术和高新技术产品的基础，它与电力电子技术和 浙江大学硕士学位论文 微电子控制技术相结合，不断向高效节能、一体化、轻型化、专用化、高性能方 向发展，代表

22、了2 1 世纪电机发展的方向【5 11 6 1 。 1 3 永磁同步电机在机车牵引领域中的应用 永磁同步电机除了具有结构简单、功率因数高、功率密度大等一系列优点外， 与传统的异步电动机相比，永磁同步电动机还可以减少车辆牵引系统的重量和体 积，提高传动系统的效率。随着现代工艺的进步和新型永磁材料的使用，稀土永 磁同步电机日益向大功率和高速化方向发展，使得其在铁路机车上的应用方面备 受关注1 7 【8 】。它在铁路机车上主要应用在以下两个方面： ( 1 ) 作为直接牵引电机 以前的牵引电动机是通过齿轮等变速装置将驱动力来传给轮轴保证机车的 运行，但由于其特殊的工作环境，齿轮等变速装置常常要受到较大

23、的冲击振动， 还容易有泥沙等异物的侵入，变速装置本身又会产生噪声，并造成动力损耗。采 用直接驱动方式，取消了齿轮等减速装置，就可以避免上述问题。牵引电动机有 直流牵引电动机、交流异步牵引电动机和交流同步牵引电动机多种类型，其中， 永磁同步电机除了前文所述的各种优点以外，它的体积小、重量轻、功率质量比 大，非常适合于应用在现有的尺寸和质量条件下的直接驱动系统中。 日本研究的A C 系列车直接传动式永磁同步电机，经过了多次测试和线上运 行，与通常的联轴驱动的异步电机相比，电机噪声可降低1 0 d B 以上，效率高达 9 5 ；与带齿轮的传动系统相比，效率提高了5 ；德国西门子公司研发的面向 高速新

24、干线的直接驱动永磁同步电动机，它以最高速度为3 3 0 k m h 的I C E 3 为试验 对象，额定输出为5 0 0 K W ，采用了表面磁铁结构和全封闭水冷方式，经过详细 的实验对比，实验结果表明，采用永磁同步电机后，噪声降低了，并且减轻了系 统的质量，提高了运行效率【7 J 。 ( 2 ) 作为全封闭牵引电机 现今大多数的牵引电机都采用通风冷却方式，无需其他额外的冷却措施，这 虽然很方便，但带来的一个问题就是，机车的工作环境复杂多变，通风冷却时空 气中的泥沙灰尘很容易进入牵引电机内，因此需要定期对牵引电机进行清扫维护 以免影响其性能。采用了全封闭式这种结构，就能防止灰尘异物进入牵引电机

25、内 4 浙江大学硕士学位论文 部，减少清扫维护工作，并且能有效地隔离电机本身产生的噪声【7 】。但采用全封 闭式结构以后，牵引系统散热是一个要着重考虑的问题，永磁同步电机的高效率 使得其发热相对较少，是作为全封闭牵引电机的一个理想选择。 日本和德国都针对特定型号的机车研制了相应的全封闭永磁同步电机样机， 运行结果表明，采用新的冷却结构以后，当体积和功率相同时，全封闭牵引电机 的噪声更低，并同时实现了轻量化和高效率运行【8 】，相比较于自通风异步牵引电 机，其优势明显，应用范围将会进一步扩大。 综上所述，在铁路机车上的应用，永磁同步电动机与异步牵引电动机相比， 具有体积小、重量轻、高效率、低噪音

26、等优点。但是，永磁同步电动机尚未在这 方面大规模使用，有大量的问题尚未被解决，比如，永磁同步电机高温高速运行 时的不可逆退磁问题，机车控制系统为了适应永磁电机的运行所要做出的改进 等，这些都是亟需解决的问题。因此，机车驱动电机的选择应综合考虑各个方面， 永磁同步电机为其提供了一个新的选择和发展方向。 1 4 永磁同步电机电磁分析与调速系统研究现状 永磁同步电机根据反电动势波形的不同可分为两类：正弦波供电永磁同步电 机和方波供电无刷直流电机，前者的定子绕组得到的是三相对称正弦交流电，电 流频率和转子转速之间保持着严格的对应关系，通常所说的永磁同步电机就是指 这种电机。随着电力电子技术的发展，永磁

27、同步电动机通常与变频器联合起来使 用，利用旋转变压器或光电编码器，把转子位置信息实时反馈给控制系统，使得 永磁同步电动机有了可媲美直流电机的调速性能。由于永磁同步电动机性能优 异、可靠性高、结构简单易于维护，其应用范围和需求量不断扩大，在部分领域 已取代了电励磁电机。更主要的是，永磁同步电动机良好的调速性能以及无刷运 行的特点，使得其被广泛运用在航空航天、机器人、数控机床、纺织等高性能驱 动领域。近几十年来，随着永磁材料磁性能的不断提高，特别是铷铁硼系列永磁 材料的问世，电力电子相关理论与制造技术的进一步发展，稀土永磁电机的研究 进入了一个新的阶段，在设计理论和控制方法等方面都不断推陈出新，特

28、别是变 频调速这一方面，国内外学者做了大量的研究工作。 浙江大学硕士学位论文 1 4 1 永磁同步电机调速技术概述 随着交流电机调速理论、电力电子技术的迅速发展，电子器件的价格又不断 降低，变频电源和交流电机联合构成的交流调速系统正在逐渐取代直流电机调速 系统。在交流电机中，永磁同步电机具有较高的效率和功率因数，运用坐标变换 方法可轻易将其解耦便于控制，转子磁极位置易于检测，稳定运行时转子转速与 电源频率成正比，因而在交流调速系统中被广泛应用。 交流调速原理早在2 0 世纪3 0 年代就进行了深入的研究，但是一直受实现技 术或手段的限制而进展缓慢【9 1 。早期的交流调速技术效率低下，但是随着

29、电力电 子和微机控制技术的进步，使得交流调速系统不断地更新换代，在工程技术上的 应用已比较成熟。目前，交流电机主要用到的调速方法有变压变频控制( V w F ) 、 矢量控制( F O C ) 和直接转矩控制( D T C ) 。 ( 1 ) 变压变频调速 异步电动机变压变频调速范围广，可实现高动态性能，由于其气隙磁通是由7 定子和转子磁动势合成的，为了保持每极的磁通量不变，可通过控制电压和频率 来实现，分为基频以下和基频以上两种调速情况，属于开环控制方式，必须要同 时协调控制好电压与频率，不能精确控制电磁转矩，适用于风机、水泵等对控制 精度要求不高的场合；同步电动机由于转速与电源频率严格同步

30、，因此可以通过 改变电源频率来解决同步电机的起动和调速问题，这种理论虽早已被提出，但是 直到电力电子变压变频技术被广泛应用后才得以实现，同步电动机变压变频调速 系统可分为他控变频和自控变频两大类【l 们。 ( 2 ) 矢量控制 交流电机是多变量、强耦合、非线性的系统，长期以来，人们都在探索对其 转速实现精确控制的方法。1 9 7 1 年，德国西门子公司的工程师F B 1 弱c h k e 提出了 矢量控制理论，对交流电机模型进行了解耦，从理论上实现了对异步电机动态特 性控制的改善，这是一个质的飞跃；1 9 7 2 年，同样是德国西门子公司的学者B a y e r 在异步电机磁场定向控制理论的基

31、础上，提出了同步电机磁场定向控制原理。交 流电机的矢量控制一般是通过建立相应的数学模型，将定子电流矢量分解成励磁 电流分量和转矩电流分量，使得两者互相独立并彼此垂直，分别进行调节后就可 以实现对电机磁通和转矩的解耦控制，使得电机的调速性能大为改善。 6 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) 直接转矩控制 直接转矩控制是在2 0 世纪8 0 年代提出来的交流电机控制策略，它通过检测 定子电压和电流，直接将定子磁链和转矩作为控制变量，与给定值相比较，它们 的差值作为滞环控制器的输入，参考当前的磁链状态来给定电压空间矢量，因此 无需矢量变换和电流控制过程，更为简捷和快速，进一步提高了系统的动态响应 能力

32、【1 1 1 。 1 4 2 永磁同步电机驱动控制系统的研究热点 永磁同步电机的控制是一种综合运用多学科知识的机电一体化技术，电机控 制理论、电力电子技术、微机控制技术等相关学科理论的创新都可能造成永磁同 步电机控制系统的更新换代，目前其主要研究热点集中在以下几方面： ( 1 ) 在线参数辨识调整 永磁同步电动机是一个多变量、强耦合、时变的非线性系统，其运行过程中， 电机本身的定子电阻、电感、温度以及负载转矩、转速都会发生变化，这些变化 直接会影响到电机的运行性能。现代的高性能交流伺服系统，不仅要求能对正常 指令做出快速响应，当外界出现非预期的干扰或者负载特性突变时，系统也要能 自我调节，平稳

33、过渡到新的稳定状态。目前的一个研究热点就是，让控制系统能 够在线识别这些扰动和负载变化，并且使控制器结构和参数适当做出相应调整， 这对提高交流伺服系统的智能性和鲁棒性，具有非常重要的意义。 ( 2 ) 数字化控制技术 随着电力电子器件性价比的不断提高，微机的运算速度和存储容量的迅速提 升，数字化控制技术已经是永磁电机控制的首选方式。数字信号处理器( D S P ) 运算速度快，特别适合大量复杂的数学运算，世界各大厂商已开发出多种电机控 制的专用D S P ，里面往往还集成了各个功能模块，例如高速高精度A D C 、P W M 信号发生器、转子速度和位置反馈接口等，使用起来非常方便。 ( 3 )

34、 现代控制理论的应用 现代控制理论的控制对象可适用于多输入多输出系统，借助状态模型获取系 统信息，由机理建模向统计建模转变，引入参数估计和系统识别理论后，特别适 用于复杂、非线性和不确定性严重的对象。现代控制理论当中的模糊控制、专家 7 浙江大学硕士学位论文 控制、人工神经元网络控制等方法，就是基于这一理念，被陆续引入到电机控制 技术当中，使得系统具有较强的容错能力和自组织能力。 ( 4 ) 无传感器控制技术 永磁同步电动机的位置和转速信息是通过光电编码器、旋转变压器等传感器 获取的，这些装置价格昂贵，大大提高了控制系统的研发成本，增加了系统的复 杂程度并降低了其可靠性，高温、潮湿、腐蚀等外界

35、环境因素还限制了其使用范 围。运用无传感器控制技术，通过建立模型在线估计和辨识相关参数，可有效地 解决使用传感器造成的问题。 ( 5 ) 控制系统散热设计 电机驱动控制系统各个电子模块的集成化程度越来越高，功耗和复杂程度不 断增加，所采用的封装和散热系统设计不当的话，就会造成热负载分配不均等问 题，降低了控制系统的可靠性。解决这一问题可以从对导热材料的选择入手，根 据系统是主动散热还是被动散热，平衡开关频率与散热性能之间的关系，选择合 适的导热材料制作电子器件；另外一种方法就是根据功率器件开关时暂态波形中 的热信息，建立相应的模型求得功率器件温度的实时变化反馈给控制器，将散热 控制作为系统中的

36、一个控制环来避免其温升过高。 1 5 本文主要研究内容 论文研究结合铁道部重点科研项目“高速大转矩牵引电机技术的应用开发”， 对永磁同步牵引电机的研制进行理论分析和仿真研究，完成的工作主要有以下几 个方面的内容： 1 结合永磁同步电机设计理论，研究了两种典型转子结构的永磁电机设计、分 析、验证过程： 2 基于A n s o f tM a x w e l l 的二维电磁场计算模块，对上述两种永磁电机的静态磁 场和瞬态磁场进行运算分析，得到电机的气隙磁密分布图，磁场和磁力线分布， 对一些主要的电机参数( 如空载齿槽转矩、反电动势、直交轴电抗等) 等进行理 论分析与推导，并参与开发了相应的永磁电机分

37、析计算软件； 3 利用S i m u l i n k 仿真软件，对永磁电机的控制系统进行建模与仿真，重点研 究了其起动特性，得到转速波形和起动转矩波形，并探讨了利用S i m p l o r e r 和F l u x 8 浙江大学硕士学位论文 的联合仿真能力，基于电机的物理原型，建立永磁同步电机的仿真分析平台； 4 研究了永磁同步电动机的数学建模方法，对电机驱动控制系统的硬件设计 和软件设计部分进行了阐述，介绍了主要的设计流程和理念，并对一些比较常见 的问题进行了讨论。 1 - 6 本章小结 本章首先介绍了铁路机车牵引系统的发展历史和类型特点，然后对永磁电机的 发展历程与应用前景进行了分析，重

38、点介绍了永磁同步电机在铁路机车牵引领域 的应用特点，最后阐述了本文主要的研究内容。 9 浙江大学硕士学位论文 第二章不同结构永磁同步电机的分析设计 2 1 永磁同步电动机的分类方法及结构特点 永磁同步电动机发展至今，因为其具有功率质量比大、效率高、结构简单易 维护等特点，因而得到了广泛的应用。与直流电机相比，它不需要使用复杂易坏 的换向装置和电刷结构；与异步电机相比，它不需要电流进行激磁，因此效率、 功率因数更高，并且转子参数可测，控制性能更好；和普通同步电动机相比，它 不需要励磁装置，简化了结构，提高了效率【5 】。由于上述种种优势，永磁同步电 动机得到了迅速的发展，其型号和分类方法也多种多

39、样，总的说来有以下两种常 用的分类方法。 2 1 1 根据永磁体形状分类 永磁同步电动机由于转子上永磁体的几何形状不同，转子磁场在气隙内的分 布可分为正弦波和梯形波两种波形，相应的，定子绕组内的电流波形也可分为正 弦波和梯形波。经常把正弦波永磁同步电动机简称为永磁同步电动机( P M S M ) ， 其定子三相绕组采用正弦绕组，由三相逆变器提供定子绕组的三相对称电流产生 旋转磁场，拖动转子同步旋转，定子绕组的通电频率以及由此产生的旋转磁场转 速取决于转子的实际位置和转速，转子的实际位置和转速由光电式编码器或旋转 变压器获得：而梯形波( 方波) 永磁同步电动机，由于其原理和控制方法都与直 流电动

40、机类似，我们又习惯上将其称为无刷直流电动机( B L D C M ) 。其定子绕组采 用整距集中绕组，永磁体常常位于转子的表面，呈隐极式结构。 2 1 2 根据永磁体位置分类 由于永磁体在转子上位置的不同，转子磁路结构差别很大，一般可以分为三 类：表面式、内置式和爪极式【1 1 ，各种磁路结构的永磁电机控制方法和适用范围 不同，现对其分别介绍如下。 l O 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 表面式转子结构 3 图2 - 1 表面式转子 表面式永磁同步电机也称为永磁转矩电机，其永磁体通常是瓦片形结构，并 且位于转子铁心的外表面上，在永磁体的外表面与定子铁心内圆之间通常会有起 保护作用的非磁性圆筒

41、，或者在以无纬玻璃丝作为保护层。这种电机结构的重要 特点是直、交轴的主电感相等，提供的磁通方向为径向。与内置式永磁同步电机 相比，其弱磁调速范围小，功率密度低，但该结构电机的动态响应快，转矩脉动 小1 1 1 。表面式转子磁路结构又可分为凸出式和插入式两种。图2 1 为典型的表面 突出式转子结构，l 、2 、3 分别表示永磁体、转子铁心、转轴。凸出式结构的永 磁同步电动机磁极结构简单易于实现，通过优化永磁体的形状可以使气隙磁密波 形更接近于正弦波，从而提高电机的运行性能；插入式结构更为复杂，其漏磁系 数和制造成本更高，但由于转子磁路不对称而产生的磁阻转矩，可用来提高永磁 电机的功率密度I l

42、j 。 。 一 “一、。| 1 。j： 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 内置式转子结构 图2 - 2 内置式转子 顾名思义，内罱式转子结构电机的永磁体位于转子的内部，受到了很好的保 护，如图2 2 所示。且极靴中可以安放铜条或者铝条，使得其具有异步起动能力 并提高动态性能。根据永磁体磁化方向和转子旋转方向的相互关系，又可将内置 式转子分为径向式，切向式和混合式三种。每种永磁电机结构经过长期的理论研 究和工程实践，已在永磁体结构、安放位置等方面做出了很多修正，总的说来， 它们分别具有各自的特点。径向式结构电机漏磁系数小、不需要隔磁措施、转子 冲片机械强度高、极弧系数易控制：切向式的结构漏磁系数

43、大，且需要相应的隔 磁措施，制造成本和工艺要求更高，但是由于每个极距下两个磁极共同提供磁通， 所能提供的磁通量更大，因此这种结构在需要磁通量大的场合很有优势。同时， 切向式永磁电机磁阻转矩占总电磁转矩比例更高，易于提高电机的功率密度和扩 展恒功率运行范围。混合式结构充分利用了径向式和切向式转子结构的优点，永 磁体排布、磁路结构最为复杂，因此制作成本和工艺要求最高【I J 。 ( 3 ) 爪极式转子结构 图2 3 爪极式转子 1 2 浙江大学硕士学位论文 爪极式转子的永磁体形状简单，但是爪极的形状多种多样，因此磁路结构更 为复杂，应用上也相对较少。图2 3 为一种较为简单的爪极式转子结构，1 和

44、3 分别表示左右两个法兰盘，2 为圆环形永磁体。由图可知磁通是先进入爪极，再 通过气隙进入定子的，因此爪极之间的漏磁较大，纵轴电枢反应的去磁作用较小， 磁铁的过载能力强。此外，相对简单的永磁体形状减少了加工难度，增大了磁利 用率；采用爪极系统结构，使得机械强度更高，气隙磁场更为稳定。但是，爪极 式永磁电机各个截面的磁通量不相等，考虑到爪极之间的漏磁和爪极部分的轴向 磁通，磁路结构就会更加复杂，工程上不得不设计沿轴向截面积不等的爪极形状， 使得每一截面的磁通密度相等，从而使爪极的磁阻和磁势降最小，一般来说，爪 极式转子有等宽爪极、梯形爪极和正弦爪极三种【1 2 1 。 2 2 常用的电机电磁场分析方法与软件 2 2 1 电机电磁场分析的任务与必要性 电机设计过程中，为了确定电机的本体结构，需要知道多项电机参数的值， 以往的技术人员往往是根据自己的设计经验进行取值，参数的精确度较低，要经 过多次修正后才能得到比较满意的结果。永磁电机结构多变，磁路复杂，影响电 机性能的关键参数很多，传统的设计方法往往会顾此失彼，导致多次重复性工作。 电机运行时，电机内部持续进行着复杂的电磁能量交换过程，不同区域的电磁场 分布、变化以及