永磁同步电机发展与控制仿真研究

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1、永磁同步电机发展与控制仿真研究1永磁同步电机的研究现状与发展永磁电动机的发展同永磁材料的发展密切相关，永磁材料的磁性能和价格很大程度上决定了永磁电动机的综合性能与应用普及范围。1831年，世界上出现的第一台电机是由Barlow发明的永磁电机，但是，由于当时采用的天然磁铁磁性能太差，电机的磁能积很低，制成的电机体积庞大而容量很小，很快被电励磁电机所取代。人们对永磁材料进行深入研究的初期，相继发现了碳钢、钨钢、钴钢等多种永磁材料。20世纪30年代铝镍钴磁钢的问世，使得永磁电动机真正有了实用价值，并快速发展起来。到20世纪50年代，铁氧

2、体永磁出现，由于价格低廉，各种微型和小型电动机纷纷使用永磁体励磁。然而，由于铝镍钴永磁和铁氧体永磁存在矫顽力偏低、剩磁密度不高等固有缺陷，在电动机的应用中受到限制。直到20世纪60～70年代，第一代和第二代稀土钐钴永磁材料SmCo5，Sm2Co17相继问世，其优异的磁性能使得永磁电机的发展呈现出新的、繁荣的生机，但是钐、钴均为稀有金属，价格昂贵，给实际应用带来了困难。1983年，日本住友特殊金属公司、美国通用汽车公司分别研制成功稀土钕铁硼永磁材料，国际上称为第三代稀土永磁材料。NdFeB磁钢磁能积高，性能优越，而且原材料丰富，价格

3、较便宜。从1984年起，各工业发达国家竞相研制高性能永磁电机。日本住友公司和美国通用电气公司分别批量制造用于计算机外存储器的音圈电机及NdFeB永磁汽车起动电机；德国西门子公司经十多年努力，采用多种结构，研制成功用于化纤工业的高速永磁电动机和用于交流调速系统的永磁同步电动机。80年代前后，应用NdFeB材料制造高性能永磁同步电动机的研究发展很快。其中对于固定频率下永磁同步电动机的运行特性、自起动性能的研究，发表了较多的论文，但也多局限于电机稳态特性的分析，沿用的方法与传统交流电机的分析方法相近。80年代期间，国际上发表了大量永磁电

4、机的论文，对永磁同步电动机的数学模型、稳态特性和动态特性进行研究。1986年，TomySebastian发表了永磁同步电动机（PMSM）建模的文章。1987年，Tomy18Sebastian又发表了关于永磁同步电动机调速系统的动态建模的文章，从理论上系统分析了永磁同步电动机利用PARK模型随转子一起旋转的dq0系统，但仍将d，q轴等效绕组作为两个无耦合、参数恒定的独立部分来处理。B.Sneyers等学者最早提出了在建立PMSM数学模型时，考虑到由电机电枢电流交轴分量引起的交叉耦合问题。其中，F.Parasiliti等采用有限元法研

5、究PMSM的模型，同时计及交叉饱和、交叉耦合的影响修正电机模型，被认为是较为有效的分析研究方法。在高性能永磁电机产品方面，国外利用稀土永磁的优异性能研制开发高性能永磁同步电动机已有20多年的历史。1978年，法国CEM公司推出ISOSYN系列0.55～18.5kW稀土钴永磁同步电动机，效率比一般异步电动机高2%～8%，功率因数提高0.05～0.15，但因当时采用钐钴永磁体成本太高，未能推广应用。我国许多高校如清华大学、西北工业大学、沈阳工业大学等和一些科研单位自1980年开始就进行高性能永磁同步电动机的研制，取得了明显的效果。先后

6、开发了用于纺织行业中织布机、化纤机械、风机泵类的多种规格和型号的高性能钕铁硼永磁同步电动机产品，取得了良好的经济社会效益，特别是0.8kW纺织专用永磁同步电动机，效率高达91%，功率因数高于0.95，节电率高达10%以上。现代永磁电机的特点是高力能指标、大功率密度、转子奇异结构、由永磁体产生新的变量。其研究内容更广，对分析研究所采用的方法和技术（如电路、磁路、网络及场分析等）提出了更高的要求。目前国内外对永磁同步电机的研究主要有以下几个方面：（1）结构设计研究由于稀土永磁电动机具有很高的矫顽力，故充磁方向很薄的永磁体就可提供较高的

7、气隙磁密和磁势。因此，除了传统的径向磁路结构外，当极数较多时，可采用切向磁路结构或混合式结构。目前，国内外都在研究永磁同步电动机的各种转子形状，其设计准则都是通过增加磁通、减弱电枢反应或高速运行来提高功率密度和效率。（2）优化设计在稀土永磁材料价格昂贵的情况下，应考虑如何合理地选择永磁体的工作点，使之在满足电机性能指标前提下，使所用的永磁材料最少，即电机的成本最低或体积最小。由于永磁体尺寸大小直接影响电机的各项性能指标，因而可直接选用永磁体形状作为设计变量，而将其他尺寸都用这些变量来表示。在约束条件中，电抗参数、定子齿部和轭部磁密

8、、定子电密、起动电流以及槽满率等都应限制在一定范围内，而效率、功率因数和起动转矩等则应大于某一给定值。（3）磁场分析计算和数值方法的研究18永磁电机设计中，除了电机新结构的发明创造外，最重要的发展可说是用有限元方法进行磁场计算。为了充分发挥永磁材料