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3.1 PMSM的物理模型

首先对交流永磁同步电动机作如下假设:

1)定子绕组Y形联结,三相绕组对称分布,各绕组轴线在空间互差120°;转子上的永磁体在定转子气隙内产生主磁场(对于PMSM,该磁场沿气隙圆周呈正弦分布;对于BLDCM,该磁场沿气隙圆周呈梯形波分布),转子没有阻尼绕组。

2)忽略定子绕组的齿槽对气隙磁场分布的影响。

3)假设铁心的磁导率是无穷大,忽略定子铁心与转子铁心的涡流损耗和磁滞损耗。

三相两极交流永磁电动机的结构如图3-1所示。

图3-1 交流永磁电动机结构原理示意图

a)定子绕组分布图 b)定子绕组示意图

图3-1中的定子三相绕组AX、BY、CZ沿圆周呈对称分布,A、B、C为各绕组的首端,X、Y、Z为各绕组的尾端。各绕组首端流出电流、尾端流入电流规定为该相电流的正方向。此时各绕组产生磁场(右手螺旋定则)方向规定为该绕组轴线的正方向,将这三个方向作为空间坐标轴的轴线,可以建立一个三相静止坐标系——ABC坐标系(A轴线超前C轴线120°,B轴线超前A轴线120°),在本书中也称为3s坐标系(s的含义是定子,stator)。如图3-1b所示的定子绕组位置示意图,可以简单地说,A相绕组在A轴线上,B、C相绕组类似。

转子的电角位置与电角速度的正方向选取为逆时针方向。根据转子永磁体磁极轴线 d 轴以及与其垂直的方向确定一个平面直角坐标系 ——dq 坐标系(固定在转子上,也称之为2r坐标系,r的含义是转子,rotor),其中 d 轴正方向如图3-1所示(为磁极N的方向); q 轴正方向超前 d 轴90°。 d 轴线超前A轴线角度为 θ θ =0°意味着 d 轴与A轴重合。本书中的速度、角速度都是电气变量,特别说明的除外。

下面简单分析定子A相绕组通电后与转子的作用力。如图3-2所示,A相绕组放置于定子铁心的槽中,A端电流从纸面指向纸外,X端电流从纸外指向纸面,那么A相绕组产生的磁场分布如图中所示。可以看出,A相电流产生的磁场方向为图中标注的A轴线。在理想空载(负载转矩为0)的稳态情况下,图3-1中转子 d 轴线(即转子的N极)应该与A轴线正方向重合,此时转子就会保持不动,电动机的电磁转矩与负载转矩相平衡,因而也为0(假设A相绕组的电流值为 i A ,那么可以认为 i A 全部都是 d 轴分量,即 i d = i A )。

图3-2 定子A相绕组电流产生的磁场分布

根据图3-1中永磁体在气隙中产生磁场的不同,可以将交流永磁电动机分为具有正弦波磁场分布的PMSM和具有梯形波分布的BLDCM。尽管气隙磁场不同,但是都具有下面推导的统一化动态数学模型。 fXhCPjrTmIkjiIb0U1Q75bGcOtemg+hBx23wezRY8QZx/L4qYzaAWI2l6W3TOVrU

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