1、2023-2-1517.1永磁电机永磁电机7.2 步进电动机步进电动机7.3直线电动机直线电动机7.4应用实例应用实例7.5 自启动永磁同步电机仿真自启动永磁同步电机仿真2023-2-152 前面几章介绍的变压器、交流异步电机和同步电机以及直流电机，统称为普通电机。在日常生活和生产实际中还广泛使用着各种特殊结构和特殊用途的电机，特别是随着新技术的不断发展和新材料的不断涌现，新型特种电机的研究和应用还处在不断发展之中。这些特种电机是相对于普通电机而言的。有些特种电机普及使用后也逐渐变成了普通电机，比如永磁电机，这些年来由于能源的紧张，对高效率电机的需求成为共识。因此永磁同步电机发展迅猛，将逐渐被
2、大家视作普通电机，因此本章将传统普通电机以外的特种电机统称其他电机。其他电机品种繁多，比如永磁同步电机、伺服电机、开关磁阻电机、步进电机、旋转变压器、直线电机等等，本章介绍其中的永磁电机、步进电机和直线电机。永磁电机永磁电机7.12023-2-154 世界上第一台电机就是永磁电机，但是早期的永磁材料磁性能很差，致使永磁电机体积很大，非常笨重，因而很快就为电励磁式电机所取代。随着稀土永磁材料的快速发展，特别是第三代稀土永磁材料钕铁硼（NdFeB）的问世，给永磁电机的研究和开发带来了新的活力。2023-2-1551永磁电机的基本原理永磁电机的基本原理 电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电
3、磁装置。为在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场，可以有两种方法。一种是在电机绕组内通电流产生，既需要有专门的绕组和相应的装置，又需要不断供给能量以维持电流流动，例如普通的直流电机和同步电机；另一种是由永磁体来产生磁场，既可简化电机结构，又可节约能量，这就是永磁电机。也就是说，和普通的直流电机及同步电机相比（这些电机因为磁场由电流产生，所以称之为电励磁电机），永磁电机即是用永磁体替代了电励磁，因此称之为永磁电机。2023-2-156 2.永磁电机分类永磁电机分类1）永磁直流电动机 直流电动机采用永磁励磁后，既保留了电励磁直流电动机良好的调速特性和机械特性，还因省去了励磁绕组和励磁损耗而具
4、有结构工艺简单、体积小、用铜量少、效率高等特点。因而从家用电器、便携式电子设备、电动工具到要求有良好动态性能的精密速度和位置传动系统都大量应用永磁直流电动机。500 W以下的微型直流电动机中，永磁电机占92%，而10 W以下的永磁电机占99%以上。2023-2-1572）永磁同步电动机 永磁同步电动机与感应电动机相比，不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数（可达到1，甚至容性），减少了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运行时没有转子铜耗，进而可以减小风扇（小容量电机甚至可以去掉风扇）和相应的风摩损耗，效率比同规格感应电动机可提高210个百分点。而且，永磁同步电动机在25%120%额定负载范围
5、内均可保持较高的效率和功率因数，轻载运行时节能效果更为显著。这类电机的转子可以设置启动绕组，具有在某一频率和电压下直接启动的能力，称作自启动永磁同步电机；也可以不设置启动绕组，与变频控制器配套使用，称作调速永磁同步电动机。永磁同步电动机由于高效率的显著优点，广泛应用在油田、纺织化纤工业、陶瓷玻璃工业和年运行时间长的风机水泵以及空气压缩机等领域，调速永磁同步电动机在电动汽车上也得到了广泛应用。2023-2-1583）无刷直流永磁电动机 本质上，这是一种永磁同步电动机。和调速永磁同步电动机一样，必需由逆变器供电。调速永磁同步电动机工作时电流和反电动势理想状态下呈正弦分布；无刷直流电动机则的电流及反
6、电动势呈梯形波分布。从其工作特性看，和直流电动机相似，好似用逆变器装置替换了普通直流电动机的机械换向器，故称无刷直流电动机。这种电机既具有电励磁直流电动机的优异调速性能，又实现了无刷化，主要应用于高控制精度和高可靠性的场合，如航空、航天、数控机床、加工中心、机器人、电动汽车、计算机外围设备等。2023-2-1594）永磁发电机 永磁同步发电机与传统的发电机相比不需要集电环和电刷装置，结构简单，减少了故障率。采用稀土永磁后还可以增大气隙磁密，并把电机转速提高到最佳值，提高功率质量比。当代航空、航天用发电机几乎全部采用稀土永磁发电机。目前，独立电源用的内燃机驱动小型发电机、车用永磁发电机、风轮直接
7、驱动的小型永磁风力发电机正在逐步推广。2023-2-1510 永磁同步电动机的运行原理和电励磁同步电动机相同，但是它以永磁体提供的磁通替代后者的励磁绕组励磁,使电动机结构较为简单,降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机的效率和功率密度。因而无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机运行的可靠性；因而它是近年来研究得较多并在各个领域中得到越来越广泛应用的一种电动机。2023-2-1511 永磁同步电动机分类比较多：按工作主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式（常规式）和外转子式；按转子上有无启动绕组，可分为无启动绕组式（
8、用于变频器供电的场合，利用频率的逐步提高和启动，并随着频率的改变而调节转速，常称为调速永磁同步电动机）和有启动绕组的电动机（既可用于调速运行又可在某一频率和电压下利用启动绕组所产生的异步转矩启动，常称为异步启动永磁同步电动机）；按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机和正弦波永磁同步电动机（简称永磁同步电动机）。异步启动永磁同步电动机又称作自启动永磁同步电动机，当用于频率可调的传动系统时，形成一台具有阻尼（启动）绕组的调速永磁同步电动机。自启动永磁同步电动机总体结构与普通异步电动机类似，不同处在于转子槽较浅，槽下方置入永久磁钢。因此其定子结构与异步电动机相同，转子因内置磁钢一般称作内置
9、式转子。2023-2-15121 基本结构基本结构 自启动永磁式同步电动机总体结构也分为定子和转子。定子结构与异步电动机相同。为了削弱谐波，异步电机转子经常斜槽。由于转子需要放置磁钢，转子不好斜槽，故自启动永磁同步电机的定子一般斜槽。自启动永磁同步电机的转子根据磁钢放置在转子表面还是内部，一般可分为表贴式和内置式。图7-1分别列举了内置式永磁式同步电动机四种常见的转子结构，其中径向结构极间漏磁较少，可采用导磁轴，不需要隔磁衬套，因而转子零件较少，工艺也较简单；切向结构每极磁通由两块永磁体并联提供，可产生较大的气隙磁密；并联结构具有切向结构的上述优点外，还可充分利用空间放置永磁体；混合结构又称为
10、聚磁结构，每对极包括一对主极和一对副极，主极径向磁化，体积较大，气隙磁通的大部分由它提供，副极切向磁化，体积较小，不仅本身能提供一部分气隙磁通，而且能有效地减小主极的极间漏磁，提高永磁材料的利用率。2023-2-1513NSSNNSNS(a)径向结构(b)切向结构(c)并联结构NNNSSSNNNSSSSSNN(d)混合结构图7-1 永磁式同步电动机转子结构NSNSSNNSNNSSNNSS2023-2-1514 工作原理与启动问题工作原理与启动问题 和电励磁同步电动机一样，当自启动永磁同步电机稳定工作时，定子三相电流产生的合成磁场在电机气隙中以同步转速旋转；转子上装设的永久磁钢磁场随转子一起旋转
11、，转速及转向与定子合成磁场的相同。由于转子转速与磁场转速相同，因此外表看上去原本为异步电动机，在转子上装设了永久磁钢后，稳态运行时转速必然为磁场转速，电机“变成”了同步电机。因此转子上虽有绕组（导条），但由于和磁场之间没有相对运动，因此转子绕组中不产生电动势，故而转子绕组没有电流，转子铜损耗几乎为零。这是自启动永磁同步电动机效率比异步电动机效率明显提升的主要原因。2023-2-1515 由于转子上永磁体的存在和转子电磁的不对称性，自启动永磁同步电动机与异步电动机相比较，使其启动过程远较鼠笼异步电动机复杂。在启动过程中，永磁体磁场随转子以n=(1-s)n1转速旋转，在定子绕组中感应（1-s）f1
12、频率的对称相三相电势。由于电网频率为f1，对于频率为(1-s)f1的定子电势，接至电网就相当于短路，于是定子绕组内将流过一组频率为（1-s）f1的三相短路电流。从叠加原理考虑，永磁同步电动机定子绕组中存在两个不同频率的交流激励源：即外加的频率为f1的对称三相电压和转子永磁体感生的频率为（1-s）f1的对称三相电势。若将启动过程近似地看成是一系列不同转差率下的稳态异步运行，当磁路为线性时，永磁同步电动机启动过程可以看成是转子无永永磁体时，转子不对称鼠笼异步电动机稳态运行和转子上有永磁体励磁、定子三相短路的异步稳态运行的叠加。因此，自启动永磁同步电动机依靠笼型绕组产生如同异步电动机工作时一样的启动
13、转矩，带动转子旋转起来。等到转子转速上升到接近同步速时，依靠定子旋转磁场与转子永磁体的相互吸引把转子牵入同步。这就是所谓的“异步启动，同步运行”。在整个启动过程中，笼型绕组产生异步启动转矩，而永磁体产生发电制动转矩，但当达到同步速时，异步启动转矩为零，而发电制动转矩转变为同步牵引转矩，带动电动机正常同步运行。可见，对于自启动永磁式同步电动机来说，永磁体和笼型启动绕组之间的合理设计是十分重要的。2023-2-1516 如果去掉自启动永磁同步电动机转子上的启动绕组，那么这种电机在工频电源下将没有启动能力，但在变频电源下，逐渐升高定子电源的频率，旋转磁场的同步转速逐渐升高，带动转子逐渐达到需要的转速
14、。这样的电机一般都使用在需要调速的场所，因此称调速永磁同步电动机，有时简称永磁同步电动机。其结构示意图如图7-2所示。图7-2 调速永磁同步电动机截面图1-定子 2-定子槽 3-永磁体 4-转子 5-转轴2023-2-1517 直流电动机由于调速性能好、堵转转矩大等优点而在各种运动控制系统中等到广泛应用，但是直流电动机具有电刷和换向器装置，运行时所形成的机械摩擦严重影响了电机的精度和可靠性，因摩擦而产生的火花还会引起无线电干扰。电刷和换向器装置使直流电动机结构复杂、噪音大，维护也比较困难。所以，长期以来人们在不断寻求可以不用电刷和换向器装置的直流电动机。随着电子技术、计算机技术和永磁材料的迅速
15、发展，诞生了无刷直流电动机。这种电动机利用电子开关线路和位置传感器来代替电刷和换向器，既具有直流电动机的运行特性，又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，它的转速不再受机械换向的限制，可以制成转速高达每分钟几十万转的高速电动机。因此，无刷直流电动机用途非常广泛，可作为一般直流电动机、伺服电动机和力矩电动机等使用。2023-2-15181.基本结构基本结构 无刷直流电动机由电动机本体、电子开关线路和转子位置传感器三部分组成，其系统构成如图7-3所示，其中直流电源通过开关线路向电动机的定子绕组供电，位置传感器检测电动机的转子位置，并提供信号控制开关线路中的功率开关元件，使之按照一定的规
16、律导通和关断，从而控制电动机的转动。直流电源开关线路电动机本体位置传感器负载图7-3 无刷直流电动机系统构成2023-2-1519 无刷直流电动机的基本结构如图7-4所示，其中电动机结构与调速永磁同步电动机相似，转子上装设永久磁钢，定子铁心中安放着对称的多相绕组，可接成星形或角形，各相绕组分别与电子开关线路中的相应开关元件相连接，电子开关线路有桥式和非桥式两种。图7-4表示的是常用的三相星形桥式连接方式。abcABCNS1V2V3V4V5V6VdU图7-4 无刷直流电动机基本结构2023-2-15202.工作原理工作原理 根据电子开关线路结构和定子绕组联接方式，无刷直流电动机可以有多种运行状态
17、，下面以两相导通三相星形六状态为例说明无刷直流电动机的工作原理。如图7-4所示，假设在任意时刻开关线路的上桥臂和下桥臂各有一个晶体管导通，即三相绕组的通电顺序依次为AC、BC、BA、CA、CB、AB。当A、C相通电时，转子磁极位置如图7-5(a)所示，为定子绕组合成磁动势，为转子永磁体磁动势，为转子磁极位置角（）。当永磁体位于起始位置时，A、C两相开始通电，而B相无电流。此时电流流通的路径为：电源正极V1管A相绕组C相绕组V2管电源负极。和 相互作用，使转子顺时针旋转。当转子顺时针旋转 到达终止位置时，开始进入B、C两相通电的状态，如图7-5(b)所示。此时电流流通的路径为：电源正极V3管B相
18、绕组C相绕组V2管电源负极。和 相互作用，使转子继续顺时针旋转。如此六种状态循环往复。SFNF3/0SFNF2023-2-1521 图7-5 无刷直流电动机原理图(a)A、C通电状态 (b)B、C通电状态ACBSFNF起始终止NFaiciABSFNF起始终止NFcibi(a)(b)2023-2-1522 从表7-1可以看出，在1个周期内电动机共有6个通电状态，每个状态都是两相同时导通，每个开关管导通角为。表7-1 两相导通三相星形六状态开关管导通顺序表2023-2-15233.无刷直流电动机与永磁同步电动机的比较无刷直流电动机与永磁同步电动机的比较 无刷直流电动机将电子线路与电机融为一体，把先
19、进的电子技术、微机控制技术应用于电机领域，是典型的机电一体化产品，促进了电机技术的发展。无刷直流电动机属于永磁式电动机，目前在运动控制系统中普遍使用的永磁电动机有两大类，即无刷直流电动机和调速永磁同步电动机。这两种类型的电机连同自启动永磁同步电机有时都称作无刷永磁同步电机，而调速永磁同步电动机和自启动永磁同步电机自然都可以称作永磁同步电动机。现将无刷直流电动机和永磁同步电动机简单比较如下：1）无刷直流电动机（Brushless DC Motor，简称BDCM）：其出发点是用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极，将原直流电动机的转子电枢变为定子。有刷直流电动机是依靠机械换向器将直流电流转
20、换为近似梯形波的交流，而BDCM是将方波电流（实际上也是梯形波）直接输入定子，其好处就是省去了机械换向器和电刷，也称为电子换向。为产生恒定电磁转矩，要求系统向BDCM输入三相对称方波电流，同时要求BDCM的每相感应电动势为梯形波，因此也称BDCM为方波电动机。为此无刷直流电动机的定子绕组常采用集中绕组。2023-2-15242）永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM）：其出发点是用永磁体取代电励磁式同步电动机转子上的励磁绕组，以省去励磁线圈、滑环和电刷。PMSM的定子与电励磁式同步电动机基本相同，要求输入定子的电流仍然是三相正弦的。为
21、产生恒定电磁转矩，要求系统向PMSM输入三相对称正弦电流，同时要求PMSM的每相感应电动势为正弦波，因此也称PMSM为正弦波电动机。如前所述，永磁同步电动机又可再分为自启动永磁同步电动机和调速永磁同步电动机。永磁同步电动机的定子绕组一般采用分布和短距以削弱谐波。步进电机步进电机7.22023-2-1526 步进电动机是一种把电脉冲信号转换成机械角位移的控制电机，常作为数字控制系统中的执行元件。由于其输入信号是脉冲电压，输出角位移是断续的，即每输入一个电脉冲信号，转子就前进一步，因此叫做步进电动机，也称为脉冲电动机。步进电动机在近十几年中发展很快，这是由于电力电子技术的发展解决了步进电动机的电源
22、问题，而步进电动机能将数字信号转换成角位移正好满足了许多自动化系统的要求。步进电动机的转速不受电压波动和负载变化的影响，只与脉冲频率同步，在许多需要精确控制的场合应用广泛，如打印机的进纸、计算机的软盘转动、卡片机的卡片移动、绘图仪的X、Y轴驱动等等。2023-2-15274123AXYBCZacbdNS 图7-6 步进电动机的基本结构(a)反应式(b)永磁式(a)(b)2023-2-1528 从结构上来说，步进电动机主要包括反应式、永磁式和复合式三种。反应式步进电动机依靠变化的磁阻产生磁阻转矩，又称为磁阻式步进电动机，如图7-6(a)所示；永磁式步进电动机依靠永磁体和定子绕组之间所产生的电磁转
23、矩工作，如图7-6(b)所示；复合式步进电动机则是反应式和永磁式的结合。目前应用最多的是反应式步进电动机。步进电动机驱动电路的构成如图7-7所示。信号电路逻辑电路放大电路直流电源步进电机驱驱动动电电路路图7-7 步进电动机驱动电路的构成2023-2-1529 以三相反应式步进电动机为例说明其工作原理。如图7-8所示，一般说来，若相数为，则定子极数为，所以定子有六个齿极。定子相对的两个齿极组成一组，每个齿极上都装有集中控制绕组。同一相的控制绕组可以串联也可以并联，只要它们产生的磁场极性相反。反应式步进电动机的转子类似于凸极同步电动机，这里讨论有四个齿极的情况。当A相绕组通入直流电流 时，由于磁力
24、线力图通过磁阻最小的路径，转子将受到磁阻转矩的作用而转动。当转子转到其轴线与A相绕组轴线相重合的位置时，磁阻转矩为零，转子停留在该位置，如图7-8(a)所示。如果A相绕组不断电，转子将一直停留在这个平衡位置，称为“自锁”。2023-2-1530 要使转子继续转动，可以将A相绕组断电，而使B相绕组通电。这样转子就会顺时针旋转300，到其轴线与B相绕组轴线相重合的位置，如图7-8(b)所示。继续改变通电状态，即使B相绕组断电，C相绕组通电，转子将继续顺时针旋转300，如图7-8(c)所示。如果三相定子绕组按照A-C-B顺序通电，则转子将按逆时针方向旋转。上述定子绕组的通电状态每切换一次称为“一拍”
25、，其特点是每次只有一相绕组通电。每通入一个脉冲信号，转子转过一个角度，这个角度称为步距角。每经过三拍完成一次通电循环，所以称为“三相单三拍”通电方式。2023-2-1531AXYBCZ3142AXYBCZ3142BiBiCiCi4123AXYBCZAiAi 图7-8 步进电动机原理图（三相单三拍）(a)A相通电(b)B相通电 (c)C相通电2023-2-1532 三相步进电动机采用单三拍运行方式时，在绕组断、通电的间隙，转子有可能失去自锁能力，出现失步现象。另外，在转子频繁起动、加速、减速的步进过程中，由于受惯性的影响，转子在平衡位置附近有可能出现振荡现象。所以，三相步进电动机单三拍运行方式容
26、易出现失步和振荡，常采用三相双三拍运行方式。AXYBCZAXYBCZBiBiCiCiAXYBCZAiAi412341234123BiBiCiCiAiAi 图7-9 步进电动机原理图（三相双三拍）(a)A、B相通电 (b)B、C相通电 (c)C、A相通电2023-2-1533 三相双三拍运行方式的通电顺序是AB-BC-CA-AB。由于每拍都有两相绕组同时通电，如A、B两相通电时，转子齿极1、3受到定子磁极A、X的吸引，而2、4受到B、Y的吸引，转子在两者吸力相平衡的位置停止转动，如图7-9(a)所示。下一拍B、C相通电时，转子将顺时针转过300，达到新的平衡位置，如图7-9(b)所示。再下一拍C
27、、A相通电时，转子将再顺时针转过300，达到新的平衡位置，如图7-9(c)所示。可见这种运行方式的步距角也是300。采用三相双三拍通电方式时，在切换过程中总有一相绕组处于通电状态，转子齿极受到定子磁场控制，不易失步和振荡。图7-10步进电动机的多齿结构2023-2-1534 对于图7-7和图7-8所示的步进电动机，其步距角都太大，不能满足控制精度的要求。为了减小步距角，可以将定、转子加工成多齿结构，如图7-10所示。设脉冲电源的频率为，转子齿数为，转子转过一个齿距需要的脉冲数为，则每次转过的步距角为NZrb0360 因为步进电动机转子旋转一周所需要的脉冲数为，所以步进电动机每分钟的转速为NZf
28、nr60显然步进电动机的转速正比于脉冲电源的频率。直线电动机直线电动机7.32023-2-1536 直线电动机是一种做直线运动的电机，早在十八世纪就有人提出用直线电机驱动织布机的梭子，也有人想用它作为列车的动力，但只是停留在试验论证阶段。直到十九世纪五十年代随着新型控制元件的出现，直线电机的研究和应用才得到逐步发展。20世纪90年代以来随着高精密机床的研制，因直线电机直接驱动系统具有传统系统无法比拟的优点和潜力，使其在机械加工自动化方面得到广泛应用，在工件传送、开关阀门、开闭窗帘及平面绘图仪、笔式记录仪、磁分离器、交通运输、海浪发电，以及作为压缩机、锻压机械的动力源等，显示出很大的优越性。20
29、23-2-1537 与旋转电机相比，直线电机主要有以下优点：由于不需要中间传动机构，整个系统得到简化，精度提高，振动和噪音减小；由于不存在中间传动机构的惯量和阻力矩的影响，电机加速和减速的时间短，可实现快速启动和正反向运行；普通旋转电机由于受到离心力的作用，其圆周速度有所限制，而直线电机运行时，其部件不受离心力的影响，因而它的直线速度可以不受限制；由于散热面积大，容易冷却，直线电机可以承受较高的电磁负荷，容量定额较高；由于直线电机结构简单，且它的初级铁心在嵌线后可以用环氧树脂密封成一个整体，所以可以在一些特殊场合中应用，例如可在潮湿环境甚至水中使用。直线电机是由旋转电机演化而来，如图7-11所
30、示。原则上各种型式的旋转电机，如直流电动机、异步电动机、同步电动机等均可演化成直线电动机。这里主要以国内外应用较多的直线感应电动机为例介绍直线电机的基本结构和工作原理。2023-2-1538 如图7-11(a)所示，如果将笼型感应电动机沿径向剖开，并将电机的圆周展成直线，就得到图7-11(b)所示的直线感应电动机，其中定子与初级对应，转子与次级对应。由图7-11演变而来的直线电机，其初级和次级的长度是相等的。由于初级和次级之间要做相对运动，为保证初级与次级之间的耦合关系保持不变，实际应用中初级和次级的长度是不相等的。如图7-12所示，如果初级的长度较短，则称为短初级；反之，则称为短次级。由于短
31、初级结构比较简单，成本较低，所以短初级使用较多，只有在特殊情况下才使用短次级。2023-2-1539定子次级初级(a)(b)图7-11 直线电机的演化(a)旋转电机(b)直线电机2023-2-1540 图7-12所示的直线电机仅在次级的一边具有初级，这种结构称为单边型。单边型除了产生切向力外，还会在初、次级之间产生较大的法向力，这对电机的运行是不利的。所以，为了充分利用次级和消除法向力，可以在次级的两侧都装上初级，这种结构称为双边型，如图7-13所示。我们知道还有一种实心转子感应电动机，它的定子和普通笼型感应电动机是一样的，转子是实心钢块。实心转子既作为导磁体又作为导电体，气隙磁场也会在钢块中
32、感应电流，产生电磁转矩，驱动转子旋转。图7-12和图7-13所示的直线电机实际上是由实心转子感应电动机演变而来的，所以图中的次级没有鼠笼导条。次 级初 级(a)(b)次 级初 级 图7-12 扁平型单边直线电动机 (a)短初级 (b)短次级2023-2-1541次 级初 级初 级图7-13 扁平型双边直线电动机 图7-12和图7-13所示的直线电机称为扁平型直线感应电动机。如果把扁平型直线电机的初级和次级按图7-14(a)所示箭头方向卷曲，就形成了图7-14(b)所示的圆筒型直线电机。在扁平型直线电机中，初级线圈是菱形的，这与普通旋转电机是相同的。菱形线圈端部的作用是使电流从个极流向另一个极。
33、在圆筒型直线电机中，把菱形线圈卷曲起来，就不需要线圈的端部，而成为饼式线圈，这样可以大大简化制造工艺。2023-2-1542NSNSNS初级次级次级初级NSNSNS 图7-14 圆筒型直线电机的演化 (a)扁平型 (b)圆筒型(a)(b)2023-2-1543 由上所述，直线电机由旋转电机演变而来，所以当初级的多相绕组中通入多相电流后，也会产生一个气隙磁场，这个磁场的磁通密度波是直线移动的，故称为行波磁场，如图7-15所示。显然，行波的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是相同的，称为同步速度，fvs2式中，为电源频率，为极距。在行波磁场切割下，次级中的导条将产生感应电动势和电流，所有导
34、条的电流和气隙磁场相互作用，产生切向电磁力（图中只画出一根导条）。如果初级是固定不动的，那末次级就沿着行波磁场行进的方向作直线运动。若次级移动的速度用 表示，则滑差率fv2023-2-1544次级移动速度ssvvvssvsv)1(表明直线感应电动机的速度与电源频率及电机极距成正比，因此改变极距或电源频率都可改变电机的速度。次级初级ABYCXZvsv图7-15 直线电动机原理图2023-2-1545 与旋转电机一样，改变直线电机初级绕组的通电次序，可改变电机运动的方向，因而可使直线电机作往复直线运动。在实际应用中，我们也可将次级固定不动，而让初级运动。如果圆筒型直线电机的初级绕组通以多相交流电，
35、所产生的气隙磁场和扁平型直线电机是一样的，也是行波磁场，次级也作直线运动。应用实例应用实例7.42023-2-1547 本章前几节介绍的几种类型电机,应用领域涉及面非常广泛。比如，永磁同步电机，在电梯、压缩机、电动汽车等领域都得到了广泛应用。1.电动车 调速永磁同步电机和无刷直流电动机在电动车上都有广泛的应用。目前市场上几款知名的电动汽车比如宝马、丰田、比亚迪、荣威使用的都是永磁同步电动机。图7-16为两款电动汽车图片。各种款式的电动自行车基本上使用的都是无刷直流电动机。图7-16 两款使用永磁同步电动机的电动汽车2023-2-15482.压缩机 随着对节能减排的要求越来越高，许多行业对设备的
36、高效低耗提出了更高的标准。压缩机行业近年来对高效的永磁同步电机的需求逐渐增多。图7-17位压缩机-永磁同步电机系统。图7-17 装备永磁同步电机的压缩机2023-2-15493.磁悬浮列车 直线电动机主要应用于自动控制系统以及大功率的驱动系统中。比如电动门、航天航空仪器、电磁炮等。磁悬浮列车其本质上也是一台直线电机，定子在轨道上，列车本身就是转子。图7-18为运行于上海浦东机场与龙阳路地铁站之间的磁悬列车图片。图7-18 上海磁悬浮列车自启动永磁同步电动机仿真自启动永磁同步电动机仿真7.52023-2-1551 为便于分析,在满足工程实际所需的精度要求下作如下假设:1.电机铁芯的导磁系数为无穷
37、大，不考虑铁芯饱和的影响，从而可以利用叠加原理来计算电机各个绕组电流共同作用下的气隙合成磁场；2.定子和转子磁势所产生的磁场沿定子内圆是正弦分布的，即略去磁场中的所有空间谐波；3.各相绕组对称，阻尼绕组(启动鼠笼)的阻尼条及转子导磁体对转子d、q轴对称，已折算到d、q轴；4.不计涡流和磁滞的影响。5.不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。自启动永磁同步电动机的物理模型如图7-19所示。2023-2-1552图7-19自启动永磁同步电机的物理模型图7-19中，定子三相绕组轴线 A、B、C 是静止的，三相电压 uA、uB、uC 和三相电流 iA、iB、iC 都是对称的、呈正弦分布，转子以电角速
38、度旋转。沿永磁体磁场方向的轴线为d轴，与d轴正交且领先d轴90方向的是q轴，d-q坐标在空间随转子旋转，d 轴与 A 轴之间的夹角 为变量。2023-2-1553 自启动永磁同步电动机的数学模型由下列电压方程、磁链方程以及转矩方程和运动方程组成：1.电压方程ds ddqqs qqdD DDQ QQ00uRipuRipR ipR ip2.磁链方程dsd dmd Dqsq qmq QDmd drD DQmq qrQ QffL iL iL iL iL iL iL iL i2023-2-1554epd qq dLp()()()ddpfqsdsqdqmdDqmq d QeTniiniLLi iLi iL
39、i iJTTntp其中 Lsd 等效两相定子绕组d轴自感；Lsq 等效两相定子绕组q轴自感；Lmd d轴定子与转子绕组间的互感，相当于同步电动机的d轴电枢反应电感；Lmq q轴定子与转子绕组间的互感，相当于q轴电枢反应电感；2023-2-1555 LrD d轴阻尼绕组自感；LrQq轴阻尼绕组自感；Rs 定子绕组相电阻；RD、RQ阻尼绕组等效到d、q轴上的电阻；f永磁体产生的磁链；d、q、D、Q作为下标分别表示定子绕组d、q轴分量和转子绕组d、q轴分量；2023-2-1556 基于MATLAB/Simulink的自启动永磁同步电机的仿真模型构建如图7-20图7-20 自启动永磁同步电动机的仿真模
40、型2023-2-1557 一台6极2.2kW，额定电压为380伏Y接法的三相自启动永磁同步电机，换算成两相dq坐标系系下的有关参数为：换算成dq0旋转坐标系下的电阻电感等数据：RS=3.51，RD=RQ=5.20，Lmd=0.0822H，Lmq=0.1362H，Lsd=0.1006 Lsq=0.1546H，LrD=0.1003，LrQ=0.1543，J=0.05kg.m2 f=0.98WB。仿真的有关结果见图7-21，设置的仿真条件为带负载转矩4.98Nm启动，0.8s后负载突变为15.11Nm.。2023-2-1558图7-21 自启动永磁同步电机的仿真结果2023-2-1559本章小结 本章介绍了永磁同步电机、无刷直流电机、步进电机及直线电机的基本结构和工作原理。给出了他们的应用实例。分析了自启动永磁同步电机的数学模型，在MATLAB/Simulink环境下搭建了仿真模型，给出了电机的转速、电磁转矩和电流的响应波形。
