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永磁电机中的各种电感

分类:公司新闻 发布时间:2026-06-24 浏览量:0

一、虚张声势


理解永磁电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)中各种电感的物理意义和工程价值,是掌握其核心特性、实现高性能控制、优化设计以及进行故障诊断的基石。电感不是简单的参数,而是刻画电机内部复杂电磁交互行为的关键状态变量
概括论述,永磁电机中的电感有:

1、直轴同步电感(Ld)与交轴同步电感(Lq)是矢量控制FOC) 的灵魂参数,直接决定控制性能。

2、瞬态电感/增量电感(Ld_inc, Lq_inc),在给定工作点(Id, Iq)下,磁链对电流的偏导数,即 ΔΨ/ΔI。它反映了磁路局部线性化的斜率。它比同步电感更具实际控制意义,因为:

饱和效应:由于铁磁材料饱和,Ld和Lq并非常数,而是随Id(特别是Id)变化的函数。Ld_inc在深饱和时会显著下降。

②电流调节器设计:电流环的小信号模型依赖于瞬态电感。使用错误的(尤其是偏大的)电感值设计控制器,会导致实际电流环响应过慢、振荡甚至不稳定。

观测器精度:龙贝格观测器卡尔曼滤波器等基于模型的状态观测器,其精度极度依赖于模型中电感参数的准确性,这里应采用瞬态电感。

3、零序电感(L0),在三相绕组中通入相同相位和大小的电流(零序电流)时,所表现出的电感。它的重要性体现在:

①故障诊断:是检测匝间短路故障的最敏感电气参数。发生匝间短路时,故障相的等效电感会变化,零序回路阻抗随之改变。

共模噪声:与电机的高频共模模型相关,影响EMI(电磁干扰)滤波器的设计。

4、漏电感(Lσ),只与定子绕组自身交链,不进入气隙与转子耦合的那部分磁链对应的电感。它也有自己的作用:

电压利用率极限转速:漏电感上的压降会占用部分逆变器输出电压,在高速区限制了可用于产生反电动势转矩的电压余量。

电流谐波与di/dt:漏电感是抑制由PWM开关引起的电流谐波和限制电流变化率di/dt的自然滤波元件。但它也与绕组分布电容构成谐振回路,可能引发高频振荡

短路电流:发生三相短路时,短路电流的峰值和稳态值主要由漏电感决定(I_sc ≈ V / (ω * Lσ))。

以上出现了二十多个概念,如果没有一定基础知识,上面完全是江湖黑话,让人难以理解。


二、法拉第电磁感应定律

法拉第电磁感应定律是电机学乃至电磁学的核心基石之一,可它的发展也不是一蹴而就、一人之功。

1820年,奥斯特发现电流能产生磁场,首次揭示电与磁的联系,激发了科学界对“磁能否生电”的研究兴趣。安培、阿拉果等人曾尝试用强磁场或磁铁产生电流,但均未成功,因为他们主要关注静态磁场。

1831年8月29日,法拉第用软铁环绕制两组线圈,一组接通电池,另一组连接检流计。他发现,仅在电池接通或断开瞬间,检流计指针跳动,表明另一线圈中产生了短暂电流。他进一步验证,将磁铁快速插入或抽出线圈时产生电流;改变通电线圈的电流大小时,邻近线圈中产生电流。电流的产生与磁场的变化有关,而非磁场的静态存在。法拉第通过系统性实验取得突破,法拉第称之为“电磁感应”。

俄国物理学家海因里希·楞次提出感应电流的方向总是阻碍引起它的磁通量变化。

法拉第电磁感应定律被数学表达为:


永磁电机中的各种电感(图1)

多提一句,一定要反复琢磨“阻碍”的意思。一要理解阻碍不是阻止,二要理解阻碍隐含着是一个动态的过程。
三、自感和互感

1、自感,self inductance,是指由于导体回路本身电流发生变化,而在该回路自身中产生感应电动势,从而阻碍原电流变化的现象。

有些时候有些人把自感解释为产生磁场的能力。你细品,哪种定义更好?


永磁电机中的各种电感(图2)

自感、自感电动势和电流有如下关系:

永磁电机中的各种电感(图3)

注意,回路可以像上图那样闭合但无电源,也可以通过电源闭合,我们更熟悉第二种方式。
自感、自感电动势和电流另一种形式的关系我们可能更熟悉:

永磁电机中的各种电感(图4)

2、互感,mutual inductance,是指两个或两个以上彼此靠近的独立线圈之间,由于其中一个线圈的电流发生变化,而在其它线圈中产生感应电动势的现象。

永磁电机中的各种电感(图5)


当线圈1的电流 I1变化时,在线圈2中产生的互感电动势为:


永磁电机中的各种电感(图6)


类似地,我们更熟悉这个形式:


永磁电机中的各种电感(图7)

四、磁动势

磁动势,通常记作 Fm 或 MMF,是驱动磁通 Φ 在磁路中流动的原动力。根据安培环路定律,磁动势是磁场强度 H 沿一条闭合路径l的线积分:


永磁电机中的各种电感(图8)


在电机分析中,常常假设:

①铁心的磁导率无穷大,这就逼得铁心中的H为零,磁压降也就为零;

②铁心中无磁滞,无涡流;

既然是假设,意味着现实中不是这样。可为什么还要这样假设?


按此假设,对于一个简单的整距、集中绕组的两极电机,气隙中的磁动势和基波磁动势如下图:


永磁电机中的各种电感(图9)

对于整距、分布绕组的两极电机,气隙中的磁动势和基波磁动势如下图:


永磁电机中的各种电感(图10)

先不管磁动势的空间分布到底是什么形状,电机结构在空间是对称的,那意味着磁动势在空间也是周期性的。对于一个周期性的东西,傅里叶级数就派上了用场。考虑绕组分布系数、相连接方式、多极,气隙的基波磁动势更一般的形式是:


永磁电机中的各种电感(图11)


在电机分析中,常常还有一个假设,那就是空间磁动势呈正弦分布。为什么敢做此假设?因为无论空间分布实际什么形状,它是周期的,总可以进行傅里叶分解,找到基波,基波肯定是正弦的,基波是真正踏实干事的,其它的都是捣乱的。有个问题值得思考:为什么求磁动势的基波,而不求空间B的基波?转矩不是跟B直接相关吗?


在帕克的同步电机的双方应理论的论文摘要部分也是做了相应的假设。
Synopsis.—Starting with the basic assumption of no saturation or hysteresis, and with distribution of armature phase m. m. f. effectively sinusoidal as far as regards phenomena dependent upon rotor position, general formulas are developed for current, voltage, power, and torque under steady and transient load conditions. Special detailed formulas are also developed which permit the determination of current and torque on three-phase short circuit, during starting, and when only small deviations from an average operating angle are involved.


摘要——从无饱和、无磁滞的基本假设出发,并假设电枢相磁动势的分布在其与转子位置相关的现象范围内是有效正弦的,推导出稳态与暂态负载条件下电流、电压、功率和转矩的通用公式。同时,还推导了专门的详细公式,用于确定三相短路时的电流与转矩、启动过程中的电流与转矩,以及仅在运行角度相对于平均值发生微小偏离时的电流与转矩。


五、计算自感和互感
在电机里,要计算电感,就是先根据电流求出磁动势,再根据磁动势和气隙,求出H,由H和空气磁导率求得B,在以导体回路为边沿的面对B积分,求得磁通,乘以等效匝数得磁链,磁链除以电流即为电感。
永磁电机多见两种样式,表面贴式和内嵌式。对于表面贴式,气隙基本不变,磁动势是空间正弦分布,B也是空间正弦分布。不管是自感,还是互感,都是容易求出的。自感、互感都是定值。
对于内嵌式,气隙沿转子圆周方向做周期性变化,磁阻是变化的,磁通或者说磁链也就是变化的,别忘了电感的定义式,是磁链与电流的比值,那也就意味着电感是变化的。怎么办?
看看我们已知了什么。
①空间正弦分布的磁动势。
②周期变化的气隙,凸极中心线处,即所谓的d轴最小,与d轴电角度垂直的方向上,即q轴上最大,2π电角度要变化4次。如果以d轴为纵坐标,它是个偶函数。
我们以最简单的2极为例。
①以A相轴线为参考,转子d轴与A相轴线的夹角为 r;

\theta_rr
②气隙长度函数 g(ϕs) 已知,其中ϕs 是从转子d轴起算的定子空间角度。
③真实的g(ϕs) 函数可能很复杂,但可以展开为偶函数的傅里叶级数(因为关于d轴和对称),而且,因为要除以气隙,我们直接定义:

永磁电机中的各种电感(图12)


对于许多工程计算,取前两项已足够精确,因为它已经抓住了主要的不均匀性(d轴与q轴的差异)。因此,我们定义气隙相对磁导函数:


永磁电机中的各种电感(图13)

Λ0 是平均磁导,Λ2 表征了磁导随角度变化的幅值。当 gd=gq(隐极机)时,Λ2=0。至于这两个系数为什么这样取,我们后面再议。
于是,气隙磁导就为:

永磁电机中的各种电感(图14)


假设仅A相通有电流 i a。A相绕组产生的基波磁动势(MMF)在定子坐标系下为:


永磁电机中的各种电感(图15)


为了将磁动势与转子的气隙函数结合,我们需要统一到一个坐标系。选择以转子d轴为原点的坐标系 ϕ s更为方便。它们的关系为:


永磁电机中的各种电感(图16)

带入磁动势公式:

永磁电机中的各种电感(图17)

可以看出,在转子坐标系下,A相电流产生的磁动势波,其空间分布依然为正弦波,但其峰值位置(ϕ s=−θ r)相对于d轴随转子位置 θr变化。


气隙磁密B等于磁动势乘以气隙磁导:


永磁电机中的各种电感(图18)

A相磁链可表示为:


永磁电机中的各种电感(图19)

带入B,可得:

永磁电机中的各种电感(图20)

乘进去,即:

永磁电机中的各种电感(图21)

经过不麻烦但繁琐的三角函数变换和积分:

永磁电机中的各种电感(图22)

于是自感呼之欲出,除以电流:

永磁电机中的各种电感(图23)


用类似的方法,可以计算A相与B相之间的互感 L ab。B相绕组轴线滞后A相120°电角度,将积分上下限减去三分之二π就可以了。可得:


永磁电机中的各种电感(图24)


还有这个系数问题没有解决呢。

永磁电机中的各种电感(图25)

咋来的?
根据工程实际,构造一个等效的、分段恒定的磁导模型,实际的气隙变化是连续的,但从磁场主要路径来看,我们可以做一个极其重要的简化:在磁极覆盖的范围内(约极弧角 α p所对应的区域),磁场主要垂直穿过气隙,气隙长度近似为常数gd,在极间区域,磁场路径很长且发散,其有效磁导非常低。我们可以等效地认为,在这个区域存在一个很大的“等效气隙” gq ,但其磁导效果可以用一个很小的恒定值来近似。因此,我们用一个矩形波来近似真实的磁导分布:

永磁电机中的各种电感(图26)

对矩形波进行傅里叶分析:


永磁电机中的各种电感(图27)


如果取α p为二分之一π,则系数为:


永磁电机中的各种电感(图28)

永磁电机中的各种电感(图29)

嗯?咋变成了π分之一?
这还不是近似方法的原因。不要忘了,以上所有推导都是低阶近似。高阶都被忽略了。

永磁电机中的各种电感(图30)


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