永磁同步电机

发电机、电动机种类

永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）是一种利用永磁体产生磁场的同步电机，其转子的转速与定子绕组的电流频率保持一致。

结构

永磁同步电机主要由定子、转子和端盖等部件构成，定子由叠片叠压而成以减少电动机运行时产生的铁耗，其中装有三相交流绕组，称作电枢。转子可以制成实心的形式，也可以由叠片压制而成，其上装有永磁体材料。根据电机转子上永磁材料所处位置的不同，永磁同步电机可以分为突出式与内置式两种结构形式，图1给出相应的示意图。突出式转子的磁路结构简单，制造成本低，但由于其表面无法安装启动绕组，不能实现异步起动。

内置式转子的磁路结构主要有径向式、切向式和混合式3种，它们之间的区别主要在于永磁体磁化方向与转子旋转方向关系的不同。图2给出3种不同形式的内置式转子的磁路结构。由于永磁体置于转子内部，转子表面便可制成极靴，极靴内置入铜条或铸铝等便可起到启动和阻尼的作用，稳态和动态性能都较好。又由于内置式转子磁路不对称，这样就会在运行中产生磁阻转矩，有助于提高电机本身的功率密度和过载能力，而且这样的结构更易于实现弱磁扩速。

工作原理

当三相电流通入永磁同步电机定子的三相对称绕组中时，电流产生的磁动势合成一个幅值大小不变的旋转磁动势。由于其幅值大小不变，这个旋转磁动势的轨迹便形成一个圆，称为圆形旋转磁动势。其大小正好为单相磁动势最大幅值的1.5倍，即

式中，F为圆形旋转磁动势，(T・m)；Fφl为单相磁动势的最大幅值，(T・m)；k为基波绕组系数；p为电机极对数；N为每一线圈的串联匝数；I为线圈中流过电流的有效值，由于永磁同步电机的转速恒为同步转速，因此转子主磁场和定子圆形旋转磁动势产生的旋转磁场保持相对静止。两个磁场相互作用，在定子与转子之间的气隙中形成一个合成磁场，它与转子主磁场发生相互作用，产生了一个推动或者阻碍电机旋转的电磁转矩Te，即

式中，Te为电磁转矩，(N・m)；为功率角，rad；BR为转子主磁场，T；Bnet为气隙合成磁场，T。由于气隙合成磁场与转子主磁场位置关系的不同，永磁同步电机既可以运行于电动机状态也可以运行于发电机状态，永磁同步电机的三种运行状态如图3所示。当气隙合成磁场滞后于转子主磁场时，产生的电磁转矩与转子旋转方向相反，这时电机处于发电状态；相反，当气隙合成磁场超前于转子主磁场时，产生的电磁转矩与转子旋转方向相同，这时电机处于电动状态。转子主磁场与气隙合成磁场之间的夹角称为功率角。

永磁同步电机由两个关键部件组成，即一个多极化永磁转子和带有适当设计绕组的定子。在操作过程中，旋转的多极化永磁转子在转子与定子的气隙形成一个随时间变化的磁通。这个通量在定子绕组端子上产生交流电压，从而形成用于发电的基础。在此处所讨论的永磁同步电机使用一个安装在铁磁芯上的环形永磁铁。内部永磁同步电机不在这里考虑。因磁铁嵌入到一个电镀的铁磁芯内是非常困难的，通过使用适当厚度的磁铁（500μm）以及在转子和定子铁芯的高性能磁材料，气隙可以做得非常大（300~500μm）而没有明显的性能损失，这使得定子绕组在气隙中占据一定的空间，从而大大简化了永磁同步电动机的制造。

数学模型

两相旋转坐标系下，定子电压方程为:

式(1)

根据式(1)得两相旋转坐标系下的永磁同步电机稳态运行相量图，如图1所示。

分类

按励磁电流的供给方式分类

永磁同步电机是利用永磁体建立励磁磁场的同步电机，其定子产生旋转磁场，转子用永磁材料制成。同步电机实现能量转换需要一个直流磁场，产生这个磁场的直流电流称为电机的励磁电流。

按供电频率分类

永磁无刷电机包括永磁无刷直流电机和永磁无刷交流电机两种类型，作为电动机运行时均需变频供电。前者只需要方波型逆变器供电，后者需要正弦波型逆变器供电。

按气隙磁场分布分类

控制方式

永磁同步电机恒压频比控制方法

永磁同步电机的恒压频比控制方法与交流感应电机的恒压频比控制方法相似，控制电机输入电压的幅值和频率同时变化，从而使电机磁通恒定，恒压频比控制方法可以适应大范围调速系统的要求。

在不反馈电流、电压或位置等物理信号的前提下，仍能达到一定的控制精度，这是恒压频比控制方法的最大优点。恒压频比控制方法控制算法简单、硬件成本低廉，在通用变频器领域得到了广泛应用。恒压频比控制方法的缺点也显而易见，由于在控制过程中没有反馈速度、位置或任何其他的信号，所以几乎完全不能获得电机的运行状态信息，更无法精确控制转速或电磁转矩，系统性能一般，动态响应较差，尤其在给定目标速度发生变化或者负载突变时，容易产生失步和振荡等问题。显然，该种控制方法不能分别控制转矩和励磁电流，在控制过程中容易存在较大的励磁电流，影响电机的效率。因此，此种控制方法常用于性能需求较低的通用变频器中，如空调、流水线的传送带驱动控制、水泵和风机的节能运行等。

永磁同步电机直接转矩控制技术

直接转矩控制（Direct Self-Control ，DSC）在定子静止坐标系上构建磁链和电磁转矩模型，通过施加不同的电压矢量实现电磁转矩和定子磁链的控制。直接转矩控制方法有着算法简单、转矩响应好等优点，因此，在要求高瞬态转矩响应的场合，此种方法得到了广泛应用。

由于控制存在固有的缺点使得直接转矩控制方法在速度较低时控制频率低，转矩脉动较大。因此减小低速时的转矩脉动也成了直接转矩控制方法中的研究热点，孙笑辉等通过优化电压矢量作用时间来减小低速时的转矩脉动，效果较好。D.casadei等人基于离散空间矢量调制技术将直接转矩控制方法应用于交流感应电机的控制中，减小了转矩脉动。

永磁同步电机矢量控制技术

矢量控制技术诞生于上世纪 70 年代初，永磁同步电机的矢量控制系统是参照直流电机的控制策略，利用坐标变换将采集到的电机三相定子电流、磁链等矢量按照转子磁链这一旋转矢量的方向分解成两个分量，一个沿着转子磁链方向，称为直轴励磁电流；另一个正交于转子磁链方向，称为交轴转矩电流。根据不同的控制目标调节励磁电流和转矩电流，进而实现对速度和转矩的精确控制，使控制系统获得良好的稳态和动态响应特性。

根据不同的控制目标，永磁同步电机矢量控制算法可以分为以下几种：id=0控制、最大转矩/电流控制、弱磁控制等。这些性能指标均可以通过对直轴励磁电流和交轴转矩电流的独立控制来实现。

优点

永磁同步电机可以将电机整体地安装在轮轴上，形成整体直驱系统，即一个轮轴就是一个驱动单元，省去了一个齿轮箱。永磁同步电机的优点如下：

研究热点

电机转矩特性

为了提高电机的转矩特性，许多学者和研究机构在永磁同步电机的结构设计上进行了大胆的尝试和革新，并且取得了许多新进展。为了解决槽宽和齿部宽度的矛盾，开发了横向磁通电( transverse flux machine)技术，电枢线圈和齿槽结构在空间上垂直，主磁通沿着电机的轴向流通，提高了电机的功率密度；采用双层的永磁体布置，使得电机的交轴电导提高，从而增加了电机的输出转矩和最大功率；改变定子齿形和磁极形状以减少电机的转矩脉动等。

弱磁扩速能力

采用弱磁控制后，永磁同步电机的运行特性更加适合电动汽车的驱动要求。在同等功率要求的情况下，降低了逆变器容量，提高了驱动系统的效率。因此，电动汽车驱动用永磁同步电机普遍采用弱磁扩速。为此，国内外的研究机构提出了多种方案，如采用双套定子结构，在不同转速时使用不同绕组，以最大限度地利用永磁体磁场；采用复合转子结构，转子增加磁阻段以控制电机直轴和交轴的电抗参数，从而增加电机扩速能力；定子采用深槽以增加直轴漏抗以扩大电机的转速范围。

电机控制理论

由于永磁同步电机具有非线性和多变量等特点，其控制难度大，控制算法复杂，传统的矢量控制方法往往不能满足要求。为此，一些先进的控制方法在永磁同步电机调速系统中得到应用，包括自适应观测器、模型参考自适应、高频信号注入法及模糊控制、遗传算法等智能控制方法。这些控制方法不依赖于控制对象的数学模型，适应性和鲁棒性好，对于永磁同步电机这样的非线性强的系统具有独特的优势。

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