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永磁同步電機

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永磁同步電動機以永磁體提供勵磁，使電動機結構較為簡單，降低了加工和裝配費用，且省去了容易出問題的集電環和電刷，提高了電動機運行的可靠性；又因無需勵磁電流，沒有勵磁損耗，提高了電動機的效率和功率密度。 [1] 
永磁同步電動機由定子、轉子和端蓋等部件構成。定子與普通感應電動機基本相同，採用疊片結構以減小電動機運行時的鐵耗。轉子可做成實心，也可用疊片疊壓。電樞繞組可採用集中整距繞組的，也可採用分佈短距繞組和非常規繞組。 [1] 
中文名
永磁同步電機 [2] 
外文名
PMSM（Permanent Magnetic Synchronous Machine） [2] 
優    點
結構簡單、節約能源等 [3] 
稱    為
他勵發電機 [3] 
用    途
發電機或電動機 [4] 
應    用
工業、農業等實業領域 [3] 

目錄

  1. 1 結構
  2. 2 工作原理
  3. 3 數學模型
  4. 4 分類
  5. ▪ 按勵磁電流的供給方式分類
  1. ▪ 按供電頻率分類
  2. ▪ 按氣隙磁場分佈分類
  3. 5 控制方式
  4. ▪ 永磁同步電機恆壓頻比控制方法
  5. ▪ 永磁同步電機直接轉矩控制技術
  1. ▪ 永磁同步電機矢量控制技術
  2. 6 優點
  3. 7 研究熱點
  4. ▪ 電機轉矩特性
  1. ▪ 弱磁擴速能力
  2. ▪ 電機控制理論

永磁同步電機結構

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圖1 兩種結構形式的表面形式轉子的磁路結構 圖1 兩種結構形式的表面形式轉子的磁路結構
永磁同步電機主要由定子、轉子和端蓋等部件構成，定子由疊片疊壓而成以減少電動機運行時產生的鐵耗，其中裝有三相交流繞組，稱作電樞。轉子可以製成實心的形式，也可以由疊片壓制而成，其上裝有永磁體材料。根據電機轉子上永磁材料所處位置的不同，永磁同步電機可以分為突出式與內置式兩種結構形式，圖1給出相應的示意圖。突出式轉子的磁路結構簡單，製造成本低，但由於其表面無法安裝啓動繞組，不能實現異步起動。 [4] 
圖2 三種不同形式的內置式轉子的磁路結構 圖2 三種不同形式的內置式轉子的磁路結構
內置式轉子的磁路結構主要有徑向式、切向式和混合式3種，它們之間的區別主要在於永磁體磁化方向與轉子旋轉方向關係的不同。圖2給出3種不同形式的內置式轉子的磁路結構。由於永磁體置於轉子內部，轉子表面便可製成極靴，極靴內置入銅條或鑄鋁等便可起到啓動和阻尼的作用，穩態和動態性能都較好。又由於內置式轉子磁路不對稱，這樣就會在運行中產生磁阻轉矩，有助於提高電機本身的功率密度和過載能力，而且這樣的結構更易於實現弱磁擴速。 [4] 

永磁同步電機工作原理

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基本結構 基本結構 [8]
當三相電流通入永磁同步電機定子的三相對稱繞組中時，電流產生的磁動勢合成一個幅值大小不變的旋轉磁動勢。由於其幅值大小不變，這個旋轉磁動勢的軌跡便形成一個圓，稱為圓形旋轉磁動勢。其大小正好為單相磁動勢最大幅值的1.5倍，即 [4] 
式中，F為圓形旋轉磁動勢，(T・m)；Fφl為單相磁動勢的最大幅值，(T・m)；k為基波繞組係數；p為電機極對數；N為每一線圈的串聯匝數；I為線圈中流過電流的有效值，由於永磁同步電機的轉速恆為同步轉速，因此轉子主磁場和定子圓形旋轉磁動勢產生的旋轉磁場保持相對靜止。兩個磁場相互作用，在定子與轉子之間的氣隙中形成一個合成磁場，它與轉子主磁場發生相互作用，產生了一個推動或者阻礙電機旋轉的電磁轉矩Te，即 [4] 
式中，Te為電磁轉矩，(N・m)；為功率角，rad；BR為轉子主磁場，T；Bnet為氣隙合成磁場，T。由於氣隙合成磁場與轉子主磁場位置關係的不同，永磁同步電機既可以運行於電動機狀態也可以運行於發電機狀態，永磁同步電機的三種運行狀態如圖3所示。當氣隙合成磁場滯後於轉子主磁場時，產生的電磁轉矩與轉子旋轉方向相反，這時電機處於發電狀態；相反，當氣隙合成磁場超前於轉子主磁場時，產生的電磁轉矩與轉子旋轉方向相同，這時電機處於電動狀態。轉子主磁場與氣隙合成磁場之間的夾角稱為功率角。 [4] 
圖3 永磁同步電機概念圖 圖3 永磁同步電機概念圖
永磁同步電機由兩個關鍵部件組成，即一個多極化永磁轉子和帶有適當設計繞組的定子。在操作過程中，旋轉的多極化永磁轉子在轉子與定子的氣隙形成一個隨時間變化的磁通。這個通量在定子繞組端子上產生交流電壓，從而形成用於發電的基礎。在此處所討論的永磁同步電機使用一個安裝在鐵磁芯上的環形永磁鐵。內部永磁同步電機不在這裏考慮。因磁鐵嵌入到一個電鍍的鐵磁芯內是非常困難的，通過使用適當厚度的磁鐵（500μm）以及在轉子和定子鐵芯的高性能磁材料，氣隙可以做得非常大（300~500μm）而沒有明顯的性能損失，這使得定子繞組在氣隙中佔據一定的空間，從而大大簡化了永磁同步電動機的製造。 [5] 

永磁同步電機數學模型

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兩相旋轉座標系下，定子電壓方程為: [7] 
式(1)
圖4 永磁同步電機穩態運行相量圖 圖4 永磁同步電機穩態運行相量圖
根據式(1)得兩相旋轉座標系下的永磁同步電機穩態運行相量圖，如圖1所示 [7]  。

永磁同步電機分類

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永磁同步電機按勵磁電流的供給方式分類

永磁同步電機是利用永磁體建立勵磁磁場的同步電機，其定子產生旋轉磁場，轉子用永磁材料製成。同步電機實現能量轉換需要一個直流磁場，產生這個磁場的直流電流稱為電機的勵磁電流。 [6] 
  1. 他勵電機：從其他電源獲得勵磁電流的電機。 [6] 
  2. 自勵電機：從電機本身獲得勵磁電流的電機。 [6] 

永磁同步電機按供電頻率分類

永磁無刷電機包括永磁無刷直流電機和永磁無刷交流電機兩種類型，作為電動機運行時均需變頻供電。前者只需要方波型逆變器供電，後者需要正弦波型逆變器供電。 [6] 

永磁同步電機按氣隙磁場分佈分類

  1. 正弦波永磁同步電機：磁極採用永磁材料，輸入三相正弦波電流時，氣隙磁場按正弦規律分佈，簡稱為永磁同步電機。 [4] 
  2. 梯形波永磁同步電機：磁極仍為永磁材料，但輸入方波電流，氣隙磁場呈梯形波分佈，性能更接近於直流電機。用梯形波永磁同步電機構成的自控變頻同步電機又稱為無刷直流電機。 [4] 

永磁同步電機控制方式

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永磁同步電機永磁同步電機恆壓頻比控制方法

永磁同步電機的恆壓頻比控制方法與交流感應電機的恆壓頻比控制方法相似，控制電機輸入電壓的幅值和頻率同時變化，從而使電機磁通恆定，恆壓頻比控制方法可以適應大範圍調速系統的要求。 [2] 
在不反饋電流、電壓或位置等物理信號的前提下，仍能達到一定的控制精度，這是恆壓頻比控制方法的最大優點。恆壓頻比控制方法控制算法簡單、硬件成本低廉，在通用變頻器領域得到了廣泛應用。恆壓頻比控制方法的缺點也顯而易見，由於在控制過程中沒有反饋速度、位置或任何其他的信號，所以幾乎完全不能獲得電機的運行狀態信息，更無法精確控制轉速或電磁轉矩，系統性能一般，動態響應較差，尤其在給定目標速度發生變化或者負載突變時，容易產生失步和振盪等問題。顯然，該種控制方法不能分別控制轉矩和勵磁電流，在控制過程中容易存在較大的勵磁電流，影響電機的效率。因此，此種控制方法常用於性能需求較低的通用變頻器中，如空調、流水線的傳送帶驅動控制、水泵和風機的節能運行等。 [2] 

永磁同步電機永磁同步電機直接轉矩控制技術

直接轉矩控制（Direct Self-Control ，DSC）在定子靜止座標系上構建磁鏈和電磁轉矩模型，通過施加不同的電壓矢量實現電磁轉矩和定子磁鏈的控制。直接轉矩控制方法有着算法簡單、轉矩響應好等優點，因此，在要求高瞬態轉矩響應的場合，此種方法得到了廣泛應用。 [2] 
由於控制存在固有的缺點使得直接轉矩控制方法在速度較低時控制頻率低，轉矩脈動較大。因此減小低速時的轉矩脈動也成了直接轉矩控制方法中的研究熱點，孫笑輝等通過優化電壓矢量作用時間來減小低速時的轉矩脈動，效果較好。D.casadei等人基於離散空間矢量調製技術將直接轉矩控制方法應用於交流感應電機的控制中，減小了轉矩脈動。 [2] 

永磁同步電機永磁同步電機矢量控制技術

矢量控制技術誕生於上世紀 70 年代初，永磁同步電機的矢量控制系統是參照直流電機的控制策略，利用座標變換將採集到的電機三相定子電流、磁鏈等矢量按照轉子磁鏈這一旋轉矢量的方向分解成兩個分量，一個沿着轉子磁鏈方向，稱為直軸勵磁電流；另一個正交於轉子磁鏈方向，稱為交軸轉矩電流。根據不同的控制目標調節勵磁電流和轉矩電流，進而實現對速度和轉矩的精確控制，使控制系統獲得良好的穩態和動態響應特性。 [2] 
根據不同的控制目標，永磁同步電機矢量控制算法可以分為以下幾種：id=0控制、最大轉矩/電流控制、弱磁控制等。這些性能指標均可以通過對直軸勵磁電流和交軸轉矩電流的獨立控制來實現。 [2] 

永磁同步電機優點

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永磁同步電機可以將電機整體地安裝在輪軸上，形成整體直驅系統，即一個輪軸就是一個驅動單元，省去了一個齒輪箱。永磁同步電機的優點如下： [3] 
  1. 永磁同步電機本身的功率效率高以及功率因數高； [3] 
  2. 永磁同步電機發熱小，因此電機冷卻系統結構簡單、體積小、噪聲小； [3] 
  3. 系統採用全封閉結構，無傳動齒輪磨損、無傳動齒輪噪聲，免潤滑油、免維護； [3] 
  4. 永磁同步電機允許的過載電流大，可靠性顯著提高； [3] 
  5. 整個傳動系統重量輕，簧下重量也比傳統的輪軸傳動的輕，單位重量的功率大； [3] 
  6. 由於沒有齒輪箱，可對轉向架系統隨意設計：如柔式轉向架、單軸轉向架，使列車動力性能大大提高。 [3] 
  7. 由於採用了永磁材料磁極，特別是採用了稀土金屬永磁體(如釹鐵硼等)，其磁能積高，可得到較高的氣隙磁通密度，因此在容量相同時，電機的體積小、重量輕。 [4] 
  8. 轉子沒有銅損和鐵損，也沒有集電環和電刷的摩擦損耗，運行效率高。 [4] 
  9. 轉動慣量小，允許的脈衝轉矩大，可獲得較高的加速度，動態性能好，結構緊湊，運行可靠。 [4] 

永磁同步電機研究熱點

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永磁同步電機電機轉矩特性

為了提高電機的轉矩特性，許多學者和研究機構在永磁同步電機的結構設計上進行了大膽的嘗試和革新，並且取得了許多新進展。為了解決槽寬和齒部寬度的矛盾，開發了橫向磁通電( transverse flux machine)技術，電樞線圈和齒槽結構在空間上垂直，主磁通沿着電機的軸向流通，提高了電機的功率密度；採用雙層的永磁體佈置，使得電機的交軸電導提高，從而增加了電機的輸出轉矩和最大功率；改變定子齒形和磁極形狀以減少電機的轉矩脈動等。 [4] 

永磁同步電機弱磁擴速能力

採用弱磁控制後，永磁同步電機的運行特性更加適合電動汽車的驅動要求。在同等功率要求的情況下，降低了逆變器容量，提高了驅動系統的效率。因此，電動汽車驅動用永磁同步電機普遍採用弱磁擴速。為此，國內外的研究機構提出了多種方案，如採用雙套定子結構，在不同轉速時使用不同繞組，以最大限度地利用永磁體磁場；採用複合轉子結構，轉子增加磁阻段以控制電機直軸和交軸的電抗參數，從而增加電機擴速能力；定子採用深槽以增加直軸漏抗以擴大電機的轉速範圍。 [4] 

永磁同步電機電機控制理論

由於永磁同步電機具有非線性和多變量等特點，其控制難度大，控制算法複雜，傳統的矢量控制方法往往不能滿足要求。為此，一些先進的控制方法在永磁同步電機調速系統中得到應用，包括自適應觀測器、模型參考自適應、高頻信號注入法及模糊控制、遺傳算法等智能控制方法。這些控制方法不依賴於控制對象的數學模型，適應性和魯棒性好，對於永磁同步電機這樣的非線性強的系統具有獨特的優勢。 [4] 
參考資料