永磁同步电机 / 四六文摘

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诺丁汉大学 · 电气工程博士

最近更新于2021.02.28 18:45 ，并经过3位同行评审，查看全部1个编审记录

V型插入式永磁同步电机结构示意图: V型永磁体插入转子结构进而励磁

永磁同步电机是由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机^[1]，永磁体通过表贴或插入的方式整合在转子结构上进而产生旋转磁场，三相定子绕组在旋转磁场作用下通过电枢反应，感应三相对称电流。此时转子动能转化为电能，永磁同步电机作发电机(electric generator)用；此外，当定子绕组通入三相对称电流，由于三相定子在空间位置上相差120°，三相定子电流在空间中产生旋转磁场，带有永磁体的转子受到电磁力作用而运动，此时电能转化为动能，永磁同步电机作电动机(electric motor)用。

中文名	永磁同步电机展开
外文名	Permanent magnetic synchronous machine, PMSM展开
电机类别	同步无刷交流电机展开
功能分类	电动机(electric motor), 发电机(electric generator)展开
应用场景	新能源、航空航天、军工设备、生物技术展开

电机结构及参数

与其它旋转电机结构类似，永磁同步电机主要由定子及转子两部分组成。对于永磁同步电机来说，定子由定子铁芯（叠层钢），定子绕组（漆包铜线）组成。铜线绕组按照电机设计布线方式，由绕线机嵌入预先垫好绝缘材料的定子铁芯槽内部，最终整体浸漆完成定子结构的制造。转子由转子铁芯（叠层钢），永磁体（表贴式或插入式）组成。其它机械结构还包括轴承组，电机轴，冷却系统以及电机外壳等。永磁同步电机依据转子结构不同还分为内转子电机及外转子电机，内转子结构电机的使用场景较多。

PMSM的高性能运行需要获取精确的定子电阻Rs、d-q-两轴电感Ld、Lq以及转子磁链值，但这些电磁参数会随电机负载以及温度改变而变化，需要配合相应参数的电机用传感器^[2]进行数据收集，或者采用无传感器（sensorless）电机控制策略^[3]。

PMSM典型构造示意图

工作原理

永磁同步电动机(PMSM as motor):

当永磁同步电动机定子部分通入由三相逆变器经脉宽调制的三相交流电后，定子电枢会产生空间磁场，它与永磁体转子相互作用，产生与定子旋转磁场旋向相同的电磁转矩输出。当输出的转矩T超过转子的摩擦转矩以及由于永磁体的阻尼转矩时，电机便开始对外做功，并不断地加速直至同步。

永磁同步发电机(PMSM as generator):

永磁同步发电机通过主要采用混合励磁中的电励磁部分来调节电机内部的磁场，从而调节发电机的输出电压，使之满足电压调整率要求: 利用变压器原理，在发电机外部进行电压调节。当永磁同步发电机输出电压偏离额定要求时，通过控制装置调节变压器的变压比，对负载电压进行调节，使发电机到负载的输出电压满足要求，进而完成从机械能到电能的转换。

等效电路与矢量图

类似于单独励磁同步电机，永磁同步电机通常在固定于转子的dq参考系中处理，见下图。PMSM的等效电路几乎与单独励磁的同步电机相同。

PMSM在d-q-两轴的等效电路

如果阻尼绕组也包括在模型中，永磁同步电机的电压方程与单独励磁同步电机的不同之处仅在于缺少励磁绕组的方程。永磁同步电机的电压方程在转子参考系中可以用如下公式给出：

PMSM 电压方程组

方程中的磁链分量由以下方程确定：

PMSM方程组中各项磁链分量

永磁体的磁链可以认为是由磁场电流产生的：

PMSM 永磁体磁链分量

同理的，永磁同步电机的矢量图是基于传统同步电机矢量图的变型，如下图，永磁体的磁链于定子绕组中产生。

PMSM的矢量示意图

电机特点

永磁同步电机的特点如下：

(1) PMSM本身的功率效率及功率因数较高;

(2) PMSM无转子绕组结构进而无感应电流, 无转子热损耗, 发热小，因此电机冷却系统结构简单、体积及噪声小;

(3) 系统采用全封闭结构，无传动齿轮磨损及噪声，低维护成本；

(4) 结构简单、体积小、重量轻和过载能力大，同时又实现了无刷化，可靠性显著提高;

(5) 整个传动系统重量轻，簧下重量也比传统的轮轴传动的轻，功率密度较大；

(6) 具有高转矩密度和高动态性能，可以实现高速运行和精确的转矩控制；

(7) 转子采用永磁体材料，特别是稀土金属永磁体(如钕铁硼等)，其磁能积高，可得到较高的气隙磁通密度，因此在容量相同时，电机的体积小、重量轻; 同时,使用稀土永磁体也增加了电机的制造及维护成本。

控制策略

依据应用场景, 成本控制, 侧重表现参数的不同, 有多种PMSM的控制策略可供选择. 永磁电机的同步控制可以看作是对空间磁场的控制，也可以看做定子磁场与转子磁场的匹配问题，如何通过坐标变换实现模拟直流电机的控制方法来进行控制。将定子电流矢量分解成励磁电流分量和转矩电流分量，并使两分量互相垂直，如果给定励磁电流分量为0，转矩与主磁通和转矩电流分量乘积成正比。当通过坐标变换将定子电流矢量分解为励磁电流分量和转矩电流分量，可以实现对电机的输出参数的控制。

PMSM与其他交流电机控制原理的基本区别在于永磁体的磁性，特别是永磁体材料是电机磁路的一部分，因此对其磁阻有显著影响。永磁体的相对磁导率接近1，因此PMSM的有效直接气隙通常变得非常大。因此，电机的电感——尤其是磁体位于转子表面的电机——通常保持相当低。另一个不同之处是，当采用嵌入式磁体时，直接同步电感可能小于正交值，而在单独激励凸极同步电机中，该比值则相反。由于在转子中放置永磁体有不同的替代方案，因此不一定建议对所有永磁电机应用某种通用控制方法，但必须根据电机配置单独选择控制方法。大多数控制方法是基于转子参考系中的PMSM模型。这些控制方法需要关于转子角度的信息，因此，在启动之前，至少需要基于脉冲编码器的速度数据以及初始转子角度的定义。在伺服驱动中，由绝对编码器给出的位置反馈信息通常是必要的，没有位置反馈的永磁驱动是一个热门研究课题。

下表给出了多种PMSM控制策略及其表现对比:

控制策略				优点	缺点
正弦波反电动势	标量			启动方式简单	不适用于负载变化的控制任务，会存在控制损耗
	矢量	磁场定向控制	有位置传感器	转子位置和电机转速设定平稳精确，控制范围大	控制系统内需要转子位置传感器和功能强大的微控制器
		磁场定向控制	无位置传感器	不需要转子位置传感器。转子位置和电机转速设置平滑精确，控制范围较大，但比有位置传感器的策略小	全速范围内的无传感器磁场定向控制仅适用于具有凸极转子的PMSM，且对控制系统要求较高
		直接转矩控制		控制电路简单，动态性能好，控制范围宽，不需要转子位置传感器	高扭矩波动和电流涟波
梯形波反电动势	开环控制			简单控制方案	不适用于负载变化的控制任务，会存在控制损耗
	闭环控制	有位置传感器		简单控制方案	需要霍尔传感器。有扭矩波动。适用于梯形反电动势控制PMSM，正弦反电动势控制PMSM时，平均转矩降低5%
	闭环控制	无位置传感器		可提供高性能控制系统	不适合低速运行状态。有扭矩波动。适用于梯形反电动势控制PMSM，当用正弦反电动势控制PMSM时，平均扭矩降低5%

应用场景

PMSM电机起源于19世纪20年代，当时永磁铁采用的天然矿石，磁能积低，所制成的电机体积大，没有多久就被现代常说的电励磁电机或是异步电机取代，直到20世纪80年代，随着钕铁硼(NdFeB)材料出现, PMSM得到了快速的发展，并在工业界许多领域得到了广泛应用. 目前永磁同步电机常用的永磁材料为铝镍钴、铁氧体、钕铁硼以及稀土钴.由于永磁体转子制造过程中需要用到价格高昂的稀土元素，使得电机成本相对较高；且永磁材料在高温、震动、过流的情况下有退磁的风险，对冷却系统的较高要求也相应增加了使用成本。

PMSM 已广泛应用于许多工业领域，例如制造系统、电动汽车^[4]、风力发电、船舶推进系统、航空航天^[5]等。近年来，随着永磁材料性能的改善以及电力电子技术的进步，许多新原理、新结构的永磁同步电机逐渐被开发出来，有力地促进了电机产品技术、功能和应用的发展，不少永磁同步电机已形成系列化的产品，其容量最大的已可以达到兆瓦(MW)级，应用范围也随之越来越广，用途涵盖军工和民用，场合覆盖特殊和一般，表现出较强的生命力。

参考文献

[1]

Stephen Umans .Fitzgerald & Kingsley's Electric Machinery.McGraw-Hill Education,2013:
[2]

Kun Shang, Yaping Zhang, Michael Galea, Vladimir Brusic, Serhiy Korposh .Fibre optic sensors for the monitoring of rotating electric machines: a review.Optical and Quantum Electronics,2021-01-22,(53):[2021-02-28]
[3]

李永东朱昊 .永磁同步电机无速度传感器控制综述.电气传动,[2021-02-28]
[4]

康劲松，蒋飞，钟再敏，张舟云 .电动汽车用永磁同步电机弱磁控制策略综述.电源学报,[2021-02-28]
[5]

P. Giangrande, V. Madonna , G. Sala, A. Kladas, C. Gerada， M. Galea.Design and Testing of PMSM for Aerospace EMA Applications.IEEE,2018:

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