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永磁同步電動機（Permanent Magnet Synchronous Motor,，簡稱PMSM）具有高效、高控制精度,、高轉(zhuǎn)矩密度,、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性及低振動噪聲的特點，通過合理設(shè)計永磁磁路結(jié)構(gòu)能獲得較高的弱磁性能,，在電動汽車驅(qū)動方面具有很高的應(yīng)用價值,，受到國內(nèi)外電動汽車界的高度重視，是最具競爭力的電動汽車驅(qū)動電機系統(tǒng)之一,。 1.永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)與特點 1)．永磁同步電動機結(jié)構(gòu) 永磁同步電動機分為正弦波驅(qū)動電流的永磁同步電動機和方波驅(qū)動電流的永磁同步電動機,。這里介紹的主要是以三相正弦波驅(qū)動的永磁同步電動機。 永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)示意圖： 表面嵌入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)： 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)： 2)．永磁同步電動機的特點 優(yōu)點： （1）用永磁體取代繞線式同步電動機轉(zhuǎn)子中的勵磁繞組,，從而省去了勵磁線圈,、滑環(huán)和電刷，以電子換向?qū)崿F(xiàn)無刷運行,，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠,； （2）永磁同步電動機的轉(zhuǎn)速與電源頻率間始終保持準確的同步關(guān)系,，控制電源頻率就能控制電動機的轉(zhuǎn)速； （3）永磁同步電動機具有較硬的機械特性,，對于因負載的變化而引起的電動機轉(zhuǎn)矩的擾動具有較強的承受能力,； （4）永磁電動機轉(zhuǎn)子為永久磁鐵無需勵磁，因此電動機可以在很低的轉(zhuǎn)速下保持同步運行,，調(diào)速范圍寬,； （5）永磁同步電動機與異步電動機相比，不需要無功勵磁電流,，因而功率因數(shù)高,，定子電流和定子銅耗小，效率高,； （6）體積小,、重量輕,。 （7）結(jié)構(gòu)多樣化，應(yīng)用范圍廣,。 缺點： （1）由于永磁同步電動機轉(zhuǎn)子為永磁體,，無法調(diào)節(jié)，必須通過加定子直軸去磁電流分量來削弱磁場,，這會增大定子的電流,，增加電動機的銅耗； （2）永磁電動機的磁鋼價格較高,。 2.永磁同步電動機的運行原理與特性 1)．電樞反應(yīng) 永磁同步電動機帶負載時,，氣隙磁場是永磁體磁動勢和電樞磁動勢共同建立的。電樞磁動勢對氣隙磁場有影響,，電樞磁動勢的基波對氣隙磁場的影響稱為電樞反應(yīng),。 電樞反應(yīng)不僅使氣隙磁場波形發(fā)生畸變，而且還會產(chǎn)生去磁或增磁作用,，因此,，氣隙磁場將影響永磁同步電動機的運行特性。 2)．電壓方程式 忽略磁飽和效應(yīng)的影響,，永磁同步電動機的電壓方程式為 式中,， 為電樞端電壓； 為勵磁電動勢,； 為電樞電流,； 為電樞電流在d軸的分量； 為電樞電流在q軸的分量,； 為電樞繞組電阻,；
為直軸同步電抗；
為交軸同步電抗,。 3)．功率與轉(zhuǎn)矩 當永磁同步電動機具有滯后功率因數(shù)并考慮電樞電阻的影響,，電動機從電網(wǎng)輸入的電功率為
式中，
為電動機的功率角,。 電動機的電磁功率為：
式中,，
為電動機的電樞繞組銅耗。如果忽略電樞電阻的影響,，則
上式的前半部分稱為基本電磁功率,，由永磁磁場與電樞磁場相互作用產(chǎn)生；后半部分因凸極效應(yīng)產(chǎn)生,，稱為附加電磁功率或磁阻功率,。 永磁同步電動機的功角特性和矩角特性：
電磁功率與功率角的關(guān)系稱為永磁同步電動機的功角特性。 4)．運行特性 永磁同步電動機的運行特性主要是機械特性和工作特性,。 永磁同步電動機機械特性為平行于橫軸的直線,，調(diào)節(jié)電源頻率來調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速時,，轉(zhuǎn)速將嚴格地與頻率成正比例變化。 永磁同步電動機的工作特性是指當電源電壓恒定時,，電動機的輸入功率,、電樞電流、效率,、功率因數(shù)等隨輸出功率變化的關(guān)系,。 永磁同步電動機的機械特性：
永磁同步電動機的工作特性：
3.永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型 假定： （1）磁路不飽和，電動機電感不受電流變化影響,，不計渦流和磁滯損耗,； （2）忽略齒槽、換相過程和電樞反應(yīng)的影響,； （3）電動機的反電動勢是正弦的,； （4）電動機各相繞組電阻相等； （5）轉(zhuǎn)子上無阻尼繞組,，永磁體也沒有阻尼作用,。 靜止三相坐標系(ABC)模型：
三相繞組的靜止坐標系(ABC)電壓方程為：
通過坐標變換，可以將永磁同步電動機在ABC三相靜止坐標系下的電壓電流量變換到轉(zhuǎn)子坐標系下,。由此可以得：
電磁轉(zhuǎn)矩方程為：
式中,，
為電動機磁極對數(shù)；
為永磁體產(chǎn)生的磁鏈,；
,，
直交流電感；
,，
為直交流電流,。定子電流空間矢量 ；
與定子磁鏈空間矢量
同相,， 且定子磁鏈與永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場間的空間角度為
,，則
下式代入上式得到：
由上式可以看出，永磁同步電動機輸出轉(zhuǎn)矩中包含兩個分量,，第一項是由兩磁場互相作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，第二項是由凸極效應(yīng)引起,，并與兩軸電感參數(shù)的差值成正比的磁阻轉(zhuǎn)矩,。 4.永磁同步電動機的控制 1).恒壓頻比開環(huán)控制(VVVF ) VVVF的控制變量為電動機的外部變量即電壓和頻率?？刂葡到y(tǒng)將參考電壓和頻率輸入到實現(xiàn)控制策略的調(diào)制器中,，最后由逆變器產(chǎn)生一個交變的正弦電壓施加在電動機的定子繞組上，使之運行在指定的電壓和參考頻率下,。 2)．矢量控制 永磁同步電動機矢量控制策略與異步電動機矢量控制策略有些不同,。由于永磁同步電動機轉(zhuǎn)速和電源頻率嚴格同步,，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差恒等于零,，沒有轉(zhuǎn)差功率,，控制效果受轉(zhuǎn)子參數(shù)影響小。因此,，在永磁同步電動機上更容易實現(xiàn)矢量控制,。
永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)框圖 3)．直接轉(zhuǎn)矩控制 實際系統(tǒng)中，開關(guān)信號是由轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的給定值與反饋值的偏差經(jīng)滯環(huán)比較得到,。而轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的給定值是由電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈估算模型計算得到的,。
PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 4)．智能控制 采用智能控制方法的永磁同步電機控制系統(tǒng)，在多環(huán)控制結(jié)構(gòu)中,，智能控制器處于最外環(huán)充當速度控制器,，而內(nèi)環(huán)電流控制、轉(zhuǎn)矩控制仍采用PI控制,、直接轉(zhuǎn)矩控制這些方法,。
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