原標(biāo)題：永磁同步電機(jī)工作原理

永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）是一種高效、高性能的交流電機(jī)，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、工業(yè)自動(dòng)化、航空航天等領(lǐng)域。以下從電機(jī)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理、控制策略等方面詳細(xì)介紹其工作原理。

電機(jī)結(jié)構(gòu)

永磁同步電機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成：

• 定子：與三相異步電機(jī)定子結(jié)構(gòu)類(lèi)似，由鐵芯和三相繞組構(gòu)成。三相繞組在空間上互差120°電角度，當(dāng)通入三相交流電時(shí)，會(huì)在定子內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

• 轉(zhuǎn)子：采用永磁體作為勵(lì)磁源，永磁體安裝在轉(zhuǎn)子表面或內(nèi)部，提供恒定的磁場(chǎng)。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的安裝方式不同，永磁同步電機(jī)可分為表面式和內(nèi)置式兩種。表面式永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；內(nèi)置式永磁同步電機(jī)具有凸極效應(yīng)，可提高電機(jī)的功率密度和效率。

運(yùn)行原理

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生

當(dāng)向定子的三相繞組中通入三相交流電時(shí)，各相繞組會(huì)產(chǎn)生一個(gè)按正弦規(guī)律變化的脈振磁場(chǎng)。由于三相繞組在空間上互差120°電角度，這三個(gè)脈振磁場(chǎng)會(huì)相互疊加，形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速ns，其計(jì)算公式為：
ns=p60f
其中，f為電源頻率，單位為Hz；p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。例如，當(dāng)電源頻率f=50Hz，極對(duì)數(shù)p=2時(shí)，同步轉(zhuǎn)速ns=260×50=1500r/min。

轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用

轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生一個(gè)恒定的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)與定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用。根據(jù)磁極同性相斥、異性相吸的原理，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)一起旋轉(zhuǎn)，從而使轉(zhuǎn)子跟隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生

在永磁同步電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)之間會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩的大小與定子電流、轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)以及兩者之間的夾角有關(guān)。當(dāng)定子電流與轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)之間的夾角為90°時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值。

控制策略

為了實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行，需要采用合適的控制策略，常見(jiàn)的有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。

矢量控制

• 原理：矢量控制又稱磁場(chǎng)定向控制（Field-Oriented Control，F(xiàn)OC），其基本思想是將定子電流分解為轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量，分別對(duì)這兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制，從而實(shí)現(xiàn)與直流電機(jī)相似的控制性能。

• 步驟

• 坐標(biāo)變換：將三相靜止坐標(biāo)系下的定子電流變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d?q坐標(biāo)系）下，其中d軸與轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)方向重合，稱為勵(lì)磁軸；q軸與d軸垂直，稱為轉(zhuǎn)矩軸。

• 電流控制：在d?q坐標(biāo)系下，分別對(duì)d軸電流（勵(lì)磁電流）和q軸電流（轉(zhuǎn)矩電流）進(jìn)行控制。通過(guò)調(diào)節(jié)q軸電流的大小來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，調(diào)節(jié)d軸電流的大小來(lái)控制電機(jī)的磁場(chǎng)。

• 逆變器控制：根據(jù)控制后的d軸和q軸電流指令，通過(guò)逆變器產(chǎn)生相應(yīng)的三相電流，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。

直接轉(zhuǎn)矩控制

• 原理：直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control，DTC）不進(jìn)行坐標(biāo)變換，而是直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算和控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈。通過(guò)選擇合適的電壓空間矢量，直接控制定子磁鏈的幅值和旋轉(zhuǎn)速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的快速控制。

• 步驟

• 磁鏈和轉(zhuǎn)矩估算：根據(jù)定子電流和電壓等測(cè)量值，估算出電機(jī)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩。

• 滯環(huán)比較：將估算的轉(zhuǎn)矩和磁鏈與給定的轉(zhuǎn)矩和磁鏈指令進(jìn)行比較，通過(guò)滯環(huán)比較器產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和磁鏈的誤差信號(hào)。

• 電壓空間矢量選擇：根據(jù)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的誤差信號(hào)，從預(yù)先設(shè)定的電壓空間矢量表中選擇合適的電壓空間矢量，施加到逆變器上，控制電機(jī)的運(yùn)行。

特點(diǎn)與應(yīng)用

特點(diǎn)

• 高效：由于采用永磁體作為勵(lì)磁源，不存在勵(lì)磁損耗，電機(jī)效率較高。

• 高功率密度：永磁同步電機(jī)的體積小、重量輕，功率密度大，適合在空間有限的場(chǎng)合應(yīng)用。

• 調(diào)速范圍寬：通過(guò)采用合適的控制策略，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的寬調(diào)速范圍運(yùn)行，滿足不同應(yīng)用的需求。

• 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快：電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，能夠快速跟蹤負(fù)載的變化。

應(yīng)用

• 電動(dòng)汽車(chē)：永磁同步電機(jī)具有高效、高功率密度等特點(diǎn)，是電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的理想選擇，可提高電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程和動(dòng)力性能。

• 工業(yè)自動(dòng)化：在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中，永磁同步電機(jī)可實(shí)現(xiàn)精確的位置控制和速度控制，提高設(shè)備的加工精度和生產(chǎn)效率。

• 航空航天：由于其體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，永磁同步電機(jī)在航空航天領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，如衛(wèi)星姿態(tài)控制、飛機(jī)燃油泵等。