1.概述

在中小容量高精度傳動(dòng)領(lǐng)域，廣泛采用永磁式同步電機(jī)，可用在轉(zhuǎn)子上加永磁體的方法來產(chǎn)生磁場。由于永磁材料的固有特性，它經(jīng)過預(yù)先磁化（充磁）以后，不再需要外加能量就能在其周圍空間建立磁場。這既可簡化電機(jī)結(jié)構(gòu)，又可節(jié)約能量。

由于永磁同步電機(jī)閉環(huán)控制當(dāng)中需要電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，因此需要在電機(jī)軸上安裝機(jī)械位置傳感器。由于機(jī)械傳感器的存在，增加了系統(tǒng)復(fù)雜程度和成本，降低了系統(tǒng)魯棒性。永磁同步電機(jī)的無速度傳感器控制成為現(xiàn)今研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。

2.永磁式同步電機(jī)的特點(diǎn)及其分類

永磁式同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高，和直流電機(jī)相比，它沒有直流電機(jī)的換向器和電刷等缺點(diǎn)。和異步電動(dòng)機(jī)相比，它由于不需要無功勵(lì)磁電流，因而效率高，功率因數(shù)高，力矩慣量比大，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測、控制性能好；但它與異步電機(jī)相比，也有成本高、起動(dòng)困難等缺點(diǎn)。和普通同步電動(dòng)機(jī)相比，它省去了勵(lì)磁裝置，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了效率。永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動(dòng)態(tài)性能、大范圍的調(diào)速或定位控制，因此永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

近年來，隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善和價(jià)格的逐步降低以及電力電子器件的進(jìn)一步發(fā)展，加上永磁電機(jī)研究開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的逐步成熟，經(jīng)大力推廣和應(yīng)用已有研究成果，使永磁電機(jī)在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面獲得越來越廣泛的應(yīng)用。正向大功率化（高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩）、高功能化和微型化方面發(fā)展。目前，稀土永磁電機(jī)的單臺(tái)容量已超過1000KW，最高轉(zhuǎn)速已超過300000r/min，最低轉(zhuǎn)速低于0.01r/min，最小電機(jī)的外徑只有0.8mm，長1.2mm。

我國是盛產(chǎn)永磁材料的國家，特別是稀土永磁材料釹鐵硼資源在我國非常豐富，稀土礦的儲(chǔ)藏量為世界其他各國總和的4倍左右，號(hào)稱“稀土王國”。稀土永磁材料和稀土永磁電機(jī)的科研水平都達(dá)到了國際先進(jìn)水平。因此，對(duì)我國來說，永磁同步電動(dòng)機(jī)有很好的應(yīng)用前景。充分發(fā)揮我國稀土資源豐富的優(yōu)勢，大力研究和推廣應(yīng)用以稀土永磁電機(jī)為代表的各種永磁電機(jī)，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國社會(huì)主義現(xiàn)代化具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鋼的幾何形狀不同，使得轉(zhuǎn)子磁場在空間的分布可分為正弦波和梯形波兩種。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，在定子上產(chǎn)生的反電動(dòng)勢波形也有兩種：一種為正弦波；另一種為梯形波。這樣就造成兩種同步電動(dòng)機(jī)在原理、模型及控制方法上有所不同，為了區(qū)別由它們組成的永磁同步電動(dòng)機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)，習(xí)慣上又把正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)稱為正弦型永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）調(diào)速系統(tǒng)；而由梯形波（方波）永磁同步電動(dòng)機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)，在原理和控制方法上與直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)類似，故稱這種系統(tǒng)為無刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDCM）調(diào)速系統(tǒng)。

永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同，則電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性、控制系統(tǒng)等也不同。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置的不同，永磁同步電動(dòng)機(jī)主要可分為：表面式和內(nèi)置式。在表面式永磁同步電動(dòng)機(jī)中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵心的外表面上，這種電機(jī)的重要特點(diǎn)是直、交軸的主電感相等；而內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體外表面與定子鐵心內(nèi)圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，可以保護(hù)永磁體。

這種永磁電機(jī)的重要特點(diǎn)是直、交軸的主電感不相等。因此，這兩種電機(jī)的性能有所不同。

3.PMSM與異步電機(jī)及BLDCM矢量控制系統(tǒng)的比較

永磁同步電機(jī)與無刷直流電機(jī)有許多類似之處，轉(zhuǎn)子上均有永磁磁極，定子電樞需要交變電流以產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，其主要區(qū)別是永磁同步電機(jī)的反電勢為正弦波，無刷直流電動(dòng)機(jī)的反電勢為梯形波。為了產(chǎn)生恒定力矩，永磁同步電機(jī)需要的定子電流為正弦波對(duì)稱電流，無刷直流電機(jī)需要的定子電流為方波電流。

由于電磁慣性，無刷直流電機(jī)的定子電流實(shí)際上為梯形波，而無法產(chǎn)生方波電流，并由集中繞組供電，所以無刷直流電動(dòng)機(jī)較永磁同步電機(jī)脈動(dòng)力矩大。在高精度伺服驅(qū)動(dòng)中，永磁同步電機(jī)有較大競爭力。在另一方面，永磁同步電機(jī)單位電流產(chǎn)生的力矩較無刷直流電機(jī)單位電流產(chǎn)生的力矩小。在驅(qū)動(dòng)同容量的電動(dòng)機(jī)時(shí)，永磁同步電機(jī)所需逆變器容量大并且需要控制電流為正弦波，開關(guān)損耗大很多。

無刷直流電機(jī)定子電流為方波，每相開通1200電角度，然后關(guān)斷600電角度。每600電角度有一個(gè)開關(guān)改變狀態(tài)，所以無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測器只需要每隔600電角度輸出一個(gè)脈沖。永磁同步電機(jī)定子電流為正弦波，定子電流瞬時(shí)值取決于轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)位置，所以必須連續(xù)地檢測轉(zhuǎn)子位置。

永磁同步電機(jī)的交軸電抗和直軸電抗隨電機(jī)磁路飽和等因素而變化，從而影響輸出力矩的磁阻力矩分量。永磁同步電機(jī)對(duì)參數(shù)的變化較無刷直流機(jī)敏感，但當(dāng)永磁同步電機(jī)工作于電流控制方式時(shí)，磁阻轉(zhuǎn)矩很小，永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化的敏感性與無刷直流機(jī)基本相同。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，無刷直流電機(jī)反電勢與直流母線電壓相同時(shí)，反電勢限制了定子電流。而永磁同步電機(jī)能夠采用弱磁控制，因此具有較大的調(diào)速范圍。

4.永磁同步電機(jī)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

早期對(duì)永磁同步電機(jī)的研究主要為固定頻率供電的永磁同步電機(jī)運(yùn)行特性的研究，特別是穩(wěn)態(tài)特性和直接起動(dòng)性能的研究。永磁同步電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)是依靠阻尼繞組提供的異步轉(zhuǎn)矩將電機(jī)加速到接近同步轉(zhuǎn)速，然后由磁阻轉(zhuǎn)矩和同步轉(zhuǎn)矩將電機(jī)牽入同步。V.B.Honsinger和M.A.Rahman等人在這方面做了大量的研究工作。

上個(gè)世紀(jì)八十年代國外開始對(duì)逆變器供電的永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行深入的研究。逆變器供電的永磁同步電機(jī)與直接起動(dòng)的永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同，但在大多數(shù)情況下無阻尼繞組。阻尼繞組有以下缺點(diǎn)：第一，阻尼繞組產(chǎn)生熱量，使永磁材料溫度上升；第二，阻尼繞組增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、使電機(jī)力矩慣量比下降；第三，阻尼繞組的齒槽使電機(jī)脈動(dòng)力矩增大。在逆變器供電情況下，永磁同步電機(jī)的原有特性將會(huì)受到影響，其穩(wěn)態(tài)特性和 暫態(tài)特性與恒定頻率下的永磁同步電機(jī)相比有不同的特點(diǎn)。一九八○年后發(fā)表了大量的論文研究永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型、穩(wěn)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性。A.V.Gumaste等研究了電壓型逆變器供電的永磁同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)特性及電流型逆變器供電的永磁同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)特性。