电机（二）——永磁同步电机概述

huangguang

一、永磁同步电机

1.1永磁同步电机简介

永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）出现在20世纪50年代。永磁同步电机的运行原理与普通电励磁同步电机相同，但它以永磁体励磁替代励磁绕组励磁，使电动机结构更为简单，降低了加工和装配费用，同时还省去容易出现问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性。由于无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电动机的工作效率。

1.2永磁同步电机结构

如下图1所示，永磁同步电机主要部分为：转子、定子、端盖等部件。下图2是PMSM的实物图。



图1.PMSM剖面图


图2.PMSM实物解剖图
PMSM的定子主要指定子绕组和定子铁芯两部分。定子绕组目前有分布式和集中式两种结构。分布式绕组与异步电动机的定子多相交流绕组相似，一般希望分布在定子槽中的定子绕组产生的理想磁通势为正弦波，然而实际绕组不会产生理想的正弦波。定义每极每相绕组槽数q=Z/(2 * np * m)，Z为定子槽数，np为电动机极对数，m为电动机定子绕组相数。

PMSM的转子主要包括永磁体、转子铁芯、转轴、轴承等。传统的电网供电异步启动永磁同步电动机的转子会安装有笼型绕组，现代变频调速用永磁同步电动机通常不会安装转子绕组。根据永磁体在转子铁芯中的位置可以划分为表面式与内置式PMSM。表面式PMSM又可以划分为表贴式与插入式两种结构。见下图3、图4、图5所示。



图3.表贴式与内置式PMSM


图4.表贴式PMSM


图5，内置式PMSM
1.3 表贴式电机 VS 内置式电机

表贴式电机：结构简单、制造成本低、转动惯量小，在恒功率运行范围不宽的三相PMSM和永磁无刷直流电机中得到广泛的应用。表贴式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设计，能使电机的气隙磁密波形趋于正弦波分布，进而提高电机的运行性能。【永磁体直接暴露在气隙磁场中，容易退磁，弱磁能力受限】PS：Ld = Lq

内置式电机：可充分利用转子磁路不对称所产生的磁阻转矩，提高电机的功率密度，使得电机的动态性能较表贴式转子结构有所改善，制造工艺也较简单，但漏磁系数和制造成本都较表贴式转子结构大。【有利于弱磁升速，易于提高电动机高速旋转的安全性】。PS：Ld<Lq

为什么表贴式和内置式d、q轴电感不同？

对于永磁性材料，它的磁导率与空气相同，而不是与铁磁性材料相同。可以这么来理解这个事实，铁磁性材料相当于电导率高的电阻，空气相当于电导率很低的电阻，而永磁性材料则相当于电流源。电流源内阻很大，因而电导率很低；然而它会发出电流。永磁性材料相对磁导率很低，然而它能产生磁通。在戴维南定律中，电流源相当于开路，电导率接近于0，因此就不难想象在磁路中为什么磁钢相当于空气了。



图6.内置式与表贴式电机简图
图(a)是内嵌式永磁同步电机，即凸极永磁同步电机，图(b)是表贴式永磁同步电机，即隐极永磁同步电机。电机的d轴和q轴是一个很重要的概念，他们是相对于转子而言的。对于电机来说，d轴即转子磁钢磁极所在轴线，方向是从S极指向N极。q轴与d轴垂直，方向逆时针沿d轴转过90度。说是凸极隐极，其实是根据d轴和q轴的同步电感来确定的。发现了吗？内嵌式永磁同步电机里头d轴方向的用铁量比较少，因为除了空气气隙，还有永磁体占用了一定空间。永磁体磁导率相当于空气！而q轴除了空气气隙就是铁了，用铁量比d轴要多，所以d轴电感小，q轴电感大。而隐极的磁铁是在空气隙里头的，d轴方向和q轴方向用铁量一样多。所以d轴和q轴的电感相等。【来源：乐叔】
二、PMSM的动态数学模型【来源：永磁同步电机变频调速系统及其控制】

1.1 PMSM假设

对交流永磁同步电机作如下假设：

定子绕组Y形接法，三相绕组对称分布，各绕组轴线在空间互差120度；转子上的永磁体在定转子气隙内产生主磁场（对于PMSM，该磁场沿气隙圆周呈正弦分布；对于BLDCM，该磁场沿气隙圆周呈梯形波分布），转子没有阻尼绕组。

忽略定子绕组的齿槽对气隙磁场分布的影响。

假设铁芯的磁导率无穷大，忽略定子铁芯与转子铁芯的涡流损耗和磁滞损耗。

忽略电动机参数（绕组电阻与绕组电感等）的变化。

1.2 PMSM动态数学模型

电压方程

磁链方程

转矩方程

（1）定子电压方程