淺談電動汽車電機-永磁同步電機(PMSM)

PMSM 永磁同步電機是一種廣泛應(yīng)用于電動汽車的永磁電機。PMSM 電機的效率比感應(yīng)電機高出 15%，是功率密度最高的牽引電機。

1  什么是永磁同步電機PMSM?

永磁同步電機是交流同步電機的一種，其磁場由產(chǎn)生正弦反向電磁場的永磁體激發(fā)。它包含與感應(yīng)電機相同的轉(zhuǎn)子和定子，但轉(zhuǎn)子使用永磁體來產(chǎn)生磁場。因此，轉(zhuǎn)子上無需纏繞磁場繞組。它也被稱為三相無刷永磁正弦波電機。

永磁同步電機原理

與傳統(tǒng)電機相比，永磁同步電機效率高、無刷、速度快、安全、動態(tài)性能高。它能產(chǎn)生平穩(wěn)的扭矩，噪音低，主要用于機器人等高速應(yīng)用領(lǐng)域。它是一種三相交流同步電機，與外加交流電源同步運行。

轉(zhuǎn)子不使用繞組，而是安裝永久磁鐵來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。由于沒有直流電源，這類電機非常簡單，成本也較低。它包含一個安裝有 3 個繞組的定子和一個安裝有永久磁鐵以產(chǎn)生磁場磁極的轉(zhuǎn)子。向定子提供三相輸入交流電源即可開始工作。

永磁同步電機的工作原理與同步電機類似。它依靠旋轉(zhuǎn)磁場在同步速度下產(chǎn)生電動勢。當(dāng)定子繞組通過三相電源通電時，氣隙之間會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。

當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極以同步速度保持旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)時，就會產(chǎn)生扭矩。由于這些電機不是自啟動電機，因此有必要提供變頻電源。

2  PMSM電機的結(jié)構(gòu)

PMSM 電機的定子：

與普通交流感應(yīng)電機一樣，電力通過定子繞組提供。PMSM 定子繞組通常分布在多個槽上，以接近正弦分布，從而產(chǎn)生正弦波形的反向電動勢波形。

PMSM 電機的轉(zhuǎn)子：

永磁同步電機的結(jié)構(gòu)與基本同步電機相似，唯一不同的是轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子沒有任何磁場繞組，但永磁體用于產(chǎn)生磁場磁極。PMSM 中使用的永磁體由釤鈷和介質(zhì)、鐵和硼組成，因為它們具有較高的磁導(dǎo)率。

最廣泛使用的永磁體是釹硼鐵，因為其成本低廉且易于獲得。在這種類型中，永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的安裝方式，永磁同步電機的結(jié)構(gòu)可分為兩種。

如果磁鐵安裝在電機轉(zhuǎn)子的表面，則 PMSM 電機稱為表面安裝式永磁電機Surface-mounted Permanent Magnet(SPM)。

如果磁鐵安裝在轉(zhuǎn)子內(nèi)部，則 PMSM 電機稱為內(nèi)部安裝永久磁鐵同步電機Interior Permanent Magnet (IPM)。帶有內(nèi)部永磁（IPM）轉(zhuǎn)子的電機可提供極高的效率。

IPM SM 電機的結(jié)構(gòu)

3  PMSM控制原理

PMSM 驅(qū)動器是用于永磁同步電機的經(jīng)典矢量控制驅(qū)動器。該驅(qū)動器采用基于矢量控制方法的閉環(huán)速度控制。閉環(huán)配置提供速度反饋。通過反饋，驅(qū)動器可跟蹤轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置，提供真正的無級調(diào)速范圍，包括零轉(zhuǎn)速時的全扭矩。

PMSM 電機需要在轉(zhuǎn)子軸上安裝位置傳感器。電機最常用的傳感器是編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器。

這些永磁驅(qū)動器使用電機數(shù)據(jù)和電流測量值來計算轉(zhuǎn)子位置；數(shù)字信號處理器 (DSP) 的計算相當(dāng)精確。在每個采樣間隔內(nèi)，與時間和速度相關(guān)的三相交流系統(tǒng)被轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的雙坐標(biāo)系統(tǒng)，其中每個電流都以兩個矢量之和的形式進行表達和控制。

根據(jù)矢量控制策略，得出了與指令轉(zhuǎn)矩相對應(yīng)的定子電流參考直交和正交 (dq) 分量。然后利用定子電流的參考 dq 分量，獲得逆變器所需的柵極驅(qū)動信號。

該驅(qū)動器的主要優(yōu)勢在于其快速的動態(tài)響應(yīng)。機器中轉(zhuǎn)矩和磁通之間固有的耦合效應(yīng)可通過解耦控制（定子磁通定向）進行管理，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁通的獨立控制。然而，由于其計算復(fù)雜性，這種驅(qū)動器的實施需要快速計算處理器或 DSP。

4  PMSM的優(yōu)點和缺點

優(yōu)點

PMSM 具有很強的過載能力。PMSM 的功率密度高于感應(yīng)電機。

與感應(yīng)電機相比，效率更高，尺寸更?。ㄓ来烹姍C的尺寸僅為大多數(shù)交流電機的三分之一，這使得安裝和維護更加容易）。

PMSM 能夠在低速時保持全扭矩。

PMSM 電機使用磁鐵產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場，而不是像感應(yīng)電機那樣使用定子電流的磁化分量。這些磁鐵幾乎不消耗功率，因此與交流感應(yīng)電機和勵磁同步電機不同，轉(zhuǎn)子的銅損耗可以忽略不計。

與感應(yīng)電機相比，PMSM 的轉(zhuǎn)子電氣損耗低，散熱少。此外，由于不像感應(yīng)電機那樣需要磨損機械集電極和電刷，因此摩擦小，耐用性高。

PMSM 的維護成本低、耐用性和可靠性高。對于無刷和機械開關(guān)而言，定期維護的成本大大降低，并且消除了在特殊環(huán)境中產(chǎn)生火花的風(fēng)險。

PMSM 電機以更高的功率因數(shù)運行，從而提高了整個系統(tǒng)的功率因數(shù)。功率因數(shù)的提高還能降低系統(tǒng)壓降和電機終端的壓降。

提供平穩(wěn)的扭矩和動態(tài)性能 

缺點

與感應(yīng)電機相比，這類電機非常昂貴

由于不是自啟動電機，因此啟動困難。

我們需要一個復(fù)雜的控制系統(tǒng)來控制定子電流。