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  永磁同步电机是由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机,永磁体作为转子产生旋转磁场,三相定子绕组在旋转磁场作用下通过电枢反应,感应三相对称电流。

  当转子动能转化为电能,永磁同步电机作发电机用;此外,当定子侧通入三相对称电流,由于三相定子在空间位置上相差120,所以三相定子电流在空间中产生旋转磁场,转子旋转磁场中受到电磁力作用运动,此时电能转化为动能,永磁同步电机作电动机用。

  PMSM(Permanent Magnetic Synchronous Machine)

  永磁同步电机主要由定子、转子和端盖等部件构成,定子由叠片叠压而成以减少电动机运行时产生的铁耗,其中装有三相交流绕组,称作电枢。转子可以制成实心的形式,也可以由叠片压制而成,其上装有永磁体材料。根据电机转子上永磁材料所处位置的不同,永磁同步电机可以分为突出式与内置式两种结构形式,右图给出相应的示意图。突出式转子的磁路结构简单,制造成本低,但由于其表面无法安装启动绕组,不能实现异步起动。

  内置式转子的磁路结构主要有径向式、切向式和混合式3种,它们之间的区别主要在于永磁体磁化方向与转子旋转方向关系的不同。右图给出3种不同形式的内置式转子的磁路结构。由于永磁体置于转子内部,转子表面便可制成极靴,极靴内置入铜条或铸铝等便可起到启动和阻尼的作用,稳态和动态性能都较好。又由于内置式转子磁路不对称,这样就会在运行中产生磁阻转矩,有助于提高电机本身的功率密度和过载能力,而且这样的结构更易于实现弱磁扩速。

  当三相电流通入永磁同步电机定子的三相对称绕组中时,电流产生的磁动势合成一个幅值大小不变的旋转磁动势。由于其幅值大小不变,这个旋转磁动势的轨迹便形成一个圆,称为圆形旋转磁动势。其大小正好为单相磁动势最大幅值的1.5倍,即

  为单相磁动势的最大幅值,(T・m);k为基波绕组系数;p为电机极对数;N为每一线圈的串联匝数;I为线圈中流过电流的有效值,A由于永磁同步电机的转速恒为同步转速,因此转子主磁场和定子圆形旋转磁动势产生的旋转磁场保持相对静止。两个磁场相互作用,在定子与转子之间的气隙中形成一个合成磁场,它与转子主磁场发生相互作用,产生了一个推动或者阻碍电机旋转的电磁转矩T

  为气隙合成磁场,T。由于气隙合成磁场与转子主磁场位置关系的不同,永磁同步电机既可以运行于电动机状态也可以运行于发电机状态,永磁同步电机的三种运行状态如右图所示。当气隙合成磁场滞后于转子主磁场时,产生的电磁转矩与转子旋转方向相反,这时电机处于发电状态;相反,当气隙合成磁场超前于转子主磁场时,产生的电磁转矩与转子旋转方向相同,这时电机处于电动状态。转子主磁场与气隙合成磁场之间的夹角称为功率角。

  永磁同步电机由两个关键部件组成,即一个多极化永磁转子和带有适当设计绕组的定子。在操作过程中,旋转的多极化永磁转子在转子与定子的气隙形成一个随时间变化的磁通。这个通量在定子绕组端子上产生交流电压,从而形成用于发电的基础。在此处所讨论的永磁同步电机使用一个安装在铁磁芯上的环形永磁铁。内部永磁同步电机不在这里考虑。因磁铁嵌入到一个电镀的铁磁芯内是非常困难的,通过使用适当厚度的磁铁(500μm)以及在转子和定子铁芯的高性能磁材料,气隙可以做得非常大(300~500μm)而没有明显的性能损失,这使得定子绕组在气隙中占据一定的空间,从而大大简化了永磁同步电动机的制造。

  永磁同步电机是利用永磁体建立励磁磁场的同步电机,其定子产生旋转磁场,转子用永磁材料制成。同步电机实现能量转换需要一个直流磁场,产生这个磁场的直流电流称为电机的励磁电流。

  永磁无刷电机包括永磁无刷直流电机和永磁无刷交流电机两种类型,作为电动机运行时均需变频供电。前者只需要方波型逆变器供电,后者需要正弦波型逆变器供电。

  正弦波永磁同步电机:磁极采用永磁材料,输入三相正弦波电流时,气隙磁场按正弦规律分布,简称为永磁同步电机。

  梯形波永磁同步电机:磁极仍为永磁材料,但输入方波电流,气隙磁场呈梯形波分布,性能更接近于直流电机。用梯形波永磁同步电机构成的自控变频同步电机又称为无刷直流电机。

  这种励磁方式的发电机具有专用的直流发电机,这种专用的直流发电机称为直流励磁机,励磁机一般与发电机同轴,发电机的励磁绕组通过装在大轴上的滑环及固定电刷从励磁机获得直流电流。这种励磁方式具有励磁电流独立,工作比较可靠和减少自用电消耗量等优点,是过去几十年间发电机主要励磁方式,具有较成熟的运行经验。缺点是励磁调节速度较慢,维护工作量大,故在10MW以上的机组中很少采用。

  现代大容量发电机有的采用交流励磁机提供励磁电流。交流励磁机也装在发电机大轴上,它输出的交流电流经整

  流后供给发电机转子励磁,此时,发电机的励磁方式属他励磁方式,又由于采用静止的整流装置,故又称为他励静止励磁,交流副励磁机提供励磁电流。交流副励磁机可以是永磁测量装置机或是具有自励恒压装置的交流发电机。为了提高励磁调节速度,交流励磁机通常采用100~200Hz的中频发电机,而交流副励磁机则采用400~500Hz的中频发电机。这种发电机的直流励磁绕组和三相交流绕组都绕在定子槽内,转子只有齿与槽而没有绕组,像个齿轮,因此没有电刷,滑环等转动接触部件,具有工作可靠,结构简单,制造工艺方便等优点。缺点是噪音较大,交流电势的谐波分量也较大。

  在励磁方式中不设置专门的励磁机,而从发电机本身取得励磁电源,经整流后再供给发电机本身励磁,称自励式静止励磁。自励式静止励磁可分为自并励和自复励两种方式。自并励方式它通过接在发电机出口的整流变压器取得励磁电流,经整流后供给发电机励磁,这种励磁方式具有结构简单,设备少,投资省和维护工作量少等优点。自复励磁方式除设有整流变压外,还设有串联在发电机定子回路的大功率电流互感器。这种互感器的作用是在发生短路时,给发电机提供较大的励磁电流,以弥补整流变压器输出的不足。这种励磁方式具有两种励磁电源,通过整流变压器获得的电压电源和通过串联变压器获得的电流源。

  恒压频比控制是一种开环控制。系统在从静止加速到设定转速的过程中,随着供电频率的上升,供电电压也随着上升,并保持供电电压与供电频率的比值不变,这便是所谓的恒压频比,系统稳定运行时,交流感应电机的供电频率保持不变,气隙磁场以设定的恒定同步转速旋转,交流感应电机转速将在滑差范围内随着负载的大小自动变化。永磁同步电机的恒压频比控制方法与交流感应电机的恒压频比控制方法相似,控制电机输入电压的幅值和频率同时变化,从而使电机磁通恒定。它根据系统的给定,利用空间矢量脉宽调制转化为期望的输出电压进行控制,使电动机以一定的转速运转。永磁同步电动机的动态数学模型为非线性、多变量,研究各种非线性控制器用于解决永磁同步电动机的非线]

  在不反馈电流、电压或位置等物理信号的前提下,仍能达到一定的控制精度,这是恒压频比控制方法的最大优点。恒压频比控制方法控制算法简单、硬件成本低廉,在通用变频器领域得到了广泛应用。恒压频比控制方法的缺点也显而易见,由于在控制过程中没有反馈速度、位置或任何其他的信号,所以几乎完全不能获得电机的运行状态信息,更无法精确控制转速或电磁转矩,系统性能一般,动态响应较差,尤其在给定目标速度发生变化或者负载突变时,容易产生失步和振荡等问题。显然,该种控制方法不能分别控制转矩和励磁电流,在控制过程中容易存在较大的励磁电流,影响电机的效率。因此,ag百家了乐八大技巧此种控制方法常用于性能需求较低的通用变频器中,如空调、流水线的传送带驱动控制、水泵和风机的节能运行等。

  高性能的交流调速系统需要现代控制理论的支持,对于交流电动机,使用最广泛的当属矢量控制方案。自1971年德国西门子公司F.Blaschke提出矢量控制原理,该控制方案就倍受青睐。因此,对其进行深入研究。

  矢量控制的基本思想是:在普通的三相交流电动机上模拟直流电机转矩的控制规律,磁场定向坐标通过矢量变换,将三相交流电动机的定子电流分解成励磁电流分量和转矩电流分量,并使这两个分量相互垂直,彼此独立,然后分别调节,以获得像直流电动机一样良好的动态特性。因此矢量控制的关键在于对定子电流幅值和空间位置(频率和相位)的控制。矢量控制的目的是改善转矩控制性能,最终的实施是对id,iq的控制。由于定子侧的物理量都是交流量,其空间矢量在空间以同步转速旋转,因此调节、控制和计算都不方便。需借助复杂的坐标变换进行矢量控制,而且对电动机参数的依赖性很大,难以保证完全解耦,使控制效果大打折扣。

  矢量控制方案是一种有效的交流伺服电动机控制方案。但因其需要复杂的矢量旋转变换,而且电动机的机械常数低于电磁常数,所以不能迅速地响应矢量控制中的转矩。针对矢量控制的这一缺点,德国学者Depenbrock于上世纪80年代提出了一种具有快速转矩响应特性的控制方案,即直接转矩控制(Direct torque control, DTC)。该控制方案摒弃了矢量控制中解耦的控制思想及电流反馈环节,采取定子磁链定向的方法,利用离散的两点式控制直接对电动机的定子磁链和转矩进行调节,具有结构简单,转矩响应快等优点。DTC最早用于感应电动机,1997年L Zhong等人对DTC算法进行改造,将其用于永磁同步电动机控制,已有相关的仿线]

  a虽然,对DTC的研究已取得了很大的进展,但在理论和实践上还不够成熟,例如:低速性能、带负载能力等,而且它对实时性要求高,计算量大。

  永磁同步电动机数学模型经坐标变换后,id,iq之间仍存在耦合,不能实现对id和iq的独立调节。若想使永磁同步电动机获得良好的动、静态性能,就必须解决id,iq的解耦问题。如果id与iq无耦合关系,Te=npψfiq,独立调节iq可实现转矩的线的解耦控制,可采用电压型解耦和电流型解耦。前者是一种完全解耦控制方案,可用于对id,iq的完全解耦,但实现较为复杂;后者是一种近似解耦控制方案,控制原理是:适当选取id环电流调节器的参数,使其具有相当的增益,并始终使控制器的参考输入指令id*=0,可得到id≈id*=0,iq≈iq*0,这样就获得了永磁同步电动机的近似解耦。

  永磁同步电机可以将电机整体地安装在轮轴上,形成整体直驱系统,即一个轮轴就是一个驱动单元,省去了一个齿轮箱。永磁同步电机的优点如下:

  系统采用全封闭结构,无传动齿轮磨损、无传动齿轮噪声,免润滑油、免维护;

  整个传动系统重量轻,簧下重量也比传统的轮轴传动的轻,单位重量的功率大;

  由于没有齿轮箱,可对转向架系统随意设计:如柔式转向架、单轴转向架,使列车动力性能大大提高。

  由于采用了永磁材料磁极,特别是采用了稀土金属永磁体(如钕铁硼等),其磁能积高,可得到较高的气隙磁通密度,因此在容量相同时,电机的体积小、重量轻。

  转动惯量小,允许的脉冲转矩大,可获得较高的加速度,动态性能好,结构紧凑,运行可靠。

  永磁无刷交流电机因产生的转矩比较稳定,多用在伺服系统中。永磁无刷直流电机因控制相对简单,而且对相同容量的电机,可产生比永磁交流电机更大的转矩,因此更适用于牵引系统。

  永磁同步电机由于转子无导条,无铜耗,所以转子惯量可以做得很小。与普通直流电机和异步电机相比,它具有功率密度大、体积小、转矩/惯量比大、动态响应快等一系列优点。由于成本较高,调速范围也没有交流感应电机宽且有退磁危险,所以应用范围还比较有限。

  永磁同步电机的控制技术与感应电机类似,控制策略主要集中在提高低速恒转矩和高速恒功率性能。永磁同步电机低速时常采用矢量控制,包括气隙磁场定向、转子磁链定向、定子磁链定向等;高速运行时,永磁同步电机通常采用弱磁控制。

  自动调节励磁系统可以看成为一个以电压为被调量的负反馈控制系统。无功负荷电流是造成发电机端电压下降的主要原因,当励磁电流不变时,发电机的端电压将随无功电流的增大而降低。但是为了满足用户对电能质量的要求,发电机的端电压应基本保持不变,实现这一要求的办法是随无功电流的变化调节发电机的励磁电流。

  发电机与系统并联运行时,可以认为是与无限大容量电源的母线运行,要改变发电机励磁电流,感应电势和定子电流也跟着变化,此时发电机的无功电流也跟着变化。当发电机与无限大容量系统并联运行时,为了改变发电机的无功功率,必须调节发电机的励磁电流。此时改变的发电机励磁电流并不是通常所说的“调压”,而是只是改变了送入系统的无功功率。

  并联运行的发电机根据各自的额定容量,按比例进行无功电流的分配。大容量发电机应负担较多无功负荷,而容量较小的则负提供较少的无功负荷。为了实现无功负荷能自动分配,可以通过自动高压调节的励磁装置,改变发电机励磁电流维持其端电压不变,还可对发电机电压调节特性的倾斜度进行调整,以实现并联运行发电机无功负荷的合理分配。

  在改变发电机的励磁电流中,一般不直接在其转子回路中进行,因为该回路中电流很大,不便于进行直接调节,通常采用的方法是改变励磁机的励磁电流,以达到调节发电机转子电流的目的。常用的方法有改变励磁机励磁回路的电阻,改变励磁机的附加励磁电流,改变可控硅的导通角等。

  为了提高电机的转矩特性,许多学者和研究机构在永磁同步电机的结构设计上进行了大胆的尝试和革新,并且取得了许多新进展。为了解决槽宽和齿部宽度的矛盾,开发了横向磁通电( transverse flux machine)技术,电枢线圈和齿槽结构在空间上垂直,主磁通沿着电机的轴向流通,提高了电机的功率密度;采用双层的永磁体布置,使得电机的交轴电导提高,从而增加了电机的输出转矩和最大功率;改变定子齿形和磁极形状以减少电机的转矩脉动等。

  采用弱磁控制后,永磁同步电机的运行特性更加适合电动汽车的驱动要求。在同等功率要求的情况下,降低了逆变器容量,提高了驱动系统的效率。因此,电动汽车驱动用永磁同步电机普遍采用弱磁扩速。为此,国内外的研究机构提出了多种方案,如采用双套定子结构,在不同转速时使用不同绕组,以最大限度地利用永磁体磁场;采用复合转子结构,转子增加磁阻段以控制电机直轴和交轴的电抗参数,从而增加电机扩速能力;定子采用深槽以增加直轴漏抗以扩大电机的转速范围。

  由于永磁同步电机具有非线性和多变量等特点,其控制难度大,控制算法复杂,传统的矢量控制方法往往不能满足要求。为此,一些先进的控制方法在永磁同步电机调速系统中得到应用,包括自适应观测器、模型参考自适应、高频信号注入法及模糊控制、遗传算法等智能控制方法。这些控制方法不依赖于控制对象的数学模型,适应性和鲁棒性好,对于永磁同步电机这样的非线性强的系统具有独特的优势。

  按照不同的工农业生产机械的要求,永磁同步电机的应用大致分为定速驱动、调速驱动和精密控制驱动三类。

  工农业生产中有大量的生产机械要求连续地以大致不变的速度单方向运行,例如风机、泵、压缩机、普通机床等。对这类机械以往大多采用三相或单相异步电动机来驱动。异步电动机成本较低,结构简单牢靠,维修方便,很适合该类机械的驱动。但是,异步电动机效率、功率因数低、损耗大,而该类电机使用面广量大,故有大量的电能在使用中被浪费了。其次,工农业中大量使用的风机、水泵往往亦需要调节其流量,通常是通过调节风门、阀来完成的,这其中又浪费了大量的电能。70年代起,人们用变频器调节风机、水泵中异步电动机转速来调节它们的流量,取得可观的节能效果,但变频器的成本又限制了它的使用,而且异步电动机本身的低效率依然存在。

  有相当多的工作机械,其运行速度需要任意设定和调节,但速度控制精度要求并不非常高。这类驱动系统在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆中有大量应用。在这类调速应用领域最初用的最多的是直流电动机调速系统,70年代后随电力电子技术和控制技术的发展,异步电动机的变频调速迅速渗透到原来的直流调速系统的应用领域。这是因为一方面异步电动机变频调速系统的性能价格完全可与直流调速系统相媲美,另一方面异步电动机与直流电动机相比有着制造工艺简单、效率高、同功率电机用铜量少、维护保养方便等优点。故异步电动机变频调速在许多场合迅速取代了直流调速系统。

  高精度的伺服控制系统:伺服电动机在工业自动化领域的运行控制中扮演了十分重要的角色,应用场合的不同对伺服电动机的控制性能要求也不尽相同。实际应用中,伺服电动机有各种不同的控制方式,例如转矩控制/电流控制、速度控制、位置控制等。伺服电动机系统也经历了直流伺服系统、交流伺服系统、步进电机驱动系统,直至近年来最为引人注目的永磁电动机交流伺服系统。在各类自动化设备、自动加工装置和机器人等绝大多数都采用永磁同步电动机的交流伺服系统。

  信息技术中的永磁同步电动机:当今信息技术高度发展,各种计算机外设和办公自动化设备也随之高度发展,与其配套的关键部件微电机需求量大,精度和性能要求也越来越高。对这类微电机的要求是小型化、薄形化、高速、长寿命、高可靠、低噪声和低振动,精度要求更是特别高。例如,硬盘驱动器用主轴驱动电机是永磁无刷直流电动机,它以近10000rpm的高速带动盘片旋转,盘片上执行数据读写功能的磁头在离盘片表面只有0.1~0.3微米处作悬浮运动,其精度要求之高可想而知了。信息技术中各种设备如打印机、软硬盘驱动器、光盘驱动、传真机、复印机等中所使用的驱动电机绝大多数是永磁无刷直流电动机。受技术水平限制,这类微电机国内还不能自己制造,有部分产品在国内组装。