第1章 PMSM构成原理

1.1 永磁同步电动机的分类和转子结构

永磁同步电动机是由电励磁三相同步电动机发展而来。它用永磁体代替了电励磁系统，从而省去了励磁线圈、集电环和电刷，而定子与电励磁三相同步电动机基本相同，故称为永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）。

永磁同步电动机转子磁路结构不同，则电动机的运行性能、控制方法、制造工艺和适用场合也不同。根据永磁体在转子上的位置不同，永磁同步电动机的转子结构可分为面装式、内插式和内埋式（图1-1）。

图1-1 永磁同步电动机的转子结构

面装式和内插式统称为外装式结构，其转子直径可做得很小，转动惯量低，特别是若将永磁体直接粘贴在转轴上，还可以获得低电感，有利于改善动态性能。这种转子结构在矩形波永磁同步电动机和恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电动机中得到广泛的应用。此外，面装式结构的永磁磁极易于实现最优设计，使之成为能使电动机气隙磁密波形区域为正弦波的磁极形状，可显著提高电动机乃至整个传动系统的性能。内插式转子，可充分利用转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩，提高电动机的功率密度，常被某些调速永磁同步电动机所采用。另一种转子结构是将永磁体埋装在转子铁芯内部，每个永磁体都被铁芯所包容，通常称为内埋式永磁同步电动机。这种结构机械强度高，磁路气隙小，具有较大的凸极率，可以提高电动机的牵入同步能力、磁阻转矩和电动机的过载倍数，其适合弱磁运行。面贴式永磁同步电动机实质上是一种隐极式同步电动机，因为永磁材料的磁导率十分接近空气，所以交、直轴电感基本相同。而内插式和内埋式结构属于凸极式同步电动机，其交轴电感大于直轴电感，这样除了产生电磁转矩外，还产生磁阻转矩。电机的凸极有两种形成原因，一种是由于不对称的电机结构，另一种是由于定子或转子的铁磁饱和。一方面，基于电机结构的凸极是由电机的设计所决定的，几乎不受定子电流影响，这使得利用凸极进行转子位置估算的自检测方法具有很强的鲁棒性；另一方面，基于饱和的凸极相对于转子的位置是不固定的。它们的位置随着定子电流幅值的变化而移动。这时自检测方法中的跟踪观测器将跟踪电机里最大饱和的位置，而不是转子的位置。因此这种利用基于饱和的凸极进行转子位置估算的方法鲁棒性能低，不够精确，同时对参数敏感。