浅谈电动汽车电机-永磁同步电机(PMSM)

PMSM 永磁同步电机是一种广泛应用于电动汽车的永磁电机。PMSM 电机的效率比感应电机高出 15%，是功率密度最高的牵引电机。

1  什么是永磁同步电机PMSM?

永磁同步电机是交流同步电机的一种，其磁场由产生正弦反向电磁场的永磁体激发。它包含与感应电机相同的转子和定子，但转子使用永磁体来产生磁场。因此，转子上无需缠绕磁场绕组。它也被称为三相无刷永磁正弦波电机。

永磁同步电机原理

与传统电机相比，永磁同步电机效率高、无刷、速度快、安全、动态性能高。它能产生平稳的扭矩，噪音低，主要用于机器人等高速应用领域。它是一种三相交流同步电机，与外加交流电源同步运行。

转子不使用绕组，而是安装永久磁铁来产生旋转磁场。由于没有直流电源，这类电机非常简单，成本也较低。它包含一个安装有 3 个绕组的定子和一个安装有永久磁铁以产生磁场磁极的转子。向定子提供三相输入交流电源即可开始工作。

永磁同步电机的工作原理与同步电机类似。它依靠旋转磁场在同步速度下产生电动势。当定子绕组通过三相电源通电时，气隙之间会产生旋转磁场。

当转子磁极以同步速度保持旋转磁场，转子连续旋转时，就会产生扭矩。由于这些电机不是自启动电机，因此有必要提供变频电源。

2  PMSM电机的结构

PMSM 电机的定子：

与普通交流感应电机一样，电力通过定子绕组提供。PMSM 定子绕组通常分布在多个槽上，以接近正弦分布，从而产生正弦波形的反向电动势波形。

PMSM 电机的转子：

永磁同步电机的结构与基本同步电机相似，唯一不同的是转子。转子没有任何磁场绕组，但永磁体用于产生磁场磁极。PMSM 中使用的永磁体由钐钴和介质、铁和硼组成，因为它们具有较高的磁导率。

最广泛使用的永磁体是钕硼铁，因为其成本低廉且易于获得。在这种类型中，永磁体安装在转子上。根据永磁体在转子上的安装方式，永磁同步电机的结构可分为两种。

如果磁铁安装在电机转子的表面，则 PMSM 电机称为表面安装式永磁电机Surface-mounted Permanent Magnet(SPM)。

如果磁铁安装在转子内部，则 PMSM 电机称为内部安装永久磁铁同步电机Interior Permanent Magnet (IPM)。带有内部永磁（IPM）转子的电机可提供极高的效率。

IPM SM 电机的结构

3  PMSM控制原理

PMSM 驱动器是用于永磁同步电机的经典矢量控制驱动器。该驱动器采用基于矢量控制方法的闭环速度控制。闭环配置提供速度反馈。通过反馈，驱动器可跟踪转子的准确位置，提供真正的无级调速范围，包括零转速时的全扭矩。

PMSM 电机需要在转子轴上安装位置传感器。电机最常用的传感器是编码器和旋转变压器。

这些永磁驱动器使用电机数据和电流测量值来计算转子位置；数字信号处理器 (DSP) 的计算相当精确。在每个采样间隔内，与时间和速度相关的三相交流系统被转换为旋转的双坐标系统，其中每个电流都以两个矢量之和的形式进行表达和控制。

根据矢量控制策略，得出了与指令转矩相对应的定子电流参考直交和正交 (dq) 分量。然后利用定子电流的参考 dq 分量，获得逆变器所需的栅极驱动信号。

该驱动器的主要优势在于其快速的动态响应。机器中转矩和磁通之间固有的耦合效应可通过解耦控制（定子磁通定向）进行管理，从而实现转矩和磁通的独立控制。然而，由于其计算复杂性，这种驱动器的实施需要快速计算处理器或 DSP。

4  PMSM的优点和缺点

优点

PMSM 具有很强的过载能力。PMSM 的功率密度高于感应电机。

与感应电机相比，效率更高，尺寸更小（永磁电机的尺寸仅为大多数交流电机的三分之一，这使得安装和维护更加容易）。

PMSM 能够在低速时保持全扭矩。

PMSM 电机使用磁铁产生转子磁场，而不是像感应电机那样使用定子电流的磁化分量。这些磁铁几乎不消耗功率，因此与交流感应电机和励磁同步电机不同，转子的铜损耗可以忽略不计。

与感应电机相比，PMSM 的转子电气损耗低，散热少。此外，由于不像感应电机那样需要磨损机械集电极和电刷，因此摩擦小，耐用性高。

PMSM 的维护成本低、耐用性和可靠性高。对于无刷和机械开关而言，定期维护的成本大大降低，并且消除了在特殊环境中产生火花的风险。

PMSM 电机以更高的功率因数运行，从而提高了整个系统的功率因数。功率因数的提高还能降低系统压降和电机终端的压降。

提供平稳的扭矩和动态性能 

缺点

与感应电机相比，这类电机非常昂贵

由于不是自启动电机，因此启动困难。

我们需要一个复杂的控制系统来控制定子电流。