永磁同步電機(jī)與普通的電勵(lì)磁同步電機(jī)相比，區(qū)別主要是勵(lì)磁方式的不同。電勵(lì)磁轉(zhuǎn)子需要為勵(lì)磁線圈提供外部電源，效率較低，結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜。PM因?yàn)槭∪チ藙?lì)磁線圈，使電機(jī)結(jié)構(gòu)更加簡單，效率更高，深受新能源汽車的青睞，主流市場占比超過70%以上。PM的定子與普通同步電機(jī)電子一樣，輸入的三相定子電流為正弦波，由于永磁同步電機(jī)的電樞繞組在定子上，采用高性能永磁材料以后，轉(zhuǎn)子慣量小，功率密度高，動態(tài)性能好，在新能源汽車上更加受到廣泛的應(yīng)用。

結(jié)構(gòu)原理

按照永磁體安裝形式分類，可分為凸極式（SPM）和嵌入式（IPM）。如下圖所示：

凸極式轉(zhuǎn)子是將永磁體安裝在轉(zhuǎn)子軸的表面，產(chǎn)生的氣隙磁密接近于正弦波，所以電機(jī)有良好的動態(tài)性能。嵌入式轉(zhuǎn)子則是將永磁鐵嵌入到轉(zhuǎn)子軸的內(nèi)部，能夠產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，在控制中，可以靈活的利用磁阻轉(zhuǎn)矩提高電機(jī)的動態(tài)性能。

對于同步電機(jī)，當(dāng)極對數(shù)確定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速與與定子電流的頻率成正比。在定子繞組上施加正弦交流電時(shí)，定子繞組就會在空間上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，與轉(zhuǎn)子的恒定磁場相互作用就會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，旋轉(zhuǎn)的磁場“吸引”永磁轉(zhuǎn)子磁場，推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。同其他交流電機(jī)相比，除了使用永磁體代替勵(lì)磁繞組外，在其他結(jié)構(gòu)上沒有太大的區(qū)別，可以采用矢量控制。

坐標(biāo)變換

在三相靜止120度坐標(biāo)系下，電機(jī)扭矩方程為：

很明顯，在這個(gè)坐標(biāo)系下扭矩不可控?？臻g矢量變換技術(shù)通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)定子電流中勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦，從而使系統(tǒng)分析和控制得到大大簡化。

采用矢量控制系統(tǒng)的三相永磁同步電機(jī)在理論上可以完全等效為他勵(lì)直流電動機(jī)，改變上面等式所示的轉(zhuǎn)矩方程的非線性特性，從而可獲得良好的電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出特性。矢量控制的基本思想就是采用坐標(biāo)變換的方式，將三相靜止平面坐標(biāo)系下的電機(jī)電流變換到隨轉(zhuǎn)子磁場等速旋轉(zhuǎn)的兩相旋轉(zhuǎn)平面直角坐標(biāo)系下的電機(jī)電流，坐標(biāo)變換前后，電機(jī)電流所產(chǎn)生的磁動勢保持不變。分別控制兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)下的 d 軸定子電流和 q 軸定子電流，可實(shí)現(xiàn)對三相永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)磁場的獨(dú)立控制。

如上圖所示，將三相靜止120度坐標(biāo)系（A-B-C）下的正旋電流轉(zhuǎn)換為兩相靜止直角坐標(biāo)系下（α-β）的正旋電流稱為Clarke變換，其變換矩陣及逆變換矩陣如下：

將兩相靜止直角坐標(biāo)系下（α-β）的正旋電流轉(zhuǎn)換為兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)下（d-q）的恒定電流稱為Park變換，其變換矩陣及逆變換矩陣如下：

數(shù)學(xué)模型

有了上面的坐標(biāo)變換，電機(jī)扭矩就可以變成可控的，具體推導(dǎo)過程這里不詳細(xì)展開。

在dq坐標(biāo)系下，為簡化模型推導(dǎo)，作如下假設(shè)：

1.忽略鐵芯飽和；

2.不計(jì)渦流和磁滯損耗；

3.轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組，永磁體沒有阻尼作用；

4.三相繞組完全對稱，氣隙磁場為正弦分布，定子電流及轉(zhuǎn)子磁場分布對稱。

電壓方程為：

電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

運(yùn)動方程為：

弱磁

永磁同步電機(jī)受逆變器直流側(cè)最大電壓和輸出電流能力的限制，電機(jī)的定子電壓和電流存在極限值，影響電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩工作時(shí)的最大轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩的范圍。所謂弱磁控制，就是通過削弱氣隙磁鏈來降低感應(yīng)電動勢，使它始終小于輸入電壓，并且達(dá)到擴(kuò)大電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍的效果。

永磁同步電機(jī)的電流極限值為I ** x，電流極限方程為：

電壓極限值為U ** x，電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，忽略電阻上的壓降，可以推導(dǎo)出電壓極限方程為：

依據(jù)上式可在dq軸定子電流坐標(biāo)系下繪制電流極限圓和電壓極限橢圓，如圖所示。

由圖可知，在進(jìn)行電機(jī)控制時(shí)，電機(jī)定子電流矢量必須處于電流極限圓與電壓極限橢圓的交集中（即圖中陰影部分）。同時(shí)，隨著轉(zhuǎn)子電角速度的增大，電壓極限橢圓不斷減小，電機(jī)的工作范圍逐漸減小。減小iq或者負(fù)向增大id，可以使電機(jī)的工作點(diǎn)繼續(xù)保持在陰影范圍內(nèi)。

弱磁的本質(zhì)就是，當(dāng)電機(jī)端電壓達(dá)到逆變器直流側(cè)電壓允許輸出最大值后，減弱電動機(jī)磁場使電機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，從而滿足恒功率控制和寬調(diào)速范圍運(yùn)行。

SVPWM

SVPWM是空間矢量脈寬調(diào)制簡稱，是以逆變器產(chǎn)生圓形磁場為目標(biāo)，按照一定的驅(qū)動順序及驅(qū)動時(shí)間驅(qū)動逆變橋中功率開關(guān)。按照這種控制功率管開關(guān)的策略施加到逆變器上，逆變器可以輸出正弦電流，驅(qū)動同步電機(jī)工作。如圖所示的是一種典型的三相電壓源逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。按照控制策略，通過調(diào)整開關(guān)的順序以及開關(guān)的時(shí)間，可以輸出圓形運(yùn)行軌跡電壓空間矢量。

以上，簡要介紹了永磁同步電機(jī)的基本內(nèi)容，具體的公式推導(dǎo)比較復(fù)雜，文中基本都省略了（建議看專業(yè)書籍或者論文了解推導(dǎo)過程）。下一篇我們嘗試搭建一個(gè)永磁同步電機(jī)仿真控制模型，看看控制效果。