永磁同步电动机内部结构和工作方式介绍
林建平
发布于2022-11-17 14:59
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标签：电动机
同步电动机属于交流电动机，其转子转速n，磁极对数p、电源频率f之间满足n=60f 步电动机分为电励磁同步电动机和永磁同步电动机，前者由单独的励磁电路提供励磁，后者由永磁体提供励磁，相比于前者，永磁同步电动机省去了励磁电路，结构更加简单。永磁同步电动机按照转子上有无起动绕组分为无起动绕组永磁同步电动机和有起动绕组永磁同步电动机按照电枢绕组位置分为内转子和外转子永磁同步电动机按照永磁体磁链在电枢绕组中感应出的反电动势的波形分为正弦波永磁同步电动机、方波或梯形波永磁同步电动机。正弦波永磁同步电动机的电枢绕组一般采用分布短距绕组，为实现输出稳定的电磁转矩，需要采用三相对称正弦波电流供电反电动势为方波或梯形波的永磁同步电动机，电枢定子绕组采用集中整距绕组，为保证输出转矩的平稳性，一般采用三相对称的方波电流供电。永磁同步电动机如图2.12所示。
图2.12 永磁同步电动机
永磁同步电动机的工作原理是三相定子绕组通入三相交流电后，产生同步旋转磁场，在磁力作用下，使转子跟随旋转磁场同步转动。永磁同步电动机中永磁体的性能对整个电动机性能的影响较大，随着永磁材料，特别是稀土永磁材料制造技术和加工工艺的不断进步，钐钴、钕铁硼等磁性能较高的稀土永磁材料的相继问世，使得永磁同步电动机的性能达到新的高度。永磁同步电动机转子结构种类繁多，按照磁场方向可分为径向磁钢和轴向磁钢按照永磁材料安装位置可分为表面式磁钢和内埋式磁钢。无论转子结构如何设计，其目的是在有限的体积重量约束下，获得高功率密度和高效率。永磁同步电动机典型的剖面结构如图2.13所示。
由于永磁同步电动机的转子转速和定子电压、电流频率保持严格同步，控制了定子侧的频率便能精准地控制电动机转速，从而实现较高的调速性能。永磁同步电动机具有运行可靠、效率高、体积小、质量轻、惯性小、温升低、功率因数高、高转矩惯量比、高速度质量比、高功率质量比、结构紧凑、电动机形状和尺寸多样灵活等显著优点，永磁同步电动机由于不需要励磁绕组和励磁电源，省去了需要经常维护的电刷和集电环，非常适合应用于航空航天应用领域。永磁同步电动机调速系统控制技术成熟，节能效果显著，性能优越，虽然电动机本体制造工艺复杂，成本比较高，但仍然广泛应用于航空、航天、数控机床、加工中心、机器人等高性能伺服领域，且这种需求还在进一步增长。
图2.13 永磁同步电动机典型的剖面结构
典型的交流伺服系统三环控制结构如图2.14所示。交流伺服系统是由电动机、电力电子变换器和控制系统组成，恰当的电动机控制方法有助于充分发挥同步电动机的优势，是电动机性能的倍增器，有助于整个系统最优性能的实现。永磁同步电动机调速系统属于多变量、强电磁耦合、高度非线性的系统，常用的控制方法有恒定压频比、直接转矩控制(Direct Torque Control，DTC)和磁场矢量控制。其中，DTC是直接以转矩为控制目标，通过采用转矩和磁链双闭环的结构获得快速的转矩响应。由于DTC方法不需要复杂的旋转坐标变换，对电动机参数依赖性低，鲁棒性好而被广泛采用。
图2.14 典型的交流伺服系统三环控制结构
永磁同步电动机与直流电动机比较，无机械换向器和电刷，结构简单，体积小，运行可靠易实现高速运行，调速范围宽，环境适应能力强，易实现正反转切换，定子绕组散热容易，传动德度高，快速响应件能好，工作电压只受功率开关器件的耐压限制，可以采用较高的电压，易实现大容量伺服驱动。
