永磁同步電機(jī)，2016年，全國電動(dòng)汽車搭載量最大的一種電機(jī)品類。它的日漸成功，主要得益于結(jié)構(gòu)簡單帶來的電控調(diào)速的便宜性和顯著占優(yōu)的功率密度。

1工作原理

永磁同步電機(jī)，最基本的組成結(jié)構(gòu)定子和轉(zhuǎn)子。定子與異步電機(jī)轉(zhuǎn)子類似，由絕緣銅線繞制而成。轉(zhuǎn)子包含永磁體，并具備確定的極數(shù)，建立電機(jī)的主磁場。

1.1定子

永磁同步電機(jī)的定子與異步電機(jī)相同，三相繞組間隔120°角，均勻布置。

定子的特征參數(shù)包括繞組相數(shù)（一般單相，三相和多相），繞組槽數(shù)。

繞組槽數(shù)的定義，定子槽數(shù)的一半，除以定子相數(shù)與轉(zhuǎn)子極數(shù)的乘積。按照每個(gè)定子槽容納的繞組線圈數(shù)量不同，永磁電機(jī)可以劃分成整數(shù)槽繞組和分?jǐn)?shù)槽繞組。

分?jǐn)?shù)槽繞組，意味著可能有屬于不同相的繞組被放置在同一個(gè)定子槽里。相對于整數(shù)槽繞組，分?jǐn)?shù)槽繞組，除了絕緣要求比較高以外，其余都是優(yōu)點(diǎn)。

定子鐵芯上需要開挖的槽數(shù)量減少，節(jié)省了空間留給繞組使用，同時(shí)簡化加工過程；每個(gè)槽容納多個(gè)極數(shù)，減少工作過程中，槽與槽之間的過度部分產(chǎn)生的沖擊震動(dòng)，改善勵(lì)磁波形。

1.2轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子是永磁同步電機(jī)自身特點(diǎn)的來源。永磁轉(zhuǎn)子由貼心和永磁體兩部分構(gòu)成。

表面式

根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上安放位置的不同，可以劃分為表面式、內(nèi)置式、混合式和爪極式。

顧名思義，表面式轉(zhuǎn)子，就是把永磁磁片貼在轉(zhuǎn)子表面；而內(nèi)置式，是在鐵芯內(nèi)部固定永磁鐵。混合式則前面二者的布置方式結(jié)合到一起使用。

表面式和內(nèi)置式除了布置方式不同，其產(chǎn)生的磁場也有很大區(qū)別。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子輸出功率過程中，轉(zhuǎn)矩除了電磁轉(zhuǎn)矩分量還包含一個(gè)磁阻轉(zhuǎn)矩分量。使得內(nèi)置式轉(zhuǎn)子的永磁同步電機(jī)功率密度上具備明顯優(yōu)勢。

1.3永磁同步電機(jī)的工作過程

永磁同步電機(jī)，定子通電，定子繞組成為一組電磁鐵，電磁鐵的N極，S極，沿著定子內(nèi)側(cè)，均勻分布。永磁體轉(zhuǎn)子，本身具有穩(wěn)定的N極，S極。定子與轉(zhuǎn)子之間存在電磁力的作用。

當(dāng)定子磁場以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，電磁力拉動(dòng)轉(zhuǎn)子，跟隨磁場的運(yùn)動(dòng)，并盡力保持與磁場同步的趨勢。

1.3.1電動(dòng)機(jī)工作模式

當(dāng)轉(zhuǎn)子軸端有系統(tǒng)負(fù)載，系統(tǒng)需要電機(jī)依靠定子磁場的力量拉動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，使得系統(tǒng)內(nèi)的電能做功，轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。轉(zhuǎn)子和定子處于下圖所示的相對位置。

圖中所示瞬間，定子磁場上的一對磁極，向讀者的左手邊轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子受定子電磁力的拉動(dòng)，也跟著向左側(cè)運(yùn)動(dòng)。定子在前，轉(zhuǎn)子在后。

這樣，轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方向與定子和轉(zhuǎn)子之間的電磁力的作用線之間形成一個(gè)夾角，被稱為矩角。

矩角處于0~90°之間，電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)工作模式。

1.3.2發(fā)電機(jī)工作模式

當(dāng)轉(zhuǎn)子受到外界機(jī)械力的牽引，處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，定子電路通暢，但并未接入電源。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，形成轉(zhuǎn)動(dòng)的磁場，使得靜止的定子線圈被動(dòng)切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電流。此時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子處于下圖所示相對位置。

圖中所示瞬間，永磁體轉(zhuǎn)子上的一對磁極，向讀者左手邊運(yùn)動(dòng)。定子產(chǎn)生的感應(yīng)電流與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生電磁力的作用。此電磁力的作用線方向與轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方向成一個(gè)夾角，即矩角。

矩角的取值在90~180°之間，電機(jī)處于發(fā)電機(jī)工作模式。

1.3.3發(fā)無功工作模式

定子持續(xù)通固定頻率正弦電流。轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，跟隨磁場同步旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子沒有任何負(fù)載力矩的作用。轉(zhuǎn)子和定子處于下圖中的相對位置。

3 調(diào)速方法

與異步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)的電、磁和力的關(guān)系更簡單，經(jīng)過一定的坐標(biāo)變換，可以實(shí)現(xiàn)電流與力矩的解耦。

3.1坐標(biāo)變換

列舉，永磁同步電機(jī)變頻調(diào)速用到的相關(guān)坐標(biāo)變換。A-B-C坐標(biāo)系，以定子鐵芯的圓心為原點(diǎn)，以定子三相繞組為A、B、C三個(gè)方向?yàn)檩S向，軸與軸之間夾角120°。

α-β坐標(biāo)系，與A-B-C坐標(biāo)系在同一個(gè)平面，共享同一個(gè)原點(diǎn)，α軸與A軸重合，β軸與α軸成90°角。

d-q坐標(biāo)系，d軸與轉(zhuǎn)子永磁鐵磁極N極重合，并跟隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。q軸，與d軸在逆時(shí)針方向上成90°角。

3.2基頻以下調(diào)速

磁場定向控制

磁場定向，即在d-q坐標(biāo)系下，電機(jī)參數(shù)中，如勵(lì)磁電流，影響力矩的部分，是參數(shù)投影到q軸的分量。而投影到d軸上的部分，則不必考慮，即通常所說的id=0方法。此方法下，電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)速的決定因素是控制器最高供電電壓。

磁場定向控制策略的局限在于，不能體現(xiàn)勵(lì)磁電流影響磁場的部分參數(shù)變化，因此不能進(jìn)行弱磁控制。

3.3基頻以上調(diào)速

3.3.1直接轉(zhuǎn)矩控制策略

直接轉(zhuǎn)矩法，出發(fā)點(diǎn)是想要通過控制轉(zhuǎn)矩公式中的參數(shù)去直接對轉(zhuǎn)矩輸出值產(chǎn)生影響。選擇矩角作為控制對象。

以內(nèi)置式轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)為例，說明具體方法。

在電源電壓和定子磁場頻率恒定的情況下，電機(jī)實(shí)時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩，與矩角的正弦值成正比。

可以在離線狀態(tài)下，計(jì)算每個(gè)轉(zhuǎn)矩角對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩值，形成一張矢量表，存放在上位機(jī)。在電機(jī)控制器運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)觀測轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩角，并提取表格中的原始值進(jìn)行比對。發(fā)現(xiàn)與表格的值有出入，則調(diào)整電源電壓值，進(jìn)行轉(zhuǎn)矩修正。

直接轉(zhuǎn)矩法，魯棒性好，算法簡單，并且不需要坐標(biāo)變換，在早期是應(yīng)用較多的一種控制方法。但這種方法在低轉(zhuǎn)速情況下，控制精度急劇下降。因此可以選擇僅在基頻以下使用。

3.4最大力矩電流比控制策略

將電流在d-q坐標(biāo)系下解耦，再分別求取每個(gè)分量的轉(zhuǎn)矩電流最大比，目的是獲得確定勵(lì)磁電流下的最大轉(zhuǎn)矩。

用求取二階導(dǎo)數(shù)的方式確定極大值的存在性。在調(diào)速區(qū)間內(nèi)，對轉(zhuǎn)矩電流比求導(dǎo)，二階導(dǎo)數(shù)小于0，則轉(zhuǎn)矩電流比最大值存在。

4總結(jié)

永磁同步電機(jī)，其偏硬的機(jī)械特性使它非常適合于需要調(diào)速的場合。而電動(dòng)汽車對功率密度、可操控性等特點(diǎn)的強(qiáng)烈需求，也使得永磁同步電機(jī)特別適合電動(dòng)汽車的應(yīng)用場景。如果可以進(jìn)一步克服高溫下永磁體的磁場穩(wěn)定性問題，隨著其變頻調(diào)速技術(shù)研究的深入，永磁同步電機(jī)必將占領(lǐng)更多的電動(dòng)汽車。