永磁同步電動機 (PMSM) —是一種同步電動機，其電感器由永磁體組成。

永磁同步電機 (PMSM) 和感應電機之間的主要區別在于轉子。研究表明 PMSM 的效率比高效（IE3）感應電動機高約 2%，前提是定子具有相同的設計，并使用相同的變頻驅動器進行控制。 在這種情況下，永磁同步電動機與其他電動機相比具有最佳性能：功率/體積、扭矩/慣量等。

永磁同步電機結構和類型

永磁同步電機與任何旋轉電機一樣，由轉子和定子組成。 定子是固定部分。 轉子是旋轉部件。

內置式永磁同步電機

通常，轉子位于電動機的定子內部，也有帶有外轉子的結構-內向外電動機。

永磁同步電機構型：左邊：內轉子；右邊：外轉子

轉子由永磁體組成。 具有高矯頑力的材料用作永磁體。   

根據轉子設計，同步電機分為：    

• 帶有凸極轉子的電動機；    
  

• 帶有非凸極轉子的電動機。
  

具有非凸極轉子的電動機具有相等的直軸和交軸電感 Ld = Lq，而對于具有凸極轉子的電動機，交軸電感不等于直軸Lq ≠ Ld。

具有不同 Ld/Lq 比率的轉子的橫截面。磁鐵標記為黑色。圖 e、f 顯示軸向分層轉子，圖 c 和 h 顯示帶有屏障的轉子。

另外，根據轉子的設計，永磁同步電機分為：

• 表面永磁同步電機；
  

• 內置永磁同步電機。

定子由外框和帶繞組的鐵芯組成。 最常見的兩相和三相繞組設計。    

根據定子設計，永磁同步電機可以：    

• 分布式繞組；    
  

• 集中繞組。

定子集中繞組

定子分布式繞組

分布式調用這樣的繞組，其中每極和每相的槽數 Q = 2, 3, ...., k。集中稱為這種繞組，其中每極和每相的槽數 Q = 1。在這種情況下，槽均勻地分布在定子的圓周周圍。 形成繞組的兩個線圈既可以串聯也可以并聯。 這種繞組的主要缺點是不可能影響 EMF 曲線的形式。

三相分布式繞組電路

三相集中繞組電路

電動機的反電動勢形式可以是：    

• 梯形；    
  

• 正弦。
  

導體中 EMF 曲線的形式由定子圓周周圍間隙中磁感應強度的分布曲線決定。眾所周知，轉子凸極下方間隙中的磁感應強度呈梯形。 在導體中感應出的 EMF 具有相同的形式。 如果有必要產生正弦電動勢，則磁極尖端的形狀應使感應分布曲線接近正弦曲線。 轉子極尖的斜面有助于實現這一點。

同步電機的工作原理

同步電機的工作原理是基于定子的旋轉磁場和轉子的恒定磁場的相互作用。同步電機定子旋轉磁場的概念與三相感應電機相同。

根據安培定律，轉子磁場與定子繞組的同步交流電相互作用，產生扭矩，迫使轉子旋轉。位于 PMSM 轉子上的永磁體產生恒定磁場。 在轉子與定子磁場同步旋轉的速度下，轉子磁極與定子的旋轉磁場互鎖。 對此，永磁同步電機直接接入三相電流網絡（電網中的電流頻率為50Hz）時，不能自行啟動。

PMSM的控制

永磁同步電機需要控制系統，例如變頻驅動器或伺服驅動器。有大量的控制技術實現了控制系統。最優控制方法的選擇主要取決于擺在電力驅動面前的任務。控制永磁同步電機的主要方法如下表所示。

為了解決簡單的任務，通常使用帶霍爾傳感器的梯形控制（例如，電腦風扇）。為了解決需要電驅動器發揮最大性能的問題，通常選擇磁場定向控制。

梯形控制

控制永磁同步電機的最簡單方法之一是 - 梯形控制。梯形控制用于控制具有梯形反電動勢的 PMSM。同時，這種方法也可以讓你用正弦反電動勢來控制PMSM，但是這樣電驅動的平均扭矩會降低5%，扭矩紋波會是最大值的14%。有一個梯形控制，沒有反饋，有轉子位置反饋。

開環控制（無反饋）不是最佳的，可能會導致 PMSM 的釋放不同步，即失去可控性。  

閉環控制可分為：  

• 通過位置傳感器（通常通過霍爾傳感器）進行梯形控制；  
  

• 無傳感器梯形控制（無傳感器梯形控制）。

作為三相梯形控制的轉子位置傳感器，通常使用內置于電動機中的三個霍爾傳感器，可以以±30度的精度確定角度。通過這種控制，定子電流矢量在一個電周期內只占六個位置，因此，輸出端存在紋波轉矩。

霍爾傳感器的梯形控制

磁場定向控制

磁場定向控制 (FOC) 可讓您平穩、準確且獨立地控制無刷電機的速度和扭矩。對于磁場定向控制算法的運行，需要知道無刷電機轉子的位置。   

確定轉子位置的方法有兩種：   

• 通過位置傳感器；   
  

• 無傳感器 - 通過實時控制系統根據可用信息計算角度。

位置傳感器的永磁同步電機磁場定向控制    

以下類型的傳感器用作角度傳感器：   

• 感應式：解析器、感應同步器等；   
  

• 光學的;    
  

• 磁性：磁阻傳感器。

使用轉子位置傳感器的永磁同步電機磁場定向控制

無位置傳感器的 PMSM 的磁場定向控制

自 20 世紀 70 年代以來，由于微處理器的快速發展，無刷交流電機的無傳感器矢量控制方法開始得到發展。用于估計角度的第一種無傳感器方法基于電動機在旋轉過程中產生反電動勢的特性。電機反電動勢包含有關轉子位置的信息，因此，通過計算靜止坐標系中的反電動勢值，可以計算出轉子的位置。但轉子不旋轉時，反電動勢不存在，且低速時反電動勢幅值小，難以與噪聲區分，因此該方法不適用于低速下電機轉子位置的確定。 

無傳感器啟動 PMSM 有兩種常用技術：   

• 從標量方法開始 - 從電壓對頻率的預定特性開始。但是標量控制嚴重限制了控制系統的能力和整個電驅動的參數；   

• 高頻信號注入方法 – 僅適用于凸極 PMSM。
  

標量啟動無轉子位置傳感器永磁同步電機的磁場定向控制

目前，只有具有凸極轉子的電機才能在全速范圍內對 PMSM 進行無傳感器磁場定向控制。

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