永磁同步電動機(jī)的分類和特點

1、永磁同步電動機(jī)的分類和特點技術(shù) 2008-08-09 15:13:38 閱讀178 評論0 字號：大中小 一，永磁同步電動機(jī)的特點永磁同步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高，和直流電機(jī)相比，它沒有直流電機(jī)的換向器和電刷等缺點。和異步電動機(jī)相比，它由于不需要無功勵磁電流，因而效率高，功率因數(shù)高，力矩慣量比大，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測、控制性能好；但它與異步電機(jī)相比，也有成本高、起動困難等缺點。和普通同步電動機(jī)相比，它省去了勵磁裝置，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了效率。永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動態(tài)性能、大范圍的調(diào)速或定位控制，因此永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)引起了國

2、內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。 我國是盛產(chǎn)永磁材料的國家，特別是稀土永磁材料釹鐵硼資源在我國非常豐富，稀土礦的儲藏量為世界其他各國總和的4倍左右，號稱“稀土王國”。稀土永磁材料和稀土永磁電機(jī)的科研水平都達(dá)到了國際先進(jìn)水平。因此，對我國來說，永磁同步電動機(jī)有很好的應(yīng)用前景。二，永磁同步電動機(jī)的分類永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鋼的幾何形狀不同，使得轉(zhuǎn)子磁場在空間的分布可分為正弦波和梯形波兩種。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，在定子上產(chǎn)生的反電動勢波形也有兩種：一種為正弦波；另一種為梯形波。這樣就造成兩種同步電動機(jī)在原理、模型及控制方法上有所不同，為了區(qū)別由它們組成的永磁同步電動機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)，習(xí)慣上又把正弦波永磁同步電動機(jī)組

3、成的調(diào)速系統(tǒng)稱為正弦型永磁同步電動機(jī)（PMSM）調(diào)速系統(tǒng)；而由梯形波（方波）永磁同步電動機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)，在原理和控制方法上與直流電動機(jī)系統(tǒng)類似，故稱這種系統(tǒng)為無刷直流電動機(jī)（BLDCM）調(diào)速系統(tǒng)。 永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同，則電動機(jī)的運行特性、控制系統(tǒng)等也不同。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置的不同，永磁同步電動機(jī)主要可分為：表面式和內(nèi)置式。在表面式永磁同步電動機(jī)中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵心的外表面上，這種電機(jī)的重要特點是直、交軸的主電感相等；而內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體外表面與定子鐵心內(nèi)圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，可以保護(hù)永磁體。這種永磁電機(jī)的重要特點是直、交軸

4、的主電感不相等。因此，這兩種電機(jī)的性能有所不同。三 無刷直流電動機(jī)（BLDCM）1，BLDCM研究現(xiàn)狀永磁無刷直流電動機(jī)與傳統(tǒng)有刷直流電動機(jī)相比, 是用電子換向取代原直流電動機(jī)的機(jī)械換向, 并將原有刷直流電動機(jī)的定轉(zhuǎn)子顛倒（轉(zhuǎn)子采用永磁體）從而省去了機(jī)械換向器和電刷，其定子電流為方波, 而且控制較簡單, 但在低速運行時性能較差, 主要是受轉(zhuǎn)矩脈動的影響。引起轉(zhuǎn)矩脈動的因素很多, 主要有以下原因：（1）電樞反應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動減弱或克服這種原因造成轉(zhuǎn)矩脈動采用的方法是適當(dāng)增大氣隙, 設(shè)計磁路時使電機(jī)在空載時達(dá)到足夠飽和, 以及電機(jī)選擇瓦形或環(huán)形永磁體徑向勵磁結(jié)構(gòu)等。（2）電流換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動其抑

5、制措施是通過選擇適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)轉(zhuǎn)速來削弱換相轉(zhuǎn)矩脈動的影響, 或采用重疊換相法來抑制相電流換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動。（3）齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動減弱齒槽效應(yīng)最普通的方法是合理地選擇極槽配合, 要么采用斜槽, 或轉(zhuǎn)子采用斜極, 另外還可適當(dāng)增大氣隙, 采用分?jǐn)?shù)槽也有助于減少齒槽轉(zhuǎn)矩脈動如果制造無槽電機(jī)則是一種最有效的方法。（4）電流調(diào)節(jié)誤差引起的轉(zhuǎn)矩脈動克服這種原因所造成的轉(zhuǎn)矩脈動可通過改進(jìn)電流控制方法來提高電流控制的精度, 以減小電流脈動, 從而把由電流調(diào)節(jié)引起的轉(zhuǎn)矩脈動降到最低限度。不過, 要想找到更精確的電流控制方法, 還需在實踐中進(jìn)行更深入的探索和研究。（5）機(jī)械加工因素引起的轉(zhuǎn)矩脈動譬如, 制造

6、電機(jī)所用材料的不一致性、轉(zhuǎn)子的偏心、各相繞組的不對稱等都易引起轉(zhuǎn)矩的脈動, 可以采用選擇高質(zhì)量材料, 提高工藝加工水平的辦法來減弱它的影響。2.BLDCM的發(fā)展趨勢自八十年代以來, 控制技術(shù)尤其是控制理論策略發(fā)展十分迅猛, 一些先進(jìn)的控制策略方法（如滑?？刂?、變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、專家控制等）正被嘗試著引入永磁無刷電動機(jī)控制器中，這為推動高性能向智能化、柔性化、全數(shù)字化方向發(fā)展開辟了新道路, 加上人類社會不斷的進(jìn)步, 人們保護(hù)生存環(huán)境意識不斷增強(qiáng), 選用高性能會成為電機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一種必然趨勢, 而且它將會在電動汽車、家用電器及工廠自動化等小電機(jī)行業(yè)中獲得更廣泛的應(yīng)用。四 永磁同步電機(jī)（PMSM

7、）1PMSM的種類采用正弦波的永磁同步電動機(jī)可根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上放置的位置分為三種：一是永磁體埋在轉(zhuǎn)子內(nèi)的內(nèi)磁式永磁同步電動機(jī)；一是永磁體安放在轉(zhuǎn)子表面的外磁式永磁同步電動機(jī)；第三種是永磁體嵌入或部分嵌入的嵌入式永磁同步電動機(jī)。2PMSM的研究現(xiàn)狀雖然BLDCM比PMSM具有控制簡單,成本低, 檢測簡單等優(yōu)點, 但因為BLDCM的轉(zhuǎn)矩脈動比較大, 鐵心損耗也較大, 所以在低速直接驅(qū)動場合的應(yīng)用中,PMSM的性能比BLDCM及其它交流伺服電動機(jī)優(yōu)越得多。不過在發(fā)展高性能PMSM中也遇到幾個“ 瓶頸” 問題有待于作更深入的研究和探索。存在的主要問題如下：（1） PMSM在使用過程中出現(xiàn)“退磁”現(xiàn)象

8、，而且在低速時也存在齒槽轉(zhuǎn)矩對其轉(zhuǎn)矩波動的影響。（2）檢側(cè)誤差對控制器調(diào)節(jié)性能有影響, 發(fā)展高精度的速度及位置檢側(cè)器件和實現(xiàn)無傳感器檢測的方法均可克服這種影響。（3）以PMSM作為執(zhí)行元件構(gòu)成的永磁交流伺服系統(tǒng), 由于PMSM本身就是具有一定非線性、強(qiáng)藕合性和時變性的“ 系統(tǒng)” , 同時其伺服對象也存在較強(qiáng)的不確定性和非線性, 加之系統(tǒng)運行時易受到不同程度的干擾, 因此采用先進(jìn)控制策略, 先進(jìn)的控制系統(tǒng)實現(xiàn)方式如基于控制, 以從整體上提高系統(tǒng)的“ 智能化、數(shù)字化” 水平, 這應(yīng)是當(dāng)前發(fā)展高性能PMSM伺服系統(tǒng)的一個主要的“ 突破口”。3PMSM的發(fā)展趨勢PMSM伺服系統(tǒng)從其應(yīng)用領(lǐng)域的特點和自身

9、技術(shù)的發(fā)展來看, 將會朝著以下兩個方向發(fā)展一是適用于簡易數(shù)控機(jī)床、辦公自動化設(shè)備、家用電器、計算機(jī)外圍設(shè)備以及對性能要求不高的工業(yè)運動控制等領(lǐng)域的簡易、低成本伺服系統(tǒng)另一方向則是向適用于高精度數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、特種加工設(shè)備精細(xì)進(jìn)給驅(qū)動以及航空、航天用的高性能全數(shù)字化、智能化、柔性化的PMSM伺服系統(tǒng)發(fā)展而且后一個發(fā)展方向更能充分體現(xiàn)璐伺服系統(tǒng)優(yōu)點, 今后必將成為重點發(fā)展方向。五，PMSM與BLDCM矢量控制系統(tǒng)的比較 永磁同步電機(jī)與無刷直流電機(jī)有許多類似之處，轉(zhuǎn)子上均有永磁磁極，定子電樞需要交變電流以產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，其主要區(qū)別是永磁同步電機(jī)的反電勢為正弦波，無刷直流電動機(jī)的反電勢為梯形波。為了產(chǎn)

10、生恒定力矩，永磁同步電機(jī)需要的定子電流為正弦波對稱電流，無刷直流電機(jī)需要的定子電流為方波電流。 由于電磁慣性，無刷直流電機(jī)的定子電流實際上為梯形波，而無法產(chǎn)生方波電流，并由集中繞組供電，所以無刷直流電動機(jī)（BLDCM）較永磁同步電機(jī)(PMSM)脈動力矩大。在高精度伺服驅(qū)動中，永磁同步電機(jī)有較大競爭力。在另一方面，永磁同步電機(jī)單位電流產(chǎn)生的力矩較無刷直流電機(jī)單位電流產(chǎn)生的力矩小。在驅(qū)動同容量的電動機(jī)時，永磁同步電機(jī)所需逆變器容量大并且需要控制電流為正弦波，開關(guān)損耗大很多。 無刷直流電機(jī)定子電流為方波，每相開通1200電角度，然后關(guān)斷600電角度。每600電角度有一個開關(guān)改變狀態(tài)，所以無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測器只需要每隔600電角度輸出一個脈沖。永磁同步電機(jī)定子電流為正弦波，定子電流瞬時值取決于轉(zhuǎn)子的瞬時位置，所以必須連續(xù)地檢測轉(zhuǎn)子位置。 永磁同步電機(jī)的交軸電抗和直軸電抗隨電機(jī)磁路飽和等因素而變化，從而影響輸出力矩的磁阻力矩分量。永磁同步電機(jī)對參數(shù)的變化較無刷直流機(jī)敏感，但當(dāng)永磁同步電機(jī)工作于電流控制方式時，磁阻轉(zhuǎn)矩很小，永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)對參數(shù)變化的敏感性與無刷直流機(jī)基本相同。 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，無刷直流電機(jī)反電勢與直流母線電壓相同時，反電勢限制了定子電流。而永磁同步電機(jī)能夠采用弱磁控制，因此具有較大的調(diào)