永磁同步电机及转子磁场定向矢量控制
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图1-1 定子三相对称绕组结构
1）永磁同步电机的结构主要包括定子、转子及测量转子位置的传感器。 2）定子采用三相对称绕组结构，它们的轴线在空间彼此相差120度。 3）转子上贴有磁性体，一般有两对以上的磁极。 4）位置传感器一般为光电编码器或旋转变压器 。
12 伺服系统概述
1.2 永磁同步电机的工作原理
（5）起动力矩大、噪音小、温升低。永磁同步电机在低频的时 候仍能保持良好的工作状态，低频时的输出力矩较异步电机大，运行 时的噪音小。
转子无电阻损耗，定子绕组几乎不存在无功电流，因而电机温升 低，同体积、同重量的永磁电机功率可提高30%左右；同功率容量的 永磁电机体积、重量、所用材料可减少30%。
12 伺服系统概述ห้องสมุดไป่ตู้
（3）可靠性高。从电机本体来对比，永磁同步变频调速电机与 异步电机的可靠性相当，但由于永磁同步电机结构的灵活性，便于实 现直接驱动负载，省去可靠性不高的减速箱。在某些负载条件下甚至 可以将电机设计在其驱动装置的内部，从而可以省去传统电机故障率 高的轴承，大大提高了传动系统的可靠性。
12 伺服系统概述
图1-2 旋转磁动势波形图
12 伺服系统概述
2. 永磁同步电机的优势与应用
2.1 永磁同步电动机的优势
我国电动机保有量大，消耗电能大，设备老化，效率较低。永 磁同步电动机(PMSM)具有体积小、效率高、功率因数高、起动力矩 大、力能指标好、温升低等特点。
12 伺服系统概述
永磁同步电机相比交流异步电机优势： （1）效率高、更加省电。由于永磁同步电机的磁场是由永磁 体产生的，从而避免通过励磁电流来产生磁场而导致的励磁损耗。 永磁同步电机的外特性效率曲线相比异步电机，其在轻载时效 率值要高很多，这是永磁同步电机在节能方面，相比异步电机最 大的一个优势。 由于永磁同步电机功率因数高，这样相比异步电机其电机电流 更小，相应地电机的定子铜耗更小，效率也更高。 永磁电机参数，不受电机极数的影响，因此便于设计成多极电 机，这样对于传统需要通过减速箱来驱动负载电机，可以做成直 接用永磁同步电机驱动的直驱系统，从而省去了减速箱，提高了 传动效率。
当电机对称三相绕组接通对称三相电源后，流过绕组的电流在定转子 气隙中建立起旋转磁场，其转速为:
n
ns
60 f p
rpm
式中f —电源频率； p—定子极对数； 转子为永磁体且n与ns相同（同步）； 磁场的转速正比于电源频率，反比于定子的极对数。 磁场的旋转方向取决于绕组电流的相序。由于电磁感应作用，闭合的
（4）体积小，功率密度大。永磁同步变频调速电机体积小，功 率密度大的优势，集中体现在驱动低速大扭矩的负载时，一个是电机 的极数的增多，电机体积可以缩小。
电机效率的增高，相应地损耗降低，电机温升减小，则在采用相 同绝缘等级的情况下，电机的体积可以设计的更小；电机结构的灵活 性，可以省去电机内许多无效部分，如绕组端部，转子端环等，相应 体积可以更小。
2.2 永磁同步电机的应用案例
基于永磁同步电机上述众多优势，特别在目前国家“节能减 排”的大背景下，其应用前景极为广阔。随着永磁体及永磁同步 电机控制技术的日益成熟可靠，其应用范围基本上可以覆盖目前 应用电机所有领域。
12 伺服系统概述
电梯领域 永磁同步电机产生较小的谐波噪声，应用于电梯系统中，可以
12 伺服系统概述
（2）电机结构简单灵活。由于异步电机转子上需要安装导条、 端环或转子绕组，大大限制了异步电机结构的灵活性，而永磁同步电 机转子结构设计更为灵活，如对铁路牵引电机，可以将电机转子的磁 钢可直接安装在机车轮对的转轴上，从而省去了减速齿轮箱，结构大 为简化。
由于永磁同步变频调速电机参数不受电机极数的限制，便于实现 电机直接驱动负载，省去噪音大，故障率高的减速箱，增加了机械传 动系统设计的灵活性。
永磁同步电机及转子磁场定向矢量控制
电气工程 王俊鹏
12 伺服系统概述
永磁同步电机结构和工作原理 永磁同步电机的优势与应用 永磁同步电机的数学模型 永磁同步电机的控制方式 PMSM的转子磁场定向矢量控制 总结
12 伺服系统概述
1. 永磁同步电机的结构和工作原理
1.1 永磁同步电机（P M S M ）的结构 ermanent agnetic ynchronous achine
转子导体内将产生感应电流。这个电流产生的磁场和定子绕组产生的旋转 磁场相互作用产生电磁转矩，从而使转子（永磁体）“跟着”定子磁场旋 转起来，其转速为n。如果能改变定子三相电源的频率和相位,就可以改变 转子的速度和位置。
12 伺服系统概述
为了使得永磁同步电动机具有正弦波感应电动势波形,其转子磁钢形 状呈抛物线状,使其气隙中产生的磁通密度尽量呈正弦分布。定子电枢采 用短距分布式绕组,能最大限度地消除谐波磁动势。
12 伺服系统概述
家电行业领域 由于永磁电机在低运转时效率极高，可以有效的降低频繁启动
的损耗，是实现家电节能的较佳技术途径之一。
12 伺服系统概述
船舶电力推进领域 推进电机是船舶综合电力系统的重要组成部分、永磁同步推进电
机具有体积小、重量轻、效率高、噪声低、易于实现集中遥控、可靠 性高、可维护性好等优点，是船舶推进电机的理想选择。
12 伺服系统概述
3. 永磁同步电机的数学模型
3.1 在静止坐标系下的数学模型
电机的数学模型中含有时变参数，给分析和计算带来困难。为了简 化永磁同步电机的数学模型，首先对电机做如下假设：
AGV列车—V150，创下列车速度世界新纪录574.8km/h。
2015年6月24日，历时11年，累计1000万次试验，积累150G数据， 耗资1亿元，中国中车旗下株洲电力机车研究所有限公司攻克了第三 代轨道交通牵引技术，即永磁同步电机牵引系统，掌握完全自主知 识产权，成为中国高铁制胜市场的一大战略利器。
带来更佳的舒适感。
12 伺服系统概述
电动汽车 伴随汽车工业的急速发展，环保问题也越来越严重，为了解决上
述问题，并且大幅改善燃油经济型，毫无疑问就是使用电动汽车。永 磁同步电机以其高效率、高功率因数和高功率密度等优点，正逐渐成 为电动汽车驱动系统的主流电机之一。
12 伺服系统概述
轨道交通领域 2007年，阿尔斯通公司研发的新一代永磁牵引电机系统的高速
1）永磁同步电机的结构主要包括定子、转子及测量转子位置的传感器。 2）定子采用三相对称绕组结构，它们的轴线在空间彼此相差120度。 3）转子上贴有磁性体，一般有两对以上的磁极。 4）位置传感器一般为光电编码器或旋转变压器 。
12 伺服系统概述
1.2 永磁同步电机的工作原理
（5）起动力矩大、噪音小、温升低。永磁同步电机在低频的时 候仍能保持良好的工作状态，低频时的输出力矩较异步电机大，运行 时的噪音小。
转子无电阻损耗，定子绕组几乎不存在无功电流，因而电机温升 低，同体积、同重量的永磁电机功率可提高30%左右；同功率容量的 永磁电机体积、重量、所用材料可减少30%。
12 伺服系统概述ห้องสมุดไป่ตู้
（3）可靠性高。从电机本体来对比，永磁同步变频调速电机与 异步电机的可靠性相当，但由于永磁同步电机结构的灵活性，便于实 现直接驱动负载，省去可靠性不高的减速箱。在某些负载条件下甚至 可以将电机设计在其驱动装置的内部，从而可以省去传统电机故障率 高的轴承，大大提高了传动系统的可靠性。
12 伺服系统概述
图1-2 旋转磁动势波形图
12 伺服系统概述
2. 永磁同步电机的优势与应用
2.1 永磁同步电动机的优势
我国电动机保有量大，消耗电能大，设备老化，效率较低。永 磁同步电动机(PMSM)具有体积小、效率高、功率因数高、起动力矩 大、力能指标好、温升低等特点。
12 伺服系统概述
永磁同步电机相比交流异步电机优势： （1）效率高、更加省电。由于永磁同步电机的磁场是由永磁 体产生的，从而避免通过励磁电流来产生磁场而导致的励磁损耗。 永磁同步电机的外特性效率曲线相比异步电机，其在轻载时效 率值要高很多，这是永磁同步电机在节能方面，相比异步电机最 大的一个优势。 由于永磁同步电机功率因数高，这样相比异步电机其电机电流 更小，相应地电机的定子铜耗更小，效率也更高。 永磁电机参数，不受电机极数的影响，因此便于设计成多极电 机，这样对于传统需要通过减速箱来驱动负载电机，可以做成直 接用永磁同步电机驱动的直驱系统，从而省去了减速箱，提高了 传动效率。
当电机对称三相绕组接通对称三相电源后，流过绕组的电流在定转子 气隙中建立起旋转磁场，其转速为:
n
ns
60 f p
rpm
式中f —电源频率； p—定子极对数； 转子为永磁体且n与ns相同（同步）； 磁场的转速正比于电源频率，反比于定子的极对数。 磁场的旋转方向取决于绕组电流的相序。由于电磁感应作用，闭合的
（4）体积小，功率密度大。永磁同步变频调速电机体积小，功 率密度大的优势，集中体现在驱动低速大扭矩的负载时，一个是电机 的极数的增多，电机体积可以缩小。
电机效率的增高，相应地损耗降低，电机温升减小，则在采用相 同绝缘等级的情况下，电机的体积可以设计的更小；电机结构的灵活 性，可以省去电机内许多无效部分，如绕组端部，转子端环等，相应 体积可以更小。
2.2 永磁同步电机的应用案例
基于永磁同步电机上述众多优势，特别在目前国家“节能减 排”的大背景下，其应用前景极为广阔。随着永磁体及永磁同步 电机控制技术的日益成熟可靠，其应用范围基本上可以覆盖目前 应用电机所有领域。
12 伺服系统概述
电梯领域 永磁同步电机产生较小的谐波噪声，应用于电梯系统中，可以
12 伺服系统概述
（2）电机结构简单灵活。由于异步电机转子上需要安装导条、 端环或转子绕组，大大限制了异步电机结构的灵活性，而永磁同步电 机转子结构设计更为灵活，如对铁路牵引电机，可以将电机转子的磁 钢可直接安装在机车轮对的转轴上，从而省去了减速齿轮箱，结构大 为简化。
由于永磁同步变频调速电机参数不受电机极数的限制，便于实现 电机直接驱动负载，省去噪音大，故障率高的减速箱，增加了机械传 动系统设计的灵活性。
永磁同步电机及转子磁场定向矢量控制
电气工程 王俊鹏
12 伺服系统概述
永磁同步电机结构和工作原理 永磁同步电机的优势与应用 永磁同步电机的数学模型 永磁同步电机的控制方式 PMSM的转子磁场定向矢量控制 总结
12 伺服系统概述
1. 永磁同步电机的结构和工作原理
1.1 永磁同步电机（P M S M ）的结构 ermanent agnetic ynchronous achine
转子导体内将产生感应电流。这个电流产生的磁场和定子绕组产生的旋转 磁场相互作用产生电磁转矩，从而使转子（永磁体）“跟着”定子磁场旋 转起来，其转速为n。如果能改变定子三相电源的频率和相位,就可以改变 转子的速度和位置。
12 伺服系统概述
为了使得永磁同步电动机具有正弦波感应电动势波形,其转子磁钢形 状呈抛物线状,使其气隙中产生的磁通密度尽量呈正弦分布。定子电枢采 用短距分布式绕组,能最大限度地消除谐波磁动势。
12 伺服系统概述
家电行业领域 由于永磁电机在低运转时效率极高，可以有效的降低频繁启动
的损耗，是实现家电节能的较佳技术途径之一。
12 伺服系统概述
船舶电力推进领域 推进电机是船舶综合电力系统的重要组成部分、永磁同步推进电
机具有体积小、重量轻、效率高、噪声低、易于实现集中遥控、可靠 性高、可维护性好等优点，是船舶推进电机的理想选择。
12 伺服系统概述
3. 永磁同步电机的数学模型
3.1 在静止坐标系下的数学模型
电机的数学模型中含有时变参数，给分析和计算带来困难。为了简 化永磁同步电机的数学模型，首先对电机做如下假设：
AGV列车—V150，创下列车速度世界新纪录574.8km/h。
2015年6月24日，历时11年，累计1000万次试验，积累150G数据， 耗资1亿元，中国中车旗下株洲电力机车研究所有限公司攻克了第三 代轨道交通牵引技术，即永磁同步电机牵引系统，掌握完全自主知 识产权，成为中国高铁制胜市场的一大战略利器。
带来更佳的舒适感。
12 伺服系统概述
电动汽车 伴随汽车工业的急速发展，环保问题也越来越严重，为了解决上
述问题，并且大幅改善燃油经济型，毫无疑问就是使用电动汽车。永 磁同步电机以其高效率、高功率因数和高功率密度等优点，正逐渐成 为电动汽车驱动系统的主流电机之一。
12 伺服系统概述
轨道交通领域 2007年，阿尔斯通公司研发的新一代永磁牵引电机系统的高速