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一、永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)
永磁電機(jī)的發(fā)展與永磁材料的發(fā)展密切相關(guān)。隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁材料的性價(jià)比逐漸提高，對永磁電機(jī)的研究開發(fā)于90年代后進(jìn)入了一個(gè)新的階段。與傳統(tǒng)的電勵磁電機(jī)相比，永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，效率高等優(yōu)點(diǎn)。其運(yùn)用幾乎遍及航空航天、國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。
磁場是江晟電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)。根據(jù)電機(jī)建立磁場的方式的不同，可分為電勵磁電機(jī)和永磁電機(jī)。永磁同步電動機(jī)是在傳統(tǒng)三相電勵磁同步電動機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，其具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、轉(zhuǎn)動慣量小、轉(zhuǎn)子無發(fā)熱問題等優(yōu)點(diǎn)。其定子結(jié)構(gòu)與三相電勵磁同步電動機(jī)基本相同，而轉(zhuǎn)子上使用永磁體，無需電勵磁系統(tǒng)，從而省去了勵磁繞組、集電環(huán)和電刷。
江晟電機(jī)廠永磁同步電動機(jī)與其它電動機(jī)的主要區(qū)別集中在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上，按永磁體安裝形式分類，可將其分為表面式和內(nèi)置式兩種，如圖1所示。表面式結(jié)構(gòu)分為凸出式和插入式，前者屬于隱極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，后者為凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。內(nèi)置式結(jié)構(gòu)一般都是凸極轉(zhuǎn)子，根據(jù)永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的關(guān)系，分為徑向式、切向式和混合式。
永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)類型
表面凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、轉(zhuǎn)動慣量小，被廣泛應(yīng)用于無刷直流電動機(jī)和恒功率運(yùn)行范圍較窄的正弦波永磁同步電動機(jī)。此外，容易實(shí)現(xiàn)其永磁磁極的最優(yōu)設(shè)計(jì)，使電動機(jī)的氣隙磁密波形逼近正弦波，可顯著提高電動機(jī)乃至整個(gè)傳動系統(tǒng)的性能。
表面插入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以充分利用由轉(zhuǎn)子磁路的不對稱產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，提高電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，其動態(tài)性能優(yōu)于凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，常應(yīng)用于某些調(diào)速永磁同步電動機(jī)，但其漏磁系數(shù)和制造成本較凸出式大。
內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，極靴位于永磁體外表面與定子鐵心內(nèi)圓之間，可將鑄鋁籠或銅條籠安裝在極靴，起阻尼或者起動的作用。對于要求電動機(jī)具有良好動態(tài)性能或異步起動能力的場合，這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動機(jī)是個(gè)不錯的選擇。極靴對永磁體起保護(hù)作用，轉(zhuǎn)子磁路的不對稱結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，這有利于提高江晟電機(jī)的功率密度和過載能力，而且易于實(shí)現(xiàn)“弱磁”控制。
二、永磁同步電動機(jī)的矢量控制策略概述
矢量控制策略是由德國某公司的F.Blaschke在1971年提出的。這是交流電機(jī)控制理論一次里程碑式的跨越，交流電機(jī)從此在與直流電機(jī)的高性能應(yīng)用競爭中獲得一隅之地，并最終形成席卷之勢。矢量控制的原理為：以轉(zhuǎn)子磁鏈方向作為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的參考方向，環(huán)球電機(jī)根據(jù)該坐標(biāo)系將定子電流分解為與轉(zhuǎn)子磁鏈同方向的勵磁分量和與磁鏈方向垂直的轉(zhuǎn)矩分量。矢量控制可以對速度實(shí)現(xiàn)精確控制，還可以使電機(jī)獲得良好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。但該控制需要較復(fù)雜的坐標(biāo)變換，對轉(zhuǎn)子磁鏈觀測的準(zhǔn)確性將直接影響磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，其控制效果會隨實(shí)際電機(jī)參數(shù)的變化而變差。此外，矢量控制的實(shí)現(xiàn)還需要選用高性能的微處理器、高精度的速度傳感器和合理的參數(shù)變化補(bǔ)償算法。
由此可見，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩控制可歸結(jié)為對東莞環(huán)球電機(jī)電流勵磁（直軸）分量和轉(zhuǎn)矩（交軸）分量的控制。交軸電流和直軸電流的不同組合將影響控制系統(tǒng)的效率、功率因數(shù)以及轉(zhuǎn)矩輸出能力等。如何根據(jù)給定轉(zhuǎn)矩確定交軸電流和直軸電流構(gòu)成了永磁同步電動機(jī)的電流控制策略問題。
永磁同步電動機(jī)用途不同，電動機(jī)電流矢量的控制方法也各不相同。常用的控制方法主要為：id=0控制、最大轉(zhuǎn)矩/電流控制、弱磁控制、cosφ=1控制和恒磁鏈控制等。不同的控制方法具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
①id=0控制
這是一種比較簡單的電流矢量控制方法，該方法計(jì)算量小，很適宜用普通單片機(jī)作為主控單元的系統(tǒng)。另外，該方法沒有電樞反應(yīng)對永磁同步電動機(jī)的去磁問題，而且電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行期間都具有較高的效率和功率因數(shù)。對表面凸出式電機(jī)，id=0控制就是后面介紹的最大轉(zhuǎn)矩/電流控制。目前大多數(shù)小功率的永磁同步電動機(jī)伺服系統(tǒng)都采用這種控制方法。
從電動機(jī)端口看，其相當(dāng)于他勵型直流電動機(jī)，定子電流中沒有直軸分量。由于環(huán)球電機(jī)內(nèi)部沒有直軸電樞反應(yīng)，不會引起永磁體退磁，電機(jī)定子電流全用于產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。其缺點(diǎn)是對具有凸極效應(yīng)的永磁同步電動機(jī)而言，該方法沒有充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩，沒有充分發(fā)揮電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能力。
②最大轉(zhuǎn)矩/電流控制
最大轉(zhuǎn)矩/電流控制也稱單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制，它是凸極永磁同步電動機(jī)用得較多的一種電流控制策略。
最大轉(zhuǎn)矩/電流控制策略使電動機(jī)在輸出電磁轉(zhuǎn)矩一定的條件下，保證逆變器的輸出電流最小，同時(shí)減小了江晟電機(jī)的銅耗。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行速度達(dá)到一定值后，可以通過加入弱磁控制策略以提高電動機(jī)在恒功率運(yùn)行區(qū)內(nèi)輸出電磁轉(zhuǎn)矩的能力。該方法的缺點(diǎn)在于控制算法的開銷較大，需要如DSP、FPGA等具有高速運(yùn)算能力的控制器。
③弱磁控制
隨著永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速升高，電動機(jī)的反電動勢也隨之升高。當(dāng)電動機(jī)的端電壓增加到逆變器的極限輸出電壓時(shí)，電動機(jī)的電流將失去跟蹤給定電流的能力，電流控制器將出現(xiàn)“飽和”。此時(shí)，逆變器將不能控制電流，電動機(jī)的定子電流降低，進(jìn)而導(dǎo)致電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩急劇減小。
江晟電機(jī)廠永磁同步電動機(jī)弱磁控制的思想來源于對他勵直流電動機(jī)的調(diào)磁控制。區(qū)別在于，通過降低勵磁電流就可實(shí)現(xiàn)他勵直流電動機(jī)的弱磁擴(kuò)速，而對于永磁同步電動機(jī)，其永磁體產(chǎn)生恒定勵磁磁動勢，所以只能調(diào)節(jié)定子電流。通過增加電動機(jī)直軸去磁電流分量和減小交軸電流分量，以維持電壓平衡關(guān)系，達(dá)到“弱磁”效果。為保證電機(jī)定子電流幅值不超過設(shè)定的極限值，直軸電流分量增大則交軸電流分量隨之減小，“犧牲”輸出轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)弱磁增速。
④cosφ=l控制
COSφ=1控制保證電機(jī)的功率因數(shù)恒為1，逆變器的容量得到了充分的利用。但永磁同步電動機(jī)中由永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁鏈不能調(diào)節(jié)，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，氣隙磁鏈無法保持恒定，所以電樞電流和轉(zhuǎn)矩之間不能保持線性關(guān)系。此外，其最大輸出電磁轉(zhuǎn)矩較小，退磁系數(shù)較大，可能會使電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)和效率下降。
關(guān)鍵字：江晟電機(jī)