1.概述

在中小容量高精度傳動領域，廣泛采用永磁式同步電機，可用在轉子上加永磁體的方法來產生磁場。由于永磁材料的固有特性，它經過預先磁化（充磁）以后，不再需要外加能量就能在其周圍空間建立磁場。這既可簡化電機結構，又可節約能量。

由于永磁同步電機閉環控制當中需要電機轉子位置，因此需要在電機軸上安裝機械位置傳感器。由于機械傳感器的存在，增加了系統復雜程度和成本，降低了系統魯棒性。永磁同步電機的無速度傳感器控制成為現今研究的一個熱點問題。

2.永磁式同步電機的特點及其分類

永磁式同步電動機結構簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高，和直流電機相比，它沒有直流電機的換向器和電刷等缺點。和異步電動機相比，它由于不需要無功勵磁電流，因而效率高，功率因數高，力矩慣量比大，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉子參數可測、控制性能好；但它與異步電機相比，也有成本高、起動困難等缺點。和普通同步電動機相比，它省去了勵磁裝置，簡化了結構，提高了效率。永磁同步電機矢量控制系統能夠實現高精度、高動態性能、大范圍的調速或定位控制，因此永磁同步電機矢量控制系統引起了國內外學者的廣泛關注。

近年來，隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁的熱穩定性和耐腐蝕性的改善和價格的逐步降低以及電力電子器件的進一步發展，加上永磁電機研究開發經驗的逐步成熟，經大力推廣和應用已有研究成果，使永磁電機在國防、工農業生產和日常生活等方面獲得越來越廣泛的應用。正向大功率化（高轉速、高轉矩）、高功能化和微型化方面發展。目前，稀土永磁電機的單臺容量已超過1000KW，最高轉速已超過300000r/min，最低轉速低于0.01r/min，最小電機的外徑只有0.8mm，長1.2mm。

我國是盛產永磁材料的國家，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的科研水平都達到了國際先進水平。因此，對我國來說，永磁同步電動機有很好的應用前景。充分發揮我國稀土資源豐富的優勢，大力研究和推廣應用以稀土永磁電機為代表的各種永磁電機，對實現我國社會主義現代化具有重要的理論意義和實用價值。

永磁同步電動機的轉子磁鋼的幾何形狀不同，使得轉子磁場在空間的分布可分為正弦波和梯形波兩種。因此，當轉子旋轉時，在定子上產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在原理、模型及控制方法上有所不同，為了區別由它們組成的永磁同步電動機交流調速系統，習慣上又把正弦波永磁同步電動機組成的調速系統稱為正弦型永磁同步電動機（PMSM）調速系統；而由梯形波（方波）永磁同步電動機組成的調速系統，在原理和控制方法上與直流電動機系統類似，故稱這種系統為無刷直流電動機（BLDCM）調速系統。

永磁同步電動機轉子磁路結構不同，則電動機的運行特性、控制系統等也不同。根據永磁體在轉子上的位置的不同，永磁同步電動機主要可分為：表面式和內置式。在表面式永磁同步電動機中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉子鐵心的外表面上，這種電機的重要特點是直、交軸的主電感相等；而內置式永磁同步電機的永磁體位于轉子內部，永磁體外表面與定子鐵心內圓之間有鐵磁物質制成的極靴，可以保護永磁體。

這種永磁電機的重要特點是直、交軸的主電感不相等。因此，這兩種電機的性能有所不同。

3.PMSM與異步電機及BLDCM矢量控制系統的比較

永磁同步電機與無刷直流電機有許多類似之處，轉子上均有永磁磁極，定子電樞需要交變電流以產生恒定轉矩，其主要區別是永磁同步電機的反電勢為正弦波，無刷直流電動機的反電勢為梯形波。為了產生恒定力矩，永磁同步電機需要的定子電流為正弦波對稱電流，無刷直流電機需要的定子電流為方波電流。

由于電磁慣性，無刷直流電機的定子電流實際上為梯形波，而無法產生方波電流，并由集中繞組供電，所以無刷直流電動機較永磁同步電機脈動力矩大。在高精度伺服驅動中，永磁同步電機有較大競爭力。在另一方面，永磁同步電機單位電流產生的力矩較無刷直流電機單位電流產生的力矩小。在驅動同容量的電動機時，永磁同步電機所需逆變器容量大并且需要控制電流為正弦波，開關損耗大很多。

無刷直流電機定子電流為方波，每相開通1200電角度，然后關斷600電角度。每600電角度有一個開關改變狀態，所以無刷直流電機轉子位置檢測器只需要每隔600電角度輸出一個脈沖。永磁同步電機定子電流為正弦波，定子電流瞬時值取決于轉子的瞬時位置，所以必須連續地檢測轉子位置。

永磁同步電機的交軸電抗和直軸電抗隨電機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。永磁同步電機對參數的變化較無刷直流機敏感，但當永磁同步電機工作于電流控制方式時，磁阻轉矩很小，永磁同步電機矢量控制系統對參數變化的敏感性與無刷直流機基本相同。

當電機轉速較高，無刷直流電機反電勢與直流母線電壓相同時，反電勢限制了定子電流。而永磁同步電機能夠采用弱磁控制，因此具有較大的調速范圍。

4.永磁同步電機國內外研究現狀

早期對永磁同步電機的研究主要為固定頻率供電的永磁同步電機運行特性的研究，特別是穩態特性和直接起動性能的研究。永磁同步電動機的直接起動是依靠阻尼繞組提供的異步轉矩將電機加速到接近同步轉速，然后由磁阻轉矩和同步轉矩將電機牽入同步。V.B.Honsinger和M.A.Rahman等人在這方面做了大量的研究工作。

上個世紀八十年代國外開始對逆變器供電的永磁同步電動機進行深入的研究。逆變器供電的永磁同步電機與直接起動的永磁同步電機的結構基本相同，但在大多數情況下無阻尼繞組。阻尼繞組有以下缺點：第一，阻尼繞組產生熱量，使永磁材料溫度上升；第二，阻尼繞組增大轉動慣量、使電機力矩慣量比下降；第三，阻尼繞組的齒槽使電機脈動力矩增大。在逆變器供電情況下，永磁同步電機的原有特性將會受到影響，其穩態特性和 暫態特性與恒定頻率下的永磁同步電機相比有不同的特點。一九八○年后發表了大量的論文研究永磁同步電動機的數學模型、穩態特性、動態特性。A.V.Gumaste等研究了電壓型逆變器供電的永磁同步電動機穩態特性及電流型逆變器供電的永磁同步電動機穩態特性。