4.5　永磁磁阻同步電機

4.5.1　永磁磁阻同步電機的結構

永磁磁阻同步電機是將永久磁鐵取代他勵同步電機的轉子勵磁繞組，將磁鐵插入轉子內部，形成同步旋轉的磁極。電機的定子與普通同步電機兩層六極永磁磁阻同步電機的定子和轉子一樣，如圖2-32所示，轉子上不再用勵磁繞組、集電環和電刷等來為轉子輸入勵磁電流，輸入定子的是三相正弦波電流，這種電機稱為永磁磁阻同步電機。

永磁磁阻同步電機具有高效率（達97%）和高比功率（遠遠超過1kW/kg）的優點。輸出轉矩與轉動慣量比都大于相類似的三相感應電機。它在高速轉動時有良好的可靠性，平穩工作時電流損耗小，永磁磁阻電機在材料的電磁、磁極數量、磁場衰退等多方面的性能都優于其他種類的電機，工作噪聲也低。

在同步電機的軸上裝置轉子位置傳感器和速度傳感器，它們產生的信號是驅動控制器的輸入信號。永磁磁阻同步電機具有功率密度高、調速范圍寬、效率高、性能更加可靠、結構更加簡單、體積小的優點。與相同功率的其他類型電機相比較，更加適合作為EV、FCEV和混合動力汽車的驅動電機。

永磁磁阻電機為了增加電機的轉矩，采用增加q軸磁阻與d軸磁阻之差來獲得更大的磁阻轉矩，因此采用多層的轉子結構，有單層、雙層、3層和10層等，用于優化轉子結構。轉子的層數增加，L_q-L_d也增大，但增加層數超過3層，L_q-L_d變化不大，一般為2～3層。

4.5.2　永磁磁阻同步電機的控制系統

永磁磁阻同步電機采用了帶有矢量變換電路的逆變器系統來控制，其控制系統由直流電源、電容器、三相絕緣柵雙極晶體管（IGBT）逆變器、永磁同步電機（PSM）、電機轉軸位置檢測器（PS）、速度傳感器、電流檢測器、驅動電路和其他一些元件等共同組成。微處理器控制模塊中包括乘法器、矢量變換電路、弱磁控制器、轉子位置檢測系統、速度調節系統、電流控制系統、PWM發生器等主要電子器件。PWM逆變器的作用是將直流電經過脈寬調制變為頻率及電壓可變的交流電，電壓波形有正弦波或方波。

①轉子位置檢測器根據檢測轉子磁極的位置信號和矢量變換電路發出的控制信號，共同通過電流分配信號發生器來對轉子位置信號進行調節，產生電流分配信號，將信號分別輸入A、B乘法器中。

②速度傳感器、速度變換電路和速度調節器對電機的運行狀態進行判別與處理，將電機的運行狀態信號分別輸入A、B乘法器中。

③控制驅動器采用不同的控制方法，由電流分配信號發生器和速度調節器對系統提供信號，經過乘法器邏輯控制單元的計算后產生控制信號，并與電流傳感器輸入的電流信號，共同保持轉子磁鏈與定子電流之間的確定關系，將電流頻率和相位變換信號分別輸入各自獨立的電流調節器中，然后輸出到PWM發生器中，控制IGBT逆變器換流開關元件的通斷，完成脈寬調制，為永磁同步電機提供正弦波形的三相交流電，同時控制定子繞組的供電頻率、電壓和電流的大小，使永磁同步電機產生恒定的轉矩和對永磁同步電機進行調速控制。

④系統的給定量是轉子轉速的大小，系統可以根據不同的給定速度運行，調速范圍寬，調速精度也較高。根據電機轉子位置檢測器測得的轉子的正方向轉角θ位置的信號DA、DB、DC，使分別屬于上橋臂和下橋臂的兩個開關元件導通，而且只有在下橋臂的開關元件受控于PWM狀態時，電機才處于電動狀態運轉。

根據電機轉軸位置檢測器得到的轉子反方向轉動的信號DA'、DB'、DC'時，分別屬于上橋臂和下橋臂的6個開關元件按周期規律交替導通，在每個周期中每個開關元件輪流導通工作60°電角度，PWM處于脈寬調制狀態時，電機處于發電狀態運轉。永磁磁阻同步電機的控制系統如圖2-33所示。

4.5.3　永磁磁阻同步電機的力學特性

永磁磁阻同步電機在牽引控制中采用矢量控制方法，在額定轉速以下恒轉矩運轉時，使定子電流相位領先一個β角，這樣，一方面可增加電機的轉矩；另一方面由于β角領先產生的弱薄作用，使電機額定轉速點增高，從而增大了電機在恒轉矩運轉時的調速范圍，如β角繼續增加，電機將運行在恒功率狀態。永磁磁阻同步電機能夠實現反饋制動。如圖2-34所示為永磁磁阻同步電機的力學特性曲線。