介绍永磁同步电动机

在研究永磁同步电动机DTC技术之前，先介绍一下永磁同步电动机的结构。

永磁同步电动机和异步电动机在结构上有很大区别，由于磁钢摆放方法非常灵活，设计方法也较多，导致其结构远远比异步电动机复杂。本书按照永磁体磁链在电枢绕组中感应出的反电动势的形状将永磁同步电动机分为两类：一类为正弦波永磁同步电动机，它的反电动势为正弦波，电枢绕组一般采用分布短距绕组的形式，同时，为实现输出稳定的电磁转矩，需要采用三相对称正弦波电流供电；另一类为无刷直流电动机，也可以称为方波永磁同步电动机，它的反电动势为梯形波，电枢绕组一般采用整距集中绕组的形式，而为保证输出转矩的平稳性，一般采用三相对称的方波电流供电。

此外，根据永磁材料安装位置的不同，电机学常将永磁同步电动机分为表面式和内埋式两种，其基本结构分别如图1-1和图1-2所示。

图1-1 表面式永磁同步电动机转子结构

a）凸出式 b）插入式

图1-2 内埋式永磁电动机转子结构

从图1-1中可知，表面式转子结构中的永磁材料一般呈瓦片状安装于转子铁心的外表面，根据在转子外表面安装位置的不同又可分为凸出式（如图1-1a所示）和插入式（如图1-1b所示）。图1-2所示的是内埋式结构，其实，内埋式结构的形式有很多种，图1-2所示的结构只不过是其中的一种，它们的特点都是永磁材料位于转子内部，在结构上和表面式有较大不同。

由于永磁同步电动机在结构上有如此多的花样，因此，电磁转矩的形成机理自然也就各有不同，对它进行直接转矩控制，就没有异步电动机那么单纯，必须根据各自形成电磁转矩的不同机理，建立不同的DTC策略。

若根据电磁转矩的形成机理分类，正弦波永磁同步电动机可分成两大类，一类为隐极式永磁同步电动机，另一类为凸极式永磁同步电动机。这种分类对于DTC技术的研究者来说更为有意义。(www.zuozong.com)

隐极式永磁同步电动机的特点是，转子磁路结构对称，又由于永磁材料的磁导率与气隙的磁导率相接近，于是定子直轴电感L_d等于交轴电感L_q，即L_d=L_q。表面式永磁同步电动机中的插入式电机就属此类。根据电机学的推导，其电磁转矩T_e的表达式如式（1-1）所示。

由于气隙磁场、定子电枢反应磁场分别和电机反电动势E₀、电机端电压U_s有直接关系，因此，由式（1-1）可认为，隐极式永磁同步电动机的转矩是由气隙磁场与定子电枢反应磁场相互作用产生的“基本电磁转矩”，有的书又称它为“永磁转矩”，没有其他的成分如磁阻转矩等成分混入，因此控制较单纯。

凸极式永磁同步电动机的特点是，转子磁路不对称，导致定子直轴电感L_d不等于交轴电感L_q，即L_d≠L_q。表面式永磁同步电动机中的凸出式电机和内埋式永磁同步电动机都属此类。其电磁转矩T_e的表达式如式（1-2）所示。

由式（1-2）可见，凸极式永磁同步电动机的转矩包含两种成分：一是和隐极式永磁同步电动机完全一样，为由气隙磁场与定子电枢反应磁场相互作用产生的“基本电磁转矩”，即“永磁转矩”。但它还有第二部分：由于电机d、q磁路不对称而产生的“磁阻转矩”，显然此类凸极式永磁同步电动机的电磁转矩的形成机理要比前者复杂得多，控制也自然要比前者复杂得多。

对于另一类永磁同步电动机：反电动势为梯形波的无刷直流电动机，它的电磁转矩的形成机理则更有特殊性，该电动机的电流会出现断流现象，和正弦波永磁同步电动机电流始终连续的现象完全不同。电流断流将会对定子磁链、电磁转矩产生巨大影响，自然，无刷直流电动机的DTC策略也必然和正弦波永磁同步电动机的DTC策略会有较大区别。

从以上的分析可见，由于永磁同步电动机结构的多样性，使其电磁转矩的形成机理也呈多样性，因此，永磁同步电动机的DTC技术远远比异步电动机的DTC技术复杂得多。

对于正弦波永磁同步电动机，其电压和磁链方程是一组带有周期性变系数的微分方程，微分方程的系数是随着转子位置的变化而变化的周期函数，属于一种非线性、多变量、强耦合的系统，直接对这些微分方程进行分析和求解是非常困难的。常用的方法是通过坐标变换将电机方程转换为一系列的常系数微分方程，以简化分析便于研究，因此，有必要对正弦波永磁同步电动机分析中常用的坐标变换以及不同坐标下的电机模型作一详细介绍。而对于方波反电动势的永磁同步电动机，由于电机结构的特殊性和相关变量的非正弦，其模型的建立和传统正弦波永磁同步电动机有较大区别，本章也将详细介绍。