图2-2永磁同步电机的结构示意图  

永磁同步电机的构成，如上图2-2所示。  

永磁同步电机由定子和转子构成。定子主要包括电枢铁心和三相对称电枢绕组(绕组钳于铁心的槽内)；转子由永磁体、导磁轭和转轴构成。永磁体贴在导磁轨上，导磁轨为圆筒形，套在转轴上；当转子的直径比较小的时候，永磁体可以直接贴在导磁轴。转子同轴与位置、速度传感器连接，用来检测转子磁极与定子绕组的相对位置和转子转速。  

三相电流使定子产生一个以同步转速推移的旋转磁场，由定子磁场与转子的永磁体产生的主级磁场保持静止，他们互相作用产生电磁转矩，继而拖动转子旋转(稳态下转子的转速恒为磁场同步转速)，进行机电能量转换。当负载变化时，转子的瞬时转速也发生变化，此时，通过传感器检测转子的位置和速度，根据转子永磁体磁场的位置，利用逆变器控制定子绕组中电流的大小、相位和频率，使之产生连续的转矩作用到转子上；这就是闭环控制的永磁同步电机的工作原理。  

永磁同步电机的转子磁路结构影响电机的运行特性、控制方法，根据转子结构可以把永磁同步电机分类为表面永磁体同步电机(SPMSM)、外钳永磁体同步电机和内嵌永磁体同步电机(IPMSM)三类。  

下面介绍SPMSM表面永磁体同步电机的转子结构，如图2-3所示  

a)b)c)  

图2-3永磁同步电机常用的转子结构  

如图2-3(a)所示的永磁体为环形，配置在转子铁心的表面，永磁体多为径向充磁或异向充磁，有时磁极采用多块平行充磁的永磁体拼成。该结构多用于小功率交流伺服电机。  

如图2-3(b)所示永磁体设计成半月形不等厚结构，通常采用平行充磁或径向充磁，形成的气隙磁场是较为理想的正弦波磁场。该结构多用于大功率交流伺服电机。  

如图2-3(c)所示结构主要用于大型或高速的永磁电机，为防止离心力造成的永磁体损坏，需要在永磁体的外周套一非磁性的箍圈予以加固。  

表面永磁体结构的转子直径较小，转动惯量低，等效气隙大、定位转矩小、绕组电感低，有利于电机动态性能的改善；同时这种转子结构电机的电枢反应小、转矩-电流特性的线性度高，控制简单、精度高。因此，一般永磁交流伺服电机多采用这种转子结构。  

内嵌永磁体转子永磁同步电机具有如下优点：  

①永磁体位于转子内部，转子的结构简单、机械强度高、制造成本低。  

②转子表面为硅钢片，因此，表面损耗小。  

③等效气隙小，但气隙磁密高，适于弱磁控制。  

④永磁体形状及配置的自由度高，转子的转动惯性小。  

⑤可有效的利用磁阻转矩，提高电机的转矩密度和效率。  

⑥可利用转子的凸极效应实现无位置传感器起动与运行。  

因此，内嵌永磁体转子永磁同步电机适用于要求高转速、大转矩、高功率、高效率、需要弱磁控制以及宽广的恒功率调速范围等领域。  

2.3PMSM伺服系统的数学模型  

2.3.1PMSM的基本结构及种类  

PMSM由绕组同步电动机发展而来，原理与绕组同步电动机相同，PMSM的结构如图2-4所示：  

1-检测器2-永磁体3-电枢铁心