了解永磁电机
永磁(PM)电机是一种交流电机，它使用嵌入或附着在电机转子表面的磁铁。本文提供了一个基本的理解背后的术语，概念，理论，和物理背后的永磁电机。
控制交流电机的速度是用一个变频器(VFD)在大多数情况下。虽然许多场景涉及使用带有定子绕组的感应电机的VFD来产生旋转磁场，但它们也可以使用速度或位置反馈传感器作为VFD的参考来实现精确的速度控制。
在某些情况下，有可能获得相当精确的结果速度控制不需要反馈传感器。这是通过使用永磁体(PM)电机和称为“高频信号注入法”的过程实现的。
感应的机器
交流感应电机(IM)也通常被称为交流电机。定子绕组产生旋转磁场。旋转磁场在转子杆中产生电流。目前的发电机需要转子和磁场之间的速度差。磁场和电流之间的相互作用产生了驱动力。因此，交流感应电机是由可调速驱动器操作的主要电机。
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永磁电机是一种交流电机，它使用嵌入或附着在电机转子表面的磁铁。磁体用于产生恒定的电机磁通，而不需要定子磁场通过连接到转子来产生磁通感应电动机．第四个电机被称为线路启动PM (LSPM)电机结合了两个电机的特性。LSPM电机在转子和鼠笼电机的转子条内包含PM电机的磁铁，以最大限度地提高扭矩和效率(见表1)。
通量，通量连杆，和磁通量
要了解永磁电机的运行，首先要了解磁通量、磁链和磁通量的概念。
通量:流过导体的电流产生磁场。流量定义属性在单位面积上的流动速率。磁通电流是流过给定导体截面积的电流的速率。
磁链:当磁场与材料相互作用时，就会发生磁链，例如当磁场穿过线圈时会发生什么。通量链接由线圈和通量的数量决定，其中φ用于指示时变通量的瞬时值。磁链由下式定义:
磁通:磁通量定义为磁场流过给定导体横截面积的速率。磁通场是由永磁电机内部或表面的永磁体产生的。
电感:电感是一种电路元件，通常由线圈形式的导线组成。携带恒定电流的导体将产生恒定磁场。可以证明，磁场和产生磁场的电流是线性相关的。改变磁场会在附近导体中感应出与产生磁场的电流变化率成正比的电压。导体中的电压由下式确定:
电感:电感(L)是比例常数，它定义了由产生磁场的电流的时间变化率所诱导的电压之间的关系。简单地说，电感就是单位电流的磁链。必须说明电感是一种无源元件，纯粹是一种几何性质。电感的测量单位为亨利(H)或每安培匝数。
d轴和q轴:在几何术语中，“d”和“q”轴是在相同角速度下由三个独立的正弦相量贡献的通量的单相表示。d轴，也称为直轴，是由场绕组产生通量的轴。q轴，或正交轴是产生扭矩的轴。按照惯例，交轴总是电引导直轴90度。简单来说，d轴是主要的通量方向，而q轴是主要的扭矩产生方向。
磁导率:在电磁学中，磁导率是衡量材料支持其内部形成磁场的能力的指标。因此，它是材料在外加磁场作用下获得的磁化程度。
PM电机等效电路:永磁电机可以用几种不同的电机模型来表示。最常用的方法之一是d-q电机模型。
PM电机d轴和q轴电感:d轴和q轴电感是磁通路径通过转子时相对于磁极测量的电感。d轴电感是磁通通过磁极时测量的电感。q轴电感是磁通量在磁极之间通过时的电感量。
在感应电机中，转子磁链在d轴和q轴之间是相同的。然而，在永磁电机中，磁铁减少了可用的铁链。磁铁的磁导率接近空气的磁导率。因此，磁铁可以看作是一个气隙。磁体在通过d轴时处于通量路径中。通过q轴的磁通路径不穿过磁铁。因此，更多的铁可以与q轴磁通路径相连，从而产生更大的电感。带有嵌入式磁铁的电机将具有比d轴电感更大的q轴电感。具有表面贴装磁体的电机将具有几乎相同的q轴和d轴电感，因为磁体位于转子之外，并且不限制由定子磁场连接的铁的数量。
磁性特点:Salience或saliency是指某物相对于周围事物突出的状态或品质。磁显著性描述了转子的主磁通(d轴)电感和主转矩产生(q轴)电感之间的关系。磁显著性取决于转子到定子磁场的位置，其中最大的显著性发生在距离主磁通轴(d轴)90电度处(见图1)。
励磁电流:励磁电流是“定子绕组中产生转子铁心磁通量所需的电流”。永磁电机在定子绕组中不需要励磁电流，因为永磁电机的磁铁已经产生了一个稳定的磁场。
次级电流:二次电流，也称为“转矩产生电流”，是产生电机转矩所需的电流。在永磁机中，产生转矩的电流占了产生电流的大部分。
拉片电流:与用于运动控制的放大器和伺服匹配集不同，传统的VFD没有关于电机转子磁极位置的信息。如果不知道磁极位置，就不能在定子中产生磁场以最大限度地产生转矩。因此，VFD能够提供直流电压，将磁场锁定到已知位置。将转子拉入所需的电流称为“拉入电流”。
高频注入:高频注入是一种用于检测永磁电机磁极位置的逆变器方法。该方法由逆变器在任意轴向电机注入高频低压信号开始。逆变器然后摆动励磁角度并监测电流。
根据喷射角度的不同，转子阻抗也不同。当高频信号注入轴与磁极轴(d轴)对齐时，即在0度时，内部永磁(IPM)电机终端阻抗降低，在±90度时阻抗最大。利用这一特性，驱动器可以通过向IPM电机注入高频交流电压/电流来检测转子位置，无需脉冲编码器。此外，高频信号注入方法可用于低速区域的速度检测，通常满载转矩控制是非常困难的，因为电机的反电动势电压水平过低。
反电动势波形
反电动势是反电动势的简称，也称为反电动势。反电动势是当定子绕组和转子磁场之间有相对运动时电机中产生的电压。转子的几何特性将决定反电动势波形的形状。这些波形可以是正弦的，梯形的，三角形的，或介于两者之间。
感应电机和永磁电机都会产生反电动势波形。在感应电机中，由于缺少定子场，反电动势波形将随着剩余转子场的缓慢衰减而衰减。然而，使用永磁电机，转子产生自己的磁场。因此，每当转子运动时，定子绕组就会感应电压。反电动势电压将随速度线性上升，是决定最大运行速度的关键因素。
了解PM机床扭矩
电机的转矩可分为两部分:磁转矩和磁阻转矩。磁阻扭矩是“作用在磁性材料上的力，倾向于与主磁通对齐，以最小化磁阻。”换句话说，磁阻力矩是转子轴对准定子磁链场产生的力矩。磁转矩是“磁体磁通场与定子绕组电流相互作用产生的转矩”。
磁阻转矩:磁阻转矩是指当磁场迫使想要的直接气流从北定子极流向南定子极时，转子对中产生的转矩。
磁转矩:永磁体在转子中产生磁通场。定子产生一个与转子磁场相互作用的磁场。改变定子磁场相对于转子磁场的位置会导致转子移位。这种相互作用产生的位移就是磁转矩。
SPM与IPM
永磁电机可分为两大类:表面永磁电机(SPM)和内部永磁电机(IPM)(见图3)。两种电机设计类型都不包含转子条。这两种类型都是通过固定在转子上或转子内部的永磁体来产生磁通量的。
SPM电机有磁铁固定在转子表面的外部。由于这种机械安装，它们的机械强度比IPM电机弱。机械强度的减弱限制了电机的最大安全机械速度。此外，这些电机表现出非常有限的磁显着性(Ld≈我问)．无论转子位置如何，在转子端子处测量的电感值都是一致的。由于接近统一显著比，SPM电机设计显著依赖，如果不是完全，磁转矩组件来产生转矩。
IPM电机将永磁体嵌入转子本身。与SPM不同，永久磁铁的位置使IPM电机在机械上非常健全，适合在非常高的速度下运行。这些电机还由其相对较高的磁显着比(L问> Ld)．由于它们的磁性显著性，IPM电机有能力通过利用电机的磁性和磁阻力矩组件来产生转矩(见图4)。
永磁电机结构
永磁电机结构可分为两类:内部和表面。每个类别都有其类别的子集。表面永磁电机可以在转子表面上或嵌入其磁铁，以增加设计的稳健性。内部永磁电机的定位和设计可以有很大的不同。IPM电机的磁铁可以作为一个大块插入或交错，因为它们更接近核心。另一种方法是将它们嵌入辐条图案中。
永磁电机电感随负载变化
只有这么多的磁通可以连接到一块铁上来产生扭矩。最终，铁会饱和，不再允许通量连接。其结果是由通量场所采取的路径电感的减少。在永磁电机中，d轴和q轴电感值将随着负载电流的增加而减小。
SPM电机的d轴和q轴电感几乎相同。由于磁体在转子的外部，q轴的电感将以与d轴电感相同的速度下降。然而，IPM电机的电感将以不同的方式减小。同样，d轴电感自然较低，因为磁体在磁通路径中，不产生感应特性。因此，在d轴上饱和的铁较少，这导致相对于q轴的通量减少显著降低。
永磁电机的磁通减弱/增强
永磁电机中的磁通是由磁铁产生的。通量场遵循一定的路径，该路径可以被增强或反向。提高或加强磁链场将允许电机暂时增加扭矩生产。反对磁通场将否定电机现有的磁场。减小的磁场会限制转矩的产生，但会降低反电动势电压。降低的反电势电压释放电压，推动电机以更高的输出速度运行。这两种操作都需要额外的电机电流。电机控制器提供的电机电流穿过d轴的方向，决定了预期的效果。
激发角
激励角是d轴和q轴波形的矢量和相对于d轴被激励到电机的角度。d轴总是被看作是磁铁存在的地方。最大的磁通量是在q轴，这是90电度从d轴。因此，大多数激发角的参考已经考虑了d轴到q轴的90度差。
相位角和扭矩
当定子磁场激励电机转子与d轴(电机磁体位置)呈90电度时，磁转矩最大。磁阻扭矩遵循不同的路径，并在超过q轴45电度时最大。最大磁转矩利用了电机的磁阻和磁转矩。离q轴更远的位移减少了磁转矩，但远远超过了磁阻转矩的增益。最大组合磁阻转矩发生在离q轴45电度附近，但准确的角度将根据永磁电机的特性而变化。
IPM电机功率密度
永磁电机的发电取决于电机磁铁的配置和由此产生的电机显著性。具有高显着比(Lq > Ld)的电机可以通过结合电机的磁阻转矩来提高电机效率和转矩产量。逆变器可用于改变励磁角度相对于d轴，以最大限度地提高电机的磁阻转矩和磁转矩。
永磁电机磁体类型
目前用于电动机的永磁材料种类很少。每一种金属都有其优点和缺点。
永磁消磁
永磁体不是永久的，它的功能确实有限。可以对这些材料施加一定的力使它们消磁。换句话说，可以去除永磁体材料的磁性。永久磁性物质可以成为退磁，如果材料是显著的应变，允许达到显著的温度，或受到一个大的电扰动的影响。
首先，拉伸永磁体通常是通过物理方法完成的。磁性材料如果没有被削弱，如果经历猛烈的撞击/跌落，就会被消磁。铁磁材料具有固有的磁性。然而，这些磁性物质可以向任意多个方向发射。铁磁材料磁化的一种方法是对材料施加强磁场，使其磁偶极子对齐。对准这些偶极子迫使材料的磁场进入一个特定的槽。猛烈的撞击可以消除材料磁畴的原子排列，从而削弱预期磁场的强度。
其次，温度也会影响永磁体。温度迫使永磁体中的磁性粒子变得激越。磁偶极子有能力承受一定数量的热搅动。然而，长时间的搅拌会削弱磁铁的强度，即使储存在室温下。此外，所有磁性材料都有一个被称为“居里温度”的阈值，这个阈值定义了热搅动导致材料完全退磁的温度。如矫顽力和保留率等术语被用来定义磁性材料的强度保持能力。
最后，大的电干扰会导致永磁体消磁。这些电干扰可能来自于材料与大磁场的相互作用，或者如果有大电流通过材料。同样的，强磁场或电流可以用来对齐材料的磁偶极子，另一个强磁场或电流施加到永磁体产生的磁场上可以导致退磁。
自我感知与闭环操作
驱动技术的最新进展允许标准交流驱动器“自我检测”和跟踪电机磁铁的位置。闭环系统通常使用z脉冲通道来优化性能。通过特定的程序，驱动器通过跟踪A/B通道和用z通道纠正错误来知道电机磁铁的确切位置。知道磁铁的确切位置可以产生最佳的扭矩，从而产生最佳的效率。
伺服电机
伺服电机永磁电机用于运动控制应用。通常，在内部/内部永磁电机设计中，这些电机与特定的放大器配对，作为匹配集的一部分，以最大化性能。该放大器已被微调到永磁电机，以达到其制造商的最佳性能。运动放大器/伺服配置通常使用电机反馈，它还提供磁极位置和速度反馈。
克里斯托弗Jaszczolt他是安川美国公司的驱动器产品管理专家。他有超过9年的运动控制经验。除了目前的头衔，Jaszczolt还担任过技术支持工程师和应用工程师。他拥有伊利诺伊州迪卡尔布的北伊利诺伊大学学士学位。
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