永磁同步电动机采用的是转子上加永磁体的方法来产生磁场，由于永磁材料本身具有磁性，不需要外加能量来产生磁场，这不仅简化了电动机的结构，还节约了能量。永磁同步电动机主要应用在中小容量的高精度传动领域。

永磁式同步电动机同异步电动机相比，优点是不需要励磁电流，所以效率很高，功率因数和力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗相对较小，并且其转子参数是可测的、控制性能好；缺点是具有成本高、启动困难等。和普通同步电动机相比，由于它采用了永磁材料，省去了励磁装置，所以简化了结构，提高了效率。

本章介绍的是三相永磁同步伺服电动机，简称PM·SM电机。它输入定子绕组的电源是三相正弦波形。

图3.1　交流永磁同步伺服电动机的转子结构图

a—极靴；b—笼条；c—永磁铁；d—转轴

1.结构和工作原理

交流永磁同步伺服电动机的结构主要由以下三部分组成：定子、转子和检测元件。其中定子具有齿槽，内嵌有三相绕组，结构与异步电动机相同。转子由多块永磁体组成，用以产生恒定磁场。转子外圈还装有导条，以便于产生启动转矩。如图3.1所示。

为了使电动机产生稳定的转矩，定子电流磁动势应与转子磁极同步旋转，因此在转子由多块永磁体组成，用以产生恒定磁场。转子外圈还装有导条，以便启动。与此同时，在转子非负载端装有旋转变压器或光电编码器，来检测磁极位置以及转子转速。

工作原理是，当定子三相绕组通以三相对称交流电后，就会在气隙中产生一个旋转磁场，它的旋转速度为

式中：ns为同步转速，r/min；f为交流电流频率，Hz；p为旋转磁场极对数。

图3.2　交流永磁同步伺服电动机工作原理图

出于分析原因，定子旋转磁场可等效成一对旋转磁极，转子为二极永磁磁极，如图3.2所示。当定子旋转磁极以同步转速ns旋转时，由于磁极同性相斥，异性相吸，因此定子磁极就吸着转子磁极一起以同步转速ns旋转。如果转子带有负载，将造成定子磁极轴线与转子磁极轴线不重合，有一个差角θ，θ角的大小是随着负载大小变化的。当负载超过一定极限后，转子就不再按同步转速ns旋转，甚至可能不转，这时电动机处于失步状态，这个时候负载的极限值被称为最大同步转矩。

值得注意的是，交流永磁同步伺服电动机存在启动困难的缺点，这是因为当三相电源供给定子绕组时，虽已产生旋转磁场，但转子由于惯性作用，不能立即跟着旋转磁场转动，当旋转磁场转一周后，作用在转子上的平均转矩为零，这就造成电动机无法启动。为了改善这一弱点，转子上都装有鼠笼导条，这样就可以像异步电动机一样产生启动转矩。

2.交流永磁同步伺服电动机的机械特性

由上面的介绍可知，只要负载转矩不大于电动机的最大同步转矩，转子都可以以同步转速旋转，不受负载扰动的影响，所以交流永磁同步伺服电动机机械特性是一条水平直线，特别适合用于恒转矩负载。如图3.3所示。

3.交流永磁同步电动机转速控制

交流永磁同步伺服电动机与直流伺服电动机的调速方法不同，因为它的转速与电压没有关系，只与频率有关，所以只能用变频的方法来调速。(www.daowen.com)

图3.3　交流永磁同步伺服电动机机械特性

从控制频率的方法上看，同步电机变频调速系统可以分为他控变频和自控变频两类。用独立的变频装置给同步电动机提供变压变频电源，叫做他控变频调速系统。而用电动机轴上所带的转子位置检测器来控制变频装置脉冲时刻的称为自控变频调速系统。

三相绕组U、V、W之间的相位差为120°，且转子转过θ角，则各自的磁通如下

给三相绕组通电，电流与磁通有相位差φ角，则三相绕组的电流为

式中：Bm、Im分别为磁通和电流的最大值。

电动机产生的转矩T为

由式（3.7）可知，电动机产生的转矩不随转子旋转位置θ角的变化而变化。在φ一定时，转矩与电流成正比，若能严格控制电流就得到与直流伺服电动机相同的特性。此时，转矩不会产生脉动，从而获得整个速度范围内的平滑运转。

接下来从AC交流伺服系统的构成来了解交流永磁同步电动机的调速情况。AC交流伺服系统属于电气式伺服系统的一种，特别是针对SM电动机，其具有更优越的低速伺服性能，因而广泛用于数控机床、工业机器人等高性能伺服系统中。

如图3.4所示，速度指令和速度反馈信号Uω在速度控制器ASR的输入端进行比较，比较值送入速度控制器ASR，速度控制器ASR的输出信号为电流指令信号I*，它是一个直流量。但由于电动机是交流电动机，要求在定子绕组中通入交流电，因此，必须将速度控制器输出的直流电流交流化，且该交流电流指令的相位由转子磁极位置决定，频率由转子的旋转速度来决定。

电流I*在交流电流指令发生器里与由旋转变压器BR检测出来的转子位置信号sinθ和cosθ相乘，输出交流电流指令和，和指令值与三相电流反馈信号相比较后，差值送入电流控制器ACR，依靠电流控制回路的高速跟踪能力和PWM电路的脉冲调制作用，使电动机定子绕组中产生出与交流指令相同，但幅值高的交流电路。

在该系统中，转子磁极位置和转子速度需要旋转变压器BR检测。为了提高检测精度和可靠性，要求旋转变压器的励磁信号的角频率必须在高频率下非常稳定，同时，正弦、余弦励磁信号相位正交。

所谓PWM电路就是以一定频率和一定振幅振荡的三角波作为载波，与电流控制器输出的正弦波在比较器中进行比较，得出一组等幅而脉冲宽度随时间按正弦规律变化的矩形脉冲，用此脉冲电压去触发逆变器中的晶体管，起到功率放大作用。输出交流电压的大小和频率可以通过改变正弦调制信号的幅值和频率来控制。

图3.4　交流永磁同步电动机交流伺服系统基本构成

交流永磁同步伺服电动机的主要技术指标与直流伺服电动机一样，只是最大转矩一项，指的是最大同步转矩，在负载超过此转矩时，电动机会失步直到停转。