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關鍵詞：永磁同步電動機，電梯
一、永磁同步電機應用于電梯驅動技術
永磁同步電機無齒輪傳動系統采用正弦波永磁同步電動機(簡稱永磁同步電動機)，由于其減少了變速箱以及齒輪機械結構，減小了體積。論文參考網。同時永磁同步電機較之于以往交流異步電動機，應用于電梯拖動系統時有以下幾個特點:
1、永磁同步電機機械噪音小，轉矩波動小，轉速平穩，動態響應快速準確。同步電動機比異步電動機對電壓及轉矩的擾動有著更強的承受能力，能做出比較快的反應。異步電動機當負載轉矩發生變化時，電機的轉差率也發生變化，轉速也就隨之變化，這樣電機的轉動部分的慣量就會阻礙電機做出快速的反應;而同步電機當負載轉矩發生變化時，只要電機的功角做出相應的變化，而轉速維持在原來的轉速，這樣電機轉動部分的慣量就不會影響電機的快速反應。
2、相對于傳統有齒輪傳動系統，以永磁同步電機為主要技術的無齒輪曳引技術實現了無機房化，降低了建筑面積，整個電梯系統的成本降低，維護方便，減少了機械傳動系統，噪音降低。
3、體積小，重量輕，隨著高性能永磁材料的應用，轉子無需勵磁，相對于異步電機減少了變速用的變速箱，所以永磁同步電機功率密度不斷增加，比起同容量的異步電機，它的體積，重量都要減小許多。
4、損耗小，效率高，永磁同步電機相對于異步電機無需勵磁電流，無功電流分量，顯著的提高了功率因數;由于高性能永磁材料的應用，提高了磁負荷，在相同功率的情況下，在設計過程中可以相應的減少電負荷，這樣隨之減小定子電流和定子銅耗。轉子采用表面磁鋼形式，在穩定運行時無轉子銅損提高了效率。
5、性能價格比高。論文參考網。隨著電力電子技術的成熟，電子器件的價格的降低，人們越來越多得用變頻電源來驅動永磁同步電機，這就使整個驅動系統的成本不斷降低。
二、國內外電梯驅動用永磁同步電動機的發展現狀
國際上對電梯驅動用永磁同步電動機的研究己經進行了多年。從上世紀90年代起，電梯行業內的有關企業就開始了對電梯驅動用永磁同步電機的探索。日本三菱公司首先在高速電梯曳引機上使用永磁電機，提高了電梯的運行性能。日本在永磁電機應用于電梯的研究也己經進行了多年，并且取得了很大的成績，其中以日本安川為代表的一些企業己經生產出了此類產品并獲得了應用。他們在控制方式、轉子位置檢測、驅動變頻器及電機本體設計等方面己經有了很多產品且申請了相關的專利。其產品經過實際測試，得到了國內同行的高度評價。論文參考網。東芝公司外旋轉無齒輪永磁同步電動機曳引機的曳引輪與電機成為一體，實現了小型化、輕量化。
三、永磁同步電動機的分類
永磁同步電機按主磁場方向的不同，可分為徑向磁場式和軸向磁場式;按電樞繞組位置的不同，可分為內轉子式(常規式)和外轉子式;按轉子上有無起動繞組，分為無起動繞組的電動機(用于變頻器供電的場合，利用頻率的逐步升高而起動，并隨著頻率的改變而調節轉速，常稱為調速永磁同步電動機)和有起動繞組的電動機(可在某一頻率和電壓下利用起動繞組所產生的異步轉矩起動，常稱為異步起動永磁同步電動機);按供電電流波形的不同，可分為矩形波永磁同步電動機(簡稱無邪}J直流電動機)和正弦波永磁同步電動機(簡稱永磁同步電動機)。永磁同步電機無齒輪傳動系統采用的正是正弦波永磁同步電動機(簡稱永磁同步電動機)。
四、變頻調速永磁同步電動機的設計要求
由于采用變頻器對電機實行變頻變壓調速時，經變頻器輸入電機的電源是一個含有大量諧波分量的電壓或電流發生源，它對電機的性能產生很大影響，主要表現在:電機振動、電磁噪聲、損耗增大、起動轉矩下降，溫升升高等現象，而電梯的運行恰在這幾方面要求比較嚴格，為此必須有針對性地采取措施。
（一）電動機低速平穩性的改善
電動機服務于電梯傳動系統，因此對于運行的平穩性、動態響應性能和運行中的低噪聲提出了較高的要求，尤其是對電機低速運行的平穩性要求更為嚴格，因為低速平穩性是保證電梯電機性能的重要指標。影響電動機低速平穩性的主要原因是電動機低速運行時的脈動轉矩，該脈動轉矩通常分為兩種:一是由感應電動勢或電流波形畸變而引起的紋波轉矩，二是由齒槽或鐵心磁阻變化而引起的齒諧波轉矩。針對這兩種情況，減小電動機低速脈動轉矩的措施主要有以下幾點:
1、使電機空載磁場氣隙磁通密度的空間分布盡量接近于正弦形，以減少由諧波磁場引起的諧波轉矩以及由諧波轉矩引起的電磁振動。
2、合理選擇定子槽數，使在該槽數下采用繞組短距、分布的方法來有效地削弱高次諧波電動勢。
3、當轉子有槽時，應該選擇與定子槽數相配合的轉子槽數。
4、增大電機的氣隙長度，以減小氣隙磁場齒諧波及相應的齒諧波轉矩。
5、采用定子斜槽或轉子斜極削弱齒諧波電動勢，從而減少相應的齒諧波轉矩。
6、減小定子槽的開口寬度或采用磁性槽楔，以降低由定子槽開口引起的氣隙磁導的變化，從而減小了氣隙磁場齒諧波。
7、采用阻尼繞組，以減小電樞反應磁鏈的脈動，可以有效地減少紋波轉矩。
8、增大交軸同步電抗，使凸極永磁同步電動機的交軸同步電抗與直軸同步電抗的差距增大，從而增加電機的磁阻轉矩，以增強電機低速運行時的輸出能力。
（二）電動機低速平穩定位轉矩的抑制
高精度的調速傳動系統通常要求系統具有較高的定位精度。影響永磁同步電動機停轉時定位精度的主要原因是電機的定位轉矩，即電機不通電時所呈現出的磁阻轉矩，該轉矩使電機轉子定位于某一位置。定位轉矩主要是由轉子中的永磁體與定子開槽的相互影響而產生的。
（三）提高弱磁擴速的能力
永磁同步電動機的勵磁磁場由永磁體產生，不像電勵磁同步電動機那樣可以調節，這樣在控制手段上就只能通過增大電機的直軸去磁電流以達到弱磁擴速的目的。
針對這一情況，對永磁同步電動機本身提出的要求是:
1、增大直軸同步電抗，以增強電機直軸電流的去磁能力。
2、選用抗去磁能力強的永磁體，并在電機結構上對永磁體加強保護，以避免永磁體發生不可逆性去磁。
3、充分利用電機的磁阻轉矩，使永磁磁鏈設計得較低，從而增強電機的弱磁擴速能力。
4、保證電機轉子具有適合高速運行的足夠的機械強度。
五、結論
永磁同步電動機和異步電動機不同，永磁體提供的磁通量和磁動勢隨著磁路的飽和程度、材料尺寸、電機的運行狀態變化而變化，而且由于轉子磁路結構形式多種多樣，不同的轉子磁路結構，其空載漏磁系數各不相同，對電機的性能有著重要影響。據有關人士預計，在2010年新增的電梯90%以上是由低速、大轉矩的永磁同步電動機直接驅動的無齒輪曳引電梯，永磁同步電動機在無齒輪曳引電梯中的應用將有很好的發展前景。
參考文獻:
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【關鍵詞】永磁同步 電動機 低速大扭矩 高效節能
1 引言
隨著經濟的發展，人類社會對能源的需求也日益增加，石油、煤炭等不可再生資源也日益枯竭，能源緊張也成為了全球共同關注的話題，黨的十六屆五中全會強調，要加快建設資源節約型，環境友好型社會。同時，國家也提出了推廣變頻永磁電動機技術的要求，在這種背景下，低速永磁同步電動機技術也日益成熟，廣泛運用到了各個行業中。
2 低速永磁同步電動機的特點
永磁同步電動機與傳統感應電動機工作原理基本相同，都是由定子產生磁場帶動轉子，其不同之處在于低速永磁同步電動機由永磁體勵磁替代了傳統感應電動機的電勵磁。永磁同步電動機具有低速大扭矩、結構簡單、功率因數高、效率高、體積小、噪聲低、可靠性高等顯著優點。
低速大扭矩、結構簡單。與傳統電動機相比，低速永磁電動機的氣隙磁場是有永磁體產生的，加上永磁體形狀及磁路設計的多樣性，這樣就可以簡化電動機結構，根據需要靈活設計電動機的外形尺寸。傳統感應電動機在起動時存在最小轉矩，通常來說其最小轉矩倍數小于1，而低速永磁同步電動機是變頻起動，在起動時無最小轉矩倍數的限制，只要負載所需起動扭矩小于最大轉矩，都可以順利起動。在某些領域，傳統感應電動機低起動轉矩的特性，使其在選型時不得不提高電動機功率來增大起動轉矩，以永磁同步電動機設計轉速100rpm為例，由公式
可知，相同功率的低速永磁同步電動機與傳統4P電動機相比，其起動扭矩是傳統電動機的15倍。
效率、功率因數高。傳統感應電動機因存在定子電阻和定子電流損耗，穩定運行時風磨耗也占據一定比例，這些因素限制了功率因數的提高；低速永磁同步電動機在運行時不產生無功勵磁電流，且風磨耗、雜耗、機械耗等損耗都低于傳統感應電動機，這些因素都使永磁同步電動機的效率、功率因素高于傳統感應電動機。大量統計表明，就效率而言，同規格永磁電動機比傳統感應電動機提高了2～8%。圖1是低速永磁同步電動機和傳統感應電動機不同負載下的效率、功率因數曲線，從圖中可以看出，低速永磁同步電動機在25%～120%額定負載范圍內均可以保持較高的功率因數和效率，而傳統感應電動機在低負載率或者高負載率時效率、功率因數同額定負載率相比下降很多，在低負載率時下降尤為明顯。低速永磁同步電動機這種高效率、高功率因數的優點是傳統感應電動機所不具備的。
體積小。對于傳統驅動系統，尤其是末級傳動需要較低速度時，一般需要異步電動機加減速機或者是異步電動機加2～3級皮帶輪減速來實現，這種機構體積龐大且笨重，不僅增加了設計成本，在設備安裝方面也占據了大量的空間。而低速永磁同步電動機直驅系統的體積和重量通常不到傳統驅動系統的一半，加上可以靈活設計永磁電動機的結構，在設備的安裝、調試等方面要求大大降低。
噪聲低，運行平穩。應用低速永磁同步電動機的直驅系統取消了減速機、皮帶輪等機械減速裝置，消除了齒輪嚙合或皮帶輪傳動時的噪聲，系統高速運轉時由于各個部件中間不平衡帶來的噪聲、震動大大降低。
可靠性高。機械減速傳動裝置的取消，消除了中間傳動環節的機械故障，同時，由于設備磨損、機械變形、零部件松動等帶來的油泄露問題也不復存在，大大提高了傳動系統的穩定性，如圖1所示。
3 低速永磁同步電動機應用現狀
自1831年科學家巴洛發明世界上第一臺永磁電動機以來，各國的科技工作者一直在探索永磁同步電動機的發展，但由于永磁材料性能的限制，一直停滯不前。二十世紀三十年代以來，隨著鋁鎳鈷和鐵氧體材料的先后出現，永磁材料的性能得到了很大的提升，用永磁體做成的電動機也不斷的出現在軍事裝備、工業生產設備、日常家電等領域。但是，由于鋁鎳鈷和鐵氧體材料矯頑力偏低、剩磁密度不高等缺陷，永磁電動機性能并沒有達到預期效果，加上當時永磁電動機成本較高，在一定程度上限制了永磁電動機的發展。1983年，銣鐵硼（NdFeB）永磁材料的出現，極大的提高了永磁材料的各項性能，且加上價格相對便宜，加快了國內外對永磁電動機研究的步伐，研究的重點也逐漸的轉移到了工業裝備自動化和日常生活領域。隨著科學工作者對永磁材料研究的不斷深入，永磁材料的電磁性能、耐高溫性能也在不斷的提升。同時，伴隨著電力電子控制技術的發展，與傳統電勵磁電動機相比，永磁電動機高效節能的優勢更加明顯，低速永磁同步電動機也朝著大功率化、高轉矩化、微型化、智能化等多個方向發展。
目前，由于低速永磁同步電動機低速大扭矩、體積小、輸出平穩、高效節能等優點，已經在很多方面作為驅動裝置得到應用，如電動車輛、煤炭開采、石油開采、冶金、電梯等領域。在電動車輛方面，日本已將其用于低地板式電動車、獨立車輪式電動車上；德國、法國也將永磁同步電動機用于高速列車組和低地板車；在煤炭、石油、冶金、港口起重等工業裝備自動化領域，低速永磁同步電動機在保證高性能、高效率、高精度需求的同時，省去了傳統傳動系統中的機械減速裝置，已經成功得到應用；在電梯曳引機上，由于低速永磁同步電動機可以實現無需機械減速裝置的直驅運行，日本三菱公司首先采用了永磁同步電動機作為動力源，美國奧迪斯公司研發的GEN2系統也廣泛采用了永磁無齒輪曳引機技術。
4 低速永磁同步電動機的發展趨勢
目前來看，去除減速機、多級皮帶輪等機械減速裝置，采用低速永磁直驅系統，更能夠充分發揮低速永磁同步電動機的優勢。低速永磁同步電動機作為驅動系統動力提供者，正向著專用化、高性能化、輕型化、機電一體化等等方向發展。
4.1 專用化發展
在工業生產領域，有很多設備需要減速機等機械減速裝置來減速進而驅動負載，這就需要電動機行業技術人員仔細分析其負載特性，專門設計一種性能優良、運行可靠且價格合理的低速永磁同步電動機，來替代傳統傳動裝置。據統計，有些專用低速永磁同步電動機節電率可以達到20%左右，如油田用到的抽油機電機、泥漿泵電機，陶瓷行業用到了陶瓷球磨機電機等。
4.2 高性能方向發展
S著工業的發展，對電動機的要求不僅僅是簡單的提供動力，而是提出了各種各樣的性能要求。如航空航天領域要求具備高性能同時，還要具備高可靠性；化纖行業、數控機床、智能加工中心等設備要求電動機具有高調速精度。
4.3 輕型化方向發展
由于安裝空間、攜帶等方面的因素，都對永磁同步電動機提出了重量輕、體積小的要求。如地下煤礦開采、數控機床、醫療器械、船舶推進、便攜式機電一體化產品等都有這方面的要求。
4.4 機電一體化方向發展
高性能的永磁電動機是實現機電一體化的基礎，電力電子技術、微電子控制技術和永磁同步電動機技術的結合催化出了一批新型且性能優異的機電一體化產品。
5 結語
我國具有豐富的稀土礦產資源，且對以稀土作為原材料的永磁材料和永磁電動機技術研究都已位列世界先進水平，充分發揮這種優勢，加快低速永磁同步電動機技術的研究和推廣，對加快我國經濟建設具有十分重要的意義。低速永磁同步電動機較傳統電勵磁電動機在性能上有很大優勢，但目前在我國工業領域并沒有得到廣泛應用，其市場還正處在推廣階段。相信隨著永磁材料技術的發展、電力電子和驅動裝置技術的進步，以及人類社會環境保護意識、能源問題社會意識的提高，在不久的將來，低速永磁同步電動機作為動力的驅動裝置會慢慢滲透到工業和日常生活的各個方面，低速永磁同步電動機也將得到廣泛應用。
參考文獻
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作者簡介
王錦涵（2000-），女，河南省南陽市人?，F為南陽第一高級中學在讀學生。
[關鍵詞]超環面；機電傳動；參數選擇；結構分析
中圖分類號：TH132.44 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）44-0093-03
在機械工程領域，機械傳動技術是機械工程技術的重要組成部分，在一定程度上標志著機械工程技術的水平。為適應這一趨勢，人們一般從以下方面對齒輪及蝸桿傳動展開新的研究工作。一、應用現代材料科學技術，研究開發齒輪及蝸輪新材料；二、采用先進制造技術，不斷完善高性能齒輪及蝸輪蝸桿齒廓成型技術，提高加工精度；三、運用計算機輔助設計技術，對齒輪及蝸輪蝸桿傳動進行齒廓優化、參數優化及機構優化。
隨著電子、信息和控制等技術向機械工程領域的不斷滲透，傳統的機械傳動系統也發生了很大變化，跨越舊的機構組成概念，實現機電和控制有機結合的新型復合傳動機構已成為機械科學領域的國際性前沿課題。機電集成超環面傳動是一種集電、機、控制于一體的新型傳動機構。
超環面機電傳動系統機構由行星輪、環面蝸桿、環面定子和行星架組成。由于在結構上它具有蝸桿上一個外環面和定子上一個內環面兩個環面，所以稱其為超環面。同時，由于它是由電磁力替代了超環面行星蝸桿傳動機構中的接觸嚙合力，所以稱其為超環面機電傳動機構。蝸桿環面上均勻分布螺旋槽，槽內安放電磁線圈，行星輪圓周上均勻安放弧形永磁體，環面定子內環面上均勻安置螺旋形永磁體。
與現有的超環面行星傳動相比，它不僅具有環面蝸桿傳動震動小、嚙合齒數多、結構緊湊、體積小、重量輕、承載力高、傳動功率及傳動比范圍廣和傳動效率高的優點，它在工作時，是用磁場力替代嚙合力，具有無嚙合、無和效率高等優點。超環面行星蝸桿傳動機構在工作時需要配帶電動機，而超環面機電傳動機構不需要配帶電動機。
在超環面行星蝸桿傳動的加工制造方面，國內外的專家、學者一直在進行著不停的研究和探索。我國武漢水運工程學院陳定方教授、哈爾濱工業大學姚立綱博士都對該種傳動的制造加工進行了深入的研究。燕山大學許立忠教授于1999年制成國內首臺滾錐齒超環面傳動試驗樣機，進行了臺架實驗，并取得良好的試驗效果[6]，之后又對滾錐齒超環面行星蝸桿傳動進行了優化設計，有效的減小了樣機的體積和質量[7]。
實踐證明， 超環面機電傳動機構有著其他機構所不具備的很多優點。隨著永磁傳動技術的快速發展，用磁力線嚙合代替機械嚙合成為解決摩擦損耗的一個新思路。在實際的加工生產過程中，電動機可以有效的將電能轉化為機械能，通常也作為驅動的目的使用，磁性是電動機工作的基礎。
電動機是工業中的重負荷機器，有很多類型的電動機，每種類型的電動機都有自己各自的特征和優點。有些電動機是以恒定速度運行的，還有一些電動機會隨著負載的增加，在速度上有一定的滑落，而另一些則會由于負載的原因使其速度大幅度降低。
如圖1所示為超環面傳動機構簡圖，該機構由定子0、行星輪1、中心蝸桿2和行星架3組成。也正是由于在結構上它具有蝸桿2上一個外環面和定子0上一個內環面兩個環面的原因才稱之為超環面傳動。
中心蝸桿2環面上均勻分布螺旋槽，槽內安放電磁線圈，行星輪1圓周上均勻安置弧形永磁體，環形定子0內環面上均勻安置螺旋形永磁體。由電機學和永磁理論可知在工作的時候，中心蝸桿2由硅鋼片疊加而成，外表纏有電磁線圈，接通三相交流電產生空間旋轉電磁場，驅動行星輪自轉和公轉，定子處也有磁場力驅動行星輪公轉。
永磁行星輪齒N、S極相間、均勻地嵌在行星輪的圓周上。螺旋定子由若干個鋼材或者永磁體制成的空間螺旋梁組成。螺旋梁均勻的嵌在定子支架上，用于吸引行星輪齒沿軌跡運動。
由于該系統是傳統意義上的驅動系統和減速增矩系統的集成，因此該傳動機構結構緊湊，可以在很小的空間內傳遞很大的扭矩，特別適合于航空和航天等尖端技術領域以及坦克潛艇等重要軍事領域。
超環面機電傳動機構傳動部分，如圖2所示，主要包括電樞蝸桿、永磁行星輪、永磁定子及行星架等部件。超環面機電傳動蝸桿由鐵心和電樞組成，蝸桿結構為由開口的硅鋼片疊加而成，以便于減少渦流損耗，硅鋼片中間由一根芯軸固定，外面呈現超環面的內環面部分。開口按一定的規律在內環面上加工出電樞槽，用以安放電樞導線。
超環面機電傳動系統是在超環面行星蝸桿傳動的基礎上，對各個組成零件進行機電組合而得到。行星輪仍然是該傳動的中心構件，根據行星輪的結構及運動特點，行星輪結構采用永磁勵磁方式，永磁勵磁與電流勵磁相比，不需要勵磁電流，不設電樞導線，結構簡單，使用方便，可靠性高，在一定范圍內，可以具有比電磁式更小的體積和重量，從而減小整個傳動機構的重量和體積。
超環面機電傳動機構在行星輪圓周上安置永磁體，N、S極由隔磁材料隔開，齒數為偶數，形成永磁行星輪；為了能更好地控制輸入轉矩，蝸桿采用電流勵磁方式，三相交流電樞均勻地嵌于蝸桿表面，通過控制三相交流電的頻率和強弱，進而控制整個機構的轉速和力矩，電樞的纏繞方式取決于需要的磁極數目和行星輪齒數，在整體結構上類似于電動機的定子結構；為了獲得較大的輸出力矩，定子也采用稀土永磁勵磁，結構簡單， 便于加工， 解決了超環面行星蝸桿傳動定子加工難的問題。
在超環面機電傳動機構中， 分別存在兩個磁回路， 對應于蝸桿與行星輪嚙合和定子與行星輪嚙合， 從原理上來說蝸桿與行星輪嚙合相當于電動機， 蝸桿線圈通電產生旋轉磁場帶動行星輪轉動， 這樣行星輪上磁極的磁力線通過氣隙到達蝸桿旋轉磁場磁極， 蝸桿由硅鋼片疊加而成， 磁力線通過硅鋼片到達蝸桿的另一磁極，經過氣隙回到行星輪磁極， 經過行星輪體完成磁力線的閉合。
超環面機電傳動系統的主要優點就是能實現系統的內部減速，可以實現較大的傳動比。我們把系統的傳動比定義為：輸入的旋轉電磁場的轉速與輸出軸轉速之比[1]。超環面機電傳動的傳動比計算分成兩種情況：環面定子固定和行星架固定。
磁齒輪的嚙合與普通齒輪的嚙合有根本的不同，普通齒輪嚙合時，靠接觸線或接觸點，通過接觸處材料的彈力傳遞機械力， 實現傳動；而磁齒輪嚙合實際上是兩個磁極的正對面相互對齊，靠彼此之間的磁力作用傳遞運動。根據電磁理論，電樞合力方向為齒槽面的法線方向，可分解為三個相互垂直方向的作用力，使行星輪發生自轉和公轉，帶動行星架轉動， 實現運動的輸出。
行星輪受力分析如圖3示，中心蝸桿表面上均勻排布N 極、S 極間隔的稀土永磁體， 定子的內環面上也均勻排布N 極、S極間隔的螺旋形稀土永磁體。當中心蝸桿的電樞接通三相交流電時， 在其周圍將產生旋轉磁場，行星輪在蝸桿和環面定子兩處將受到磁場力的共同作用，在這兩處磁場力的共同作用之下， 行星輪將在自轉的同時還繞中心蝸桿軸線公轉，支撐行星輪的行星架將在行星輪的驅動之下作自轉運動， 行星架的自轉運動就是該機構的輸出運動。
設行星輪輪齒在任一轉角ψi處與中心蝸桿嚙合， 即行星輪上一個永磁體與蝸桿旋轉磁場在這個位置有磁場力作用。Fni表示此刻行星輪受到的磁場力，即法向力。Fai和Fti分別表示其軸向分力和切向分力。在超環面機電傳動機構中， 行星輪上永磁體與蝸桿間氣隙非常小，如果把行星輪上均勻分布的永磁體當量為一段通電導體， 這個當量通電導體可以近似認為與中心蝸桿電磁場平行。那么可以得到中心蝸桿與行星輪之間的磁力作用， 如圖3所示的法向力Fni，即：
（1）
式中： Fni――中心蝸桿與行星輪之間的法向力N；
B――中心蝸桿旋轉磁場與行星輪永磁體磁場的合磁場強度， T；
L――行星輪上均勻分布永磁體的有效長度，mm；
Id――行星輪永磁體磁場當量電流強度， A 。
切向分力Fti提供行星輪自轉驅動力矩Ti， 軸向分力Fai驅動行星輪公轉， 行星輪自轉的同時要與定子嚙合。定子上螺旋分布的永磁體與行星輪上均勻分布的永磁體產生磁力， 這個磁力與在蝸桿處受到的磁力一樣， 可以分解為一個軸向分力F’ai和一個切向分力F’ti。F’ti施加行星輪自轉阻力矩T’1。T1與T’1大小相等。
超環面機電傳動機構中，行星架與所有行星輪中心軸連在一起，所有行星輪的公轉力矩共同形成行星架的輸出力矩。對于每一個行星輪，它的公轉力矩分為兩個部分，一部分是蝸桿處的軸向力對蝸桿中心軸形成的力矩，另外一部分是定子處的軸向力形成的力矩。這兩部分力矩共同形成一個行星輪的公轉力矩Tni。即：
（2）
式中，φ1――蝸桿嚙合點處的位置角，rad；
ψ1 ――定子嚙合點處的位置角，rad；
a――蝸桿與行星輪的中心距，mm。
超環面機電傳動機構輸出力矩具有以下特征：
1、輸出力矩與行星輪個數m，合磁場強度B，永磁體當量電流強度Id，行星輪永磁體的有效長度L，行星輪半徑R等因素成正比的關系。
2、當其他因素相同，改變行星輪齒數將改變嚙合時中心蝸桿對行星輪包圍的齒數，以及包圍齒數突變點的位置。但是，輸出力矩并不是隨著行星輪齒數的增加而增加的，因為行星輪齒數的增加并不一定能增加行星輪與中心蝸桿的嚙合。
桿上齒槽分布情況確定以后，線圈具體的纏繞方式可以參考電機繞組的纏繞方式。由于蝸桿布線槽形狀比較復雜，為提高齒槽的利用率，使繞線嵌線方便， 蝸桿繞組一般采用單層型式、鏈式繞組。
根據環面蝸桿與行星輪的嚙合情況，電樞分布有兩種形式：行星輪齒完全嚙合，和蝸桿齒完全嚙合兩種情況。無論采取何種嚙合方式最終產生的電磁齒與行星輪的齒都存在一定的嚙合關系。隨著a/R的增加，蝸桿電樞和定子梁的螺旋角減小，行星輪與蝸桿之間的嚙合齒數增加；隨著極對數的增加，蝸桿電樞和定子梁的螺旋角增加，極對數越多嚙合點也越多。
n=0時，表示行星輪和蝸桿全部完全嚙合。螺旋角的表達式可以統一，根據超環面機電傳動系統的正確嚙合條件方程式，可知超環面機電傳動必須滿足以下表達式：
（3）
中心蝸桿的極對數是成對出現的，有一個N極就必然有一個S極與其對應。所以中心蝸桿的齒數可以用極對數p表示，即Z2=2p，p取自然數。所以當中心蝸桿每增加一對極，通過行星輪與之嚙合的定子齒數就應增加兩個。用Z0表示定子齒數，可得定子齒數與極對數存在如下關系：
（4）
其中，p為環面蝸桿極對數，λ0為環面定子的螺旋角，λ2為蝸桿齒槽螺旋角，N為包含0的正整數。
綜上所述，可以得出tanλ2，tanλ0，p和Z1四者之間的關系，在實際計算過程中由于行星輪轉角Φ1一直在變化，所以定子梁螺旋角和電樞螺旋角也一定隨之變化，但是變化幅度很小，因此螺旋角通常取平均值代替。
機械傳動在機械工程領域中占有重要的地位，隨著機械工業的發展，越來越需要集成化的傳動機構。本論文提出了一種新型復合傳動機構―超環面機電傳動機構，并對該機構從驅動機理、嚙合分析、傳動比分析及結構參數選擇與設計等方面進行了研究，不僅具有重要的理論意義，而且具有重要的實用價值。
參考文獻
[1] 孫志禮，冷興聚，魏嚴剛等主編 機械設計.沈陽：東北大學出版社2000.
【關鍵詞】伺服系統；永磁同步電機；直流無刷電機
一、概述
從70年代后期到80年代初期，隨著微處理技術，大功率高性能半導體功率器件技術和電機永磁材料制造工藝的發展，其性能價格比的日益提高，交流伺服技術－交流伺服電機和交流伺服控制系統逐漸成為主導產品。目前，高性能的伺服系統大多采用永磁同步型交流伺服電機，永磁同步電機交流伺服系統在技術上已趨于完全成熟，具備了十分優良的低速性能并可實現弱磁高速控制，能快速、準確定位的控制驅動器組成的全數字位置伺服系統。并且隨著永磁材料性能的大幅度提高和價格的降低，特別是釹鐵硼永磁的熱穩定性和耐腐蝕性的改善和價格的逐步降低以及電力電子器件的進一步發展，加上永磁電機研究開發經驗的逐步成熟，經大力推廣和應用已有研究成果，其在工業生產領域中的領域也越來越廣泛，正向大功率化（高轉速、高轉矩）、高功能化和微型化方面發展。
二、永磁同步電機伺服系統的基本結構
永磁同步電機伺服系統除電機外，系統主要包括驅動單元、位置控制系統、速度控制器、轉矩和電流控制器、位置反饋單元、電流反饋單元、通訊接口單元等。
1．永磁式交流同步伺服電機。永磁同步電機永磁式同步電機具有結構簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高的特點。和直流電機相比，它沒有直流電機的換向器和電刷等需要更多維護給應用帶來不便的缺點。相對異步電動機而言則比較簡單，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉子參數可測、控制性能好，但存在最大轉矩受永磁體去磁約束，抗震能力差，高轉速受限制，功率較小，成本高和起動困難等缺點。與普通同步電動機相比，它省去了勵磁裝置，簡化了結構，提高了效率。永磁同步電機矢量控制系統能夠實現高精度、高動態性能、大范圍的調速或定位控制，因此永磁同步電機矢量控制系統引起了國內外學者的廣泛關注。
2．驅動單元。驅動單元采用三相全橋自控整流，三相正弦PWM電壓型逆變器變頻的AC-DC-AC結構。設有軟啟動電路和能耗泄放電路可避免上電時出現過大的瞬時電流以及電機制動時產生很高的泵升電壓。逆變部分采用集驅動電路，保護電路和功率開關于一體的智能功率模塊(IPM)。
3．控制單元?？刂茊卧钦麄€交流伺服系統的核心， 實現系統位置控制、速度控制、轉矩和電流控制器。具有快速的數據處理能力的數字信號處理器(DSP)被廣泛應用于交流伺服系統，集成了豐富的用于電機控制的專用集成電路，如A/D轉換器、PWM發生器、定時計數器電路、異步通訊電路、CAN總線收發器以及高速的可編程靜態RAM和大容量的程序存儲器等。
4．位置控制系統。對于不同的信號，位置控制系統所表現出的特性是不同的。典型的輸入信號有三種形式:位置輸入（位置階躍輸入）、速度輸入（斜坡輸入）以及加速度輸入（拋物線輸入）。位置傳感器一般采用高分辨率的旋轉變壓器、光電編碼器、磁編碼器等元件。旋轉變壓器輸出兩相正交波形，能輸出轉子的絕對位置，但其解碼電路復雜，價格昂貴。磁編碼器是實現數字反饋控制性價比較高的器件，還可以依靠磁極變化檢測位置，目前正處于研究階段，其分辨率較低。
5．接口通訊單元。接口包括鍵盤/顯示、控制I/O接口、串行通信等。伺服單元內部及對外的I/O接口電路中，有許多數字信號需要隔離。這些數字信號代表的信息不同，更新速度也不同。
三、對當前兩種不同的永磁同步電機伺服系統的分析
由于轉子磁鋼的幾何形狀不同，當轉子旋轉時，在定子上產生的反電動勢波形就有兩種：一種為正弦波；另一種為梯形波。這樣就造成同步電動機在原理、模型及控制方法上有所不同，為了區別由它們組成的永磁同步電動機交流調速系統，習慣上又把正弦波永磁同步電動機組成的調速系統稱為正弦型永磁同步電動機（PMSM）調速系統；而由梯形波（方波）永磁同步電動機組成的調速系統，在原理和控制方法上與直流電動機系統類似，故稱這種系統為無刷直流電動機（BLDCM）調速系統。
PMSM不需要勵磁電流，在逆變器供電的情況下不需要阻尼繞組，效率和功率因素都比較高，體積也較同容量的異步機小。PMSM通常采用矢量控制和直接轉矩兩種控制方式。矢量控制借助與坐標變換，將實際的三相電流變換成等效的力矩電流分量和勵磁電流分量，以實現電機的解耦控制，控制概念明確；而直接轉矩控制技術采用定子磁場定向，借助于離散的兩點是調節，直接對逆變器的開關狀態進行最佳控制，以獲得轉矩的高動態性能，其控制簡單，轉矩響應迅速。PMSM的矢量控制系統能夠實現高精度、高動態性能、大范圍的速度和位置控制，但是它的傳感器則給調速系統帶來了諸如成本較高、抗干擾性和可靠性不強、電動機的軸向尺寸較長等缺陷。另外，PMSM轉子磁路結構不同，則電動機的運行特性、控制系統等也不同。根據永磁體在轉子上的位置的不同，永磁同步電動機主要可分為：表面式和內置式。在表面式永磁同步電動機中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉子鐵心的外表面上，這種電機的重要特點是直、交軸的主電感相等；而內置式永磁同步電機的永磁于轉子內部，永磁體外表面與定子鐵心內圓之間有鐵磁物質制成的極靴，可以保護永磁體。這種永磁電機的重要特點是直、交軸的主電感不相等。
轉貼于
BLDCM組成的伺服系統具有轉速平滑，響應快，易于控制等特點，但若按照常規的控制方法，其轉速直接與電壓相關，易受電源波動和負載波動的影響。BLDCM類似于PMSM轉子上也有永磁磁極，定子電樞需要交變電流以產生恒定轉矩，其主要區別是前者的反電勢為梯形波，而后者的反電勢為正弦波。但由于電磁慣性，BLDCM的定子電流實際上為梯形波，而無法產生方波電流，并由集中繞組供電，所以BLDCM較PMSM脈動力矩大。在高精度伺服驅動中，PMSM有較大競爭力。另一方面，PMSM單位電流產生的力矩較BLDCM單位電流產生的力矩小。在驅動同容量的電動機時，PMSM所需逆變器容量大并且需要控制電流為正弦波，開關損耗也大很多。
PMSM的交軸電抗和直軸電抗隨電機磁路飽和等因素而變化，從而影響輸出力矩的磁阻力矩分量。PMSM對參數的變化較BLDCM敏感，但當PMSM工作于電流控制方式時，磁阻轉矩很小，其矢量控制系統對參數變化的敏感性與BLDCM基本相同。當電機轉速較高，無刷直流電機反電勢與直流母線電壓相同時，反電勢限制了定子電流。而永磁同步電機能夠采用弱磁控制，因此具有較大的調速范圍。
四、永磁同步電機伺服系統的國內外發展現狀
早期對永磁同步電機的研究主要為固定頻率供電的永磁同步電機運行特性的研究，特別是穩態特性和直接起動性能的研究。V.B.Honsinger和M.A.Rahman等人對永磁同步電機的直接起動方面做了大量的研究工作。在上個世紀八十年代國外開始對逆變器供電的永磁同步電機進行了深入的研究，其供電的永磁同步電機與直接起動的永磁同步電機的結構基本相同，但多數情況下無阻尼繞組。并在該時期發表了大量的有關永磁同步電機數學模型、穩態特性、動態特性的研究論文。A.V.Gumaste等研究了電壓型逆變器供電的永磁同步電動機穩態特性及電流型逆變器供電的永磁同步電動機穩態特性。
隨著對永磁同步電機調速系統性能要求的不斷提高，G.R.Slemon等人針對調速系統快速動態性能和高效率的要求，提出了現代永磁同步電機的設計方法?？稍O計出高效率、高力矩慣量比、高能量密度的永磁同步電機。
近年來微型計算機技術的發展，永磁同步電動機矢量控制系統的全數字控制也取得了很大的發展。D.Naunin等研制了一種永磁同步電動機矢量控制系統，采用了十六位單片機8097作為控制計算機，實現了高精度、高動態響應的全數字控制。八十年代末，九十年代初B.K.Bose等發表了大量關于永磁同步電動機矢量控制系統全數字控制的論文。
九十年代初期，R.B.Sepe首次在轉速控制器中采用自校正控制。早期自適應控制主要應用于直流電機調速系統。劉天華等也將魯棒控制理論應用于永磁同步電機伺服驅動。自適應控制技術能夠改善控制對象和運行條件發生變化時控制系統的性能，N.Matsui，J.H.Lang等人將自適應控制技術應用于永磁同步電機調速系統。仿真和實驗結果表明，自適應控制技術能夠使調速系統在電機參數發生變化時保持良好的性能?；Ｗ兘Y構控制 由于其特殊的“切換”控制方式與電機調速系統中逆變器的“開關”模式相似，并且具有良好的魯棒控制特性，因此，在電機控制領域有廣闊的應用前景。
隨著人工智能技術的發展，智能控制已成為現代控制領域中的一個重要分支，電氣傳動控制系統中運用智能控制技術也已成為目前電氣傳動控制的主要發展方向，并且將帶來電氣傳動技術的新紀元。目前，實現智能控制的有效途徑有三條：基于人工智能的專家系統（ExpertSystem）;基于模糊集合理論（FuzzyLogic）的模糊控制；基于人工神經網絡（ArtificialNeuralNetwork）的神經控制。B.K.Bose等人從八十年代后期一直致力于人工智能技術在電氣傳動領域的應用，并取得了可喜的研究成果。
參考文獻
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[2]高性能交流永磁同步電機伺服系統現狀[J]．自動化控制系統，2007．
[3]劉嘉亮．交流永磁同步電動機伺服系統[J]．
關鍵詞：電動物流汽車；電機；現狀與趨勢
中圖分類號：F253.9 文獻標識碼：A
Abstract： With the development of China's express delivery business blowout， a rapid growth in the number of logistics vehicles. In the context of energy constraints， environmental pollution， our government put the development of electric vehicles as a logistics solution to energy and environmental problems and realize the sustainable development of one of the major initiatives， the auto production enterprises will also electric car logistics as an important strategic direction grab the commanding heights of the auto industry in the future， the key components of the motor for electric vehicle logistics is currently using more ac asynchronous motor， permanent magnet synchronous motor and switched reluctance motor， the motor has advantages and disadvantages of each. From the angle of technological development， permanent magnetic motor will be a development trend. At the same time， from the point of automotive electrical installation convenience， etc， will be electric logistics hub motor car driving mode of the ideal.
Key words： electric automobile logistics； the motor； current situation and trend
動物流汽車是新能源汽車中發展較快的一個類型。新能源汽車用的驅動電機要滿足頻繁啟/停、加減速，爬坡或低速時能提供較大轉矩，在高速行駛時提供小轉矩高轉速，而且變速范圍要寬。由于新能源汽車車載能源為動力電池，容量有限，為獲得最大的行駛里程，大多數車輛都采用了能量回饋技術，即在汽車制動時，通過控制器將車輪損耗的動能反饋到電池中，并使電機處于發電狀態，將發出的電輸送到電池中[1]。因此，電動汽車的驅動機不能單純的稱為電動機，而應稱為電機。
科技部要求新能源汽車技術研發將重點圍繞電機驅動與電力電子、動力電池與電池管理等6個技術方向展開。考核指標為電機控制器峰值功率密度≥17kW/L，最高效率≥98.5%，匹配電機額定功率20kW至60kW，功能安全滿足ISO26262標準ASCIL C級的要求，設計壽命達到15年或40萬公里；裝車應用≥10 000套[2]。
1 電動物流汽車對電機的要求
與工業生產機械、家用電器等的電機相比，電動物流汽車用驅動電機的工作比較特殊：
（1）電機工況復雜：電動汽車經常啟停、加減速、上下坡等，電機的輸出轉矩和功率變化頻繁。
（2）電機在沖擊、振動的環境下工作：電動汽車的顛簸和振動都會傳遞給電機，此外，電機還要承受汽車在緊急制動、急轉彎、急加速時的慣性力。
（3）車載電源能量有限：電動汽車的電源能源是有限的，當能量用盡時，需要停止運行，進行充電或添加燃料來恢復其消耗的能量。
（4）電機本身也是負載：電機及其控制器本身的質量也是車輛質量的一部分。
與工業用電機相比，針對電動物流汽車的驅動特點所設計的電機有著特殊的性能要求：
（1）電動物流汽車驅動電機要滿足頻繁的啟停、加減速、轉矩控制的動態性能要求較高，電機要有自動調速功能，能減輕使用者的操作強度，提高駕駛的舒適性，并且控制響應能達到與燃油車油門踏板同樣的要求。
（2）在允許范圍內盡量采用高電壓，可減小電機和逆變器及其它裝備的尺寸。
（3）為了減少整車的重量，通常取消多級變速器，這就要求在低速或爬坡時，電機可以提供較高的轉矩，通常來說要能夠承受4～5倍的過載。
（4）調速范圍要寬，還需要在整個調速范圍內保持較高的運行效率。
（5）電機設計時盡量設計為高額定轉速，同時盡量采用鋁合金外殼，各種控制器裝備的質量和冷卻系統的質量等也要求盡可能小，有利于減少電動汽車的重量。
（6）電動汽車應具有最優化的能量利用，具有制動能量回收功能，再生制動回收的能量一般要達到總能量的10%～20%。
（7）電機工作環境較差，要求電機要有很好的可靠性、耐高低溫和耐潮性好、噪聲低運行，同時還要保證電機的制造成本低。
（8）為保證安全，需要安裝高壓保護設備。
（9）結構要簡單以便于維修，價格還要低廉。
2 電動物流汽車常用電機類型
直流電機、交流異步電機、永磁同步電機和開關磁阻電機是電動物流汽車常用的動電機。直流電機應用最早，這種電機的特點是控制性能好、成本低，但其重量過大、效率低、電刷和滑環的存在增加維護成本，尤其是電刷的磨損會帶來安全隱患。
電動物流汽車對車用電機的要求不斷提出新的要求，隨著電控、機械制造和材料等技術的進步，交流異步電機、永磁同步電機和開關磁阻電機的性能將更為優越，是目前應用較為廣泛的電動物流汽車用電機。電動物流汽車常用電機的性能和優缺點比較及應用車型如表1、表2所示。
3 電動物流汽車用電機發展趨勢
3.1 永磁同步電機
由于永磁同步電機效率高、轉矩密度高、高效區寬、調速范圍寬、重量輕等優點，電機永磁化是未來電機的發展趨勢之一[4]。
3.2 輪轂電機
輪轂電機技術又稱為車輪內裝式電機技術，是一種將電機、傳動系統和制動系統融為一體的輪轂裝置技術。輪轂電機可采用永磁無刷、直流無刷、開關磁阻等電機類型。由于電機處于車輪輪轂內，受體積限制，要求電機為扁形結構，即電機短而粗。
輪轂電機具有：更方便的底盤布置，更靈活的供電系統，更好的汽車底盤主動控制性能，最優的驅動力分配等技術優點。
由于采用了電動輪驅動的形式，沒有了機械傳動系，使車廂的空間更大，底盤布置更靈活，底盤通用性增強。同時，汽車的電源供電系統無論是采用燃料電池、超級電容或者蓄電池，或者是它們的組合，都不受限制，原來的機械硬連接動力傳動形式也變為電纜進行供電的軟連接形式。
輪轂電機的控制響應快、精度高，并且每個驅動輪由各自的控制器控制，可以實現最理想的控制效果。輪轂電機也有比如密封和起步電流/扭矩間的平衡關系，以及轉向時驅動輪的差速問等題，但從電機驅動技術的特點和發展趨勢來看，輪轂電機將是電動物流汽車最理想的驅動方式。
4 結束語
2015年，我國快遞業務總量達到211億件，同比增長54%，相比去年提高8%。隨著整個快遞業務量的爆發，物流車輛的增長數量也得到了快速增長。在能源制約、環境污染等大背景下，我國政府把發展電動物流汽車作為解決能源及環境問題、實現可持續發展的重大舉措之一，各汽車生產企業也將電動物流汽車作為搶占未來汽車產業制高點的重要戰略方向[5]。在政府與企業的共同努力下，我國電動物流汽車近幾年展現出良好的發展勢頭。電機作為電動物流汽車上的關鍵零部件，其技術、產品品質等還要提升，行業標準還不完善，整個行業還處于起步階段，關鍵技術方面還落后于發達國家。因此，加快新一代電機等技術研發，已成為我國“十三五”規劃的重點突破方向。
參考文獻：
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[3] 陳藝端. 改進轉子結構互感耦合開關磁阻電機性能的研究[D]. 北京：北京交通大學（碩士學位論文），2014.
【關鍵詞】永磁同步電機;恒壓頻比開環控制;矢量控制;直接轉矩控制
1.引言
近年來，隨著電力電子技術、新型電機控制理論和稀土永磁材料的快速發展，永磁同步電動機得以迅速的推廣應用。永磁同步電動機具有體積小，損耗低，效率高等優點，在節約能源和環境保護日益受到重視的今天，對其研究就顯得非常必要。因此。這里對永磁同步電機的控制策略進行綜述，并介紹了永磁同步電動機控制系統的各種控制策略發展方向。
2.永磁同步電機的數學模型
永磁同步電機（PMSM）的永磁體和繞組，繞組和繞組之間的相互影響，電磁之間的關系十分復雜，由于磁路飽和等非線性因素，建立精確的數學模型是很困難的。為了簡化PMSM的數學模型，我們通常作如下的假設：
（1）磁路不飽和，電機電感不受電流變化影響，不計渦流和磁滯損耗;
（2）忽略齒槽、換相過程和電樞反應的影響;
（3）三相繞組對稱，永久磁鋼的磁場沿氣隙周圍正弦分布;
（4）電樞繞組在定子內表面均勻連續分布;
（5）驅動二極管和續流二極管為理想元件;
（6）轉子磁鏈在氣隙中呈正弦分布。
對于永磁同步電機來說，即用固定轉子的參考坐標來描述和分析其穩態和動態性能是十分方便的。此時，取永磁體基波勵磁磁場軸線即永磁體磁極的軸線為d軸，而q軸逆時針方向朝前90o電角度。d軸與參考軸A之間夾角為。圖1為永磁同步電機（PMSM）矢量圖。
圖1 PMSM空間向量圖
Fig.1 Space vector diagram of PMSM
根據圖1所示向量圖進行坐標變換，滿足功率不變原則，得到在旋轉坐標系下PMSM的數學模型方程如下
（1）電壓方程
由三相靜止軸系ABC到同步旋轉軸系dq的變換得：
（1）
，Rs為定子相電阻，其中：
。
（2）磁鏈方程
（2）
式中為轉子（永磁體）在dq軸的磁鏈，，ud、uq，id、iq和、分別為dq軸的電流、電壓和磁鏈。、為dq軸的電感。
（3）轉矩方程
電磁轉矩的表達式為：
（3）
pn為極對數，定子磁鏈空間矢量，is為定子電流空間矢量。
3.恒壓頻比開環控制（VVVF）
恒壓頻比開環控制（VVVF）是為了得到理想的永磁同步電機轉矩-速度特性，基于在改變電源頻率進行調速的同時，又要保證電動機的磁通不變的思想而提出的。 按照這種控制策略進行控制，使供電電壓的基波幅值隨著速度指令成比例的線性增長，從而保持定子磁通的近似恒定。VVVF控制策略簡單，易于實現，轉速通過電源頻率進行控制。但同時，由于系統中不引入速度、位置等反饋信號，因此無法實時捕捉電機狀態，致使無法精確控制電磁轉矩：在突加負載或者速度指令時，容易發生失步現象;也沒有快速的動態響應特性。因此，恒壓頻比開環控制電機磁通而沒有控制電機的轉矩，控制性能差。通常只用于對調速性能要求一般的通用變頻器上。
4.矢量控制（VC）
七十年代中期，德國學者提出“交流電機磁場定向的控制原理”，即用矢量變換的方法研究交流電機的動態控制規律。矢量控制理論采用矢量分析的方法來分析交流電機內部的電磁過程，是建立在交流電機的動態數學模型基礎上的控制方法。它模仿對直流電機的控制技術，將交流電機的定子電流解禍成互相獨立的產生磁鏈的分量和產生轉矩的分量。分別控制這兩個分量就可以實現對交流電機的磁鏈控制和轉矩控制的完全解禍，從而達到理想的動態性能。使交流傳動的動、靜態特性有了顯著的改善，開創了交流傳動的新紀元。矢量控制是目前高性能交流電機調速系統所采用的主要控制方法，具有很好的動態性能。然而這種控制技術本身還是存在一些缺陷的，受電機參數影響較大，由于電機參數在不同運行情況與環境的多變性，所以系統魯棒性不強;矢量控制的根本是實現類似直流電機的控制，因此需要進行復雜的解耦運算，增加了信號處理工作負荷，要求更高的硬件處理器配合;
5.直接轉矩控制（DTC）
1985年德國學者M.DepenBrock教授首次提出了磁鏈采用六邊形控制方案的直接轉矩控制理論。該方法只是在定子坐標系下分析交流電機的數學模型，強調對電機的轉矩進行直接控制，省掉了矢量旋轉變換等復雜的變換和計算。其磁場定向所用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來。因此，DTC大大減少了矢量控制技術中控制性能易受參數變化影響的問題，很大程度上克服了矢量控制的缺點。
轉差角頻率越大，轉矩越大。轉差角頻率增加，轉矩也增加。說明異步電機的轉矩和轉矩增長率都可以通過控制定子磁場對轉子的角頻率來控制。也就是說，異步電機DTC是建立在電機轉差角頻率控制的理論基礎上的。而同步電機并不存在這種轉差角頻率，正是由于這個原因，DTC策略在同步電機上沒有能夠快速地得到應用。直到1996年英國的French.C和Acarnley .P發表了關于PMSM的DTC的論文，1997年由澳大利亞的Zhong L， Rahman.M.T教授和南航的胡育文教授等合作提出了基于PMSM的DTC方案，初步解決了DTC控制策略在PMSM上應用的理論基礎。有了這個理論基礎，PMSM的DTC控制也成了眾多學者研究的一個熱點。
就目前而言，永磁同步電機控制的直接轉矩控制摒棄了矢量控制解耦的思想，將轉子磁通定向更換為定子磁通定向，通過控制定子磁鏈的幅值以及磁通角，達到控制轉矩的目的，具有控制手段直接、結構簡單高效、控制性能優良、動態響應迅速的特點。直接轉矩控制在克服了矢量控制弊端的同時，這種粗獷式控制方式也暴露出固有的缺陷。首先控制器采用Bang-Bang控制，實際轉矩必然在上下限內脈動;再者調速范圍受限。在低速時，轉矩脈動會增加，而且定子磁鏈觀測值會不準。另外，電機參數的時變對直接轉矩控制也有影響。
6.結論
本文所闡述的永磁同步電機的控制方式是最基本的三種控制方式。通過文中的闡述，可以看出每種控制方式都有其利弊，可以根據設備的應用環境工況來選擇設備的控制方法。
同時隨著控制理論的不斷發展，學者們采用智能控制策略，如最優控制、遺傳算法、模糊控制等方法，用來克服每種控制方式的弊端，使得永磁同步電機的應該更加廣泛，充分發揮其體積小，損耗低，效率高等優點。
參考文獻
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關鍵詞：低壓真空斷路器；雙穩態永磁操作機構；真空滅弧室參數；實體模型；有限元分析
中圖分類號：TM153 文獻標識碼：A
1 引言
低壓斷路器廣泛應用于低壓配電路中，它不僅擔負著反復地接通與斷開低壓配電電路，而且當電路發生過載、短路等故障時可以立刻動作，斷開電路。
近年來，隨著技術的發展一些基于真空滅弧室的低壓斷路器相繼出現，但其操動機構基本上是傳統的彈簧或電磁操動機構。由于在低壓電器中80%的故障都是機械故障。而彈簧操動機構則是靠機械傳動，零部件數量多，傳動結構復雜，發生故障的概率很高，所以減少機械部件成為減少故障問題的主要方法。
永磁操動機構作為一種新型真空斷路器的操作機構，零部件少，運動部件只有一個動鐵心，所以大大降低了故障源，幾乎不存在可靠性的問題、免維護，而且它的出力特性與反力特性配合良好，已經普遍應用于中、高壓領域。本文設計一種配合低壓真空滅弧室的雙穩態永磁操動機構。對幾種不同結構的雙穩態永磁操動機構的電磁吸力特性進行分析。
2 設計模型
2.1 四種不同的結構設計
對電壓等級不同的真空斷路器，由于所帶負載、傳動機構的不同，動鐵心受永磁體的力也不相同，機構的分、合閘動作的時間（分合閘時間）、速度（分合閘速度）也不相同，因此永磁操動機構的結構形式、性能參數也不相同。所以，不同的斷路器，根據情況的不同需配備不同結構形式的永磁操動機構。在設計結構前，首先應該對結構、參數和能耗進行分析計算，使其均達到目標要求。由此本文提出了結構形式不同的四種雙穩態永磁操作機構：（a）永磁體緊靠動鐵心，（b）永磁體緊靠動鐵心，但由于在氣隙下面加了極靴，因此整個動鐵心的長度減小，但是動鐵心的行程與（a）保持相同，（c）永磁體緊靠靜鐵心，（d）永磁體占滿整個磁軛部分。
2.2 雙穩態永磁操動機構工作原理
雖然結構各不相同，但工作原理卻一致，以（a）為例說明。
假設開始時斷路器位于合閘的狀態，那么動鐵心處于操動機構的頂部。所以機構上端空氣隙小磁阻小，下端空氣隙大磁阻大，因此由永磁體所產生的磁力線絕大部分都通過上部磁路，將動鐵心吸合在合閘位置。
當對斷路器進行分閘操作時，只需在分閘線圈中通過大小適當的電流，而這一電流產生的磁力線和靜鐵心上部的磁力線方向完全相反，起到抵消的作用。但是分閘線圈在中部產生的磁力線方向與永磁體在中部產生的磁力線方向卻一致。因此動鐵心受到的向上的電磁吸力逐漸減小，當分閘線圈中的電流增大到一定程度時，動鐵心所受到的電磁吸力之和大于動鐵心上的負載，此時動鐵心將會向下運動。
當動鐵心開始向下運動時，其機構頂端與靜鐵心的上面的磁極之間的空氣隙會越來越大，進而使上面的磁阻逐步增大，而下面的磁阻則會慢慢變小。并且向下運動的過程中伴有電流的增大，使動鐵心受的向下的合力增大，進而使得整個動鐵芯加速向下運動。當動鐵芯到達底部會被永磁體所吸合，此時即使斷開分閘線圈中的電流，動鐵心依舊會維持在機構的底部即分閘狀態。
合閘過程與分閘過程完全相似；這里不再敘述。
3 理論分析及計算
以上的公式說明任何磁場都可當作由分布電流產生，根據經驗永磁體有以下兩種電流模擬的方法：
（1）永磁體整個區域內部充滿電流的模型（體電流模型）。
（2）永磁體外部邊界上存在的電流的模型（面電流模型）。
4 仿真及優化設計
永磁操動機構的分、合閘操作以及位置維持依賴于機構內部的磁場變化來實現，所以對機構中的磁場變化進行研究具有重要意義。根據經驗和實際理論計算出的尺寸進行實體建模并做如下仿真。
（1）未通電情況下，永磁體單獨作用的磁通分布可以說明其工作原理。由于下面的磁路的空氣隙使磁阻很大，所以此時磁通幾乎都通過上面的磁路。
（2）當接收到分閘命令后，分閘線圈中開始通電，線圈產生的磁場使動鐵心下面的磁場變強。隨著電流的不斷增強，動鐵心受線圈產生向下的吸力變大，此力與永磁體產生的電磁吸力相反。使動鐵心受到的向上電磁吸力越來越小。
（3）通過對不同電流等級的磁力線分布獲得不同結構下的電磁力之和，通過分析結果進而做出優化選擇。由于優化是又一個深入的課題，再次就不加以論述。
結論
根據以上實驗數據，可以得出：
（1）當分、合閘線圈中通入的電流為零時，動鐵心受到的吸力與其體積成正比。
（2）（a）結構線圈作用在動鐵心上的力是最先克服永磁吸力向下運動的，而（b）、（c）、（d）結構的線圈需要通入很大的電流才能使動鐵心開始動作。
由此可知，在設計永磁機構時，選擇方向的不同，會使設計的結構也不同。如果從節能方面考慮，（a）結構更加合適，原因是和另外三種結構相比（a）中線圈通入的電流很小時動鐵芯就開始動作；若從結構小型化來設計，（d）更好，因為在操作設備體積相同的時候，（d）結構提供的永磁吸力是最大的。盡管（c）結構耗能大，但是也有它自己的優點，比如如果通入的電流很大時它所產生的永磁吸力也很大，所以（c）結構更適合電壓相對較高的真空斷路器。
綜合考慮低壓真空斷路器滅弧室的性能要求（動作快，精度高），所以在設計操動機構時，（a）更合理、可行。
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