如果你對永磁同步馬達還不熟悉，閱讀這篇文章能讓你對永磁同步馬達有大概念！
我們從永磁同步馬達的基礎出發，
通過對永磁同步馬達的基本了解，我們接著介紹如何通過調節電流來控制其轉速與轉矩，
最後，介紹更進一步的精確控制，如何使永磁同步馬達在複雜的應用中保持優秀性能。
在上述三點的理解後，補充了永磁同步馬達在各種現代應用領域中的廣泛使用。
本篇為《電力電子學圖鑑》的學習整理，
如果有興趣的朋友可以去看看，並從中瞭解到更多生活中電力電子學的應用。
一、永磁同步馬達的原理與結構
永磁顧名思義，是一種將永久磁石放在轉子上的馬達，也叫做PM馬達。
在永磁同步馬達中，轉子的永磁體會產生一個固定的磁場。
（與感應馬達不同，感應馬達通常依靠轉子繞組中感應出的電流來產生磁場。）
而當交流電通過定子繞組時，會產生一個旋轉的磁場，與感應馬達相同。
於是，轉子上的永磁體與定子繞組產生的旋轉磁場相吸，
因為轉子試圖跟隨定子產生的旋轉磁場（轉子被定子拉動），
這種相互作用產生了轉矩，從而使轉子旋轉。
而轉子上的磁鐵與定子的旋轉磁場同步旋轉，
也代表轉子的轉速與電源頻率保持同步。
原理可見以下這部影片以加強印象：
而進入定子繞組的電流的大小與頻率，通常需要逆變器來調節，
才能對馬達的速度和轉矩進行精確控制。
關於永磁同步馬達的結構：
- 定子：與感應馬達相同，定子包含多個繞組，這些繞組在交流電作用下產生旋轉磁場。
- 轉子：轉子包含一個或多個永久磁鐵，這些磁鐵可以是表面貼附式或內嵌式。轉子的設計取決於應用的具體要求，例如轉速、轉矩和效率。
- 永磁體：轉子上的永磁體通常是高性能的稀土磁鐵，例如釹鐵硼，它們提供強大且穩定的磁場。
隨著稀土磁鐵的普及，永磁同步馬達也逐漸小型化、高性能化、普及化。
二、永磁同步馬達的轉速
永磁同步馬達的運作機制相當特殊，可透過嚴格控制的電流，調整轉矩與轉速。
1. 同步速度：永磁同步馬達的轉子永磁體與定子繞組產生的旋轉磁場同步旋轉，
所以轉子的轉速（即機械轉速）與旋轉磁場的轉速（即同步轉速，或稱電氣轉速，由供電頻率決定）保持一致。
而同步轉速N與交流電流的頻率f成正比，與感應馬達相同，
但關鍵的區別在於：感應馬達（異步馬達）的轉子轉速通常低於旋轉磁場的速度，即存在轉差。
$$N=\frac{120 \times f}{P}$$
2. 轉速與電流：通過逆變器改變供給定子繞組的電流的頻率和大小，可以精確地控制馬達的轉矩和轉速。
這是因為定子繞組產生的旋轉磁場的速度取決於電流的頻率。
3. 速度調節範圍廣：永磁同步馬達即使改變轉速，效率也不會變，所以可以在低轉速下發揮高效率；
換句話說，永磁同步馬達能夠在從零轉速到其額定轉速甚至更高的範圍內運行，並且在整個範圍內保持高效率和良好的性能。
4. 轉速高效的原因：在不同的運轉條件下（包括低轉速）都能保持高效率。
因為轉子的磁場是由永磁體產生，而不是像感應馬達通過電流感應產生，所以不需要額外的電能。
與傳統感應馬達相比，減少了能量損耗。
5. 可直接驅動：由於永磁同步馬達可以在低轉速下提供高效率和足夠的轉矩，
它們常用於直接驅動的應用，也就是馬達直接連接到負載，無需齒輪箱或其他減速裝置來改變轉速或扭矩。這使得整個系統更簡單、更有效率。
三、永磁同步馬達的控制
由前述可知，在永磁同步馬達中，轉子上的永久磁石與定子繞組產生的旋轉磁場保持同步，
而如果電流的頻率（決定旋轉磁場的速度）與轉子的實際轉速不一致，馬達就無法產生轉矩。
因此，精確控制定子電流的頻率和相位來匹配轉子的速度非常重要。
而既然要控制與匹配，我們就需要閉環控制系統（回饋控制）：
透過感測器如旋轉編碼器或霍爾效應感測器，來實時監測轉子的位置和速度（或是檢測旋轉中的永久磁石的旋轉角度），
並將轉子的位置和速度的資訊回傳，
我們就可以調節逆變器以產生正確頻率和相位的電流，確保電流與轉子的實際狀態保持同步。
相對而言，開環控制（不使用回饋）在永磁同步馬達中通常不可行，
因為它無法保證電流的頻率和相位與轉子的實際狀態匹配，這可能導致轉矩產生不足或控制不準確。
因此，逆變器在永磁同步馬達的控制中同樣關鍵，
因為逆變器會根據感測器提供的回饋，調節交流電源的頻率和相位，以保證與轉子的旋轉速度同步。
總之，永磁同步馬達的高效和精確控制依賴於先進的馬達控制技術，
包括使用感測器進行的精確位置和速度監測，以及基於這些數據的馬達驅動控制。
四、重點整理
我們從永磁同步馬達的基礎出發，
通過對永磁同步馬達的基本了解，我們更清楚地認識到：如何通過調節電流來控制永磁同步馬達的轉速和轉矩，
最後，介紹更進一步的精確控制，如何使永磁同步馬達在複雜的應用中保持優秀性能。
以下為本篇的重點整理：
- 原理與結構：永磁同步馬達利用轉子上的永久磁鐵產生固定磁場，與定子繞組產生的旋轉磁場相互作用，實現同步旋轉。這種設計相對於依賴轉子繞組感應電流的感應馬達，提供了更高的效率和緊湊的結構。
- 轉速控制：永磁同步馬達的轉速可通過調整進入定子繞組的電流頻率和大小來精確控制，使其在從零到額定轉速甚至更高的範圍內運行，並在整個範圍內保持高效率。
- 精確控制：永磁同步馬達的精確控制依賴於先進的馬達控制技術，包括使用感測器進行精確位置和速度監測，以及基於這些數據的馬達驅動控制。
綜合上述特點，永磁同步馬達在提供高效能源利用的同時，還能夠滿足現代技術應用對精確度和可靠性的嚴格要求，成為當今許多關鍵應用領域的首選解決方案。
補充：應用考量
在選擇和應用永磁同步馬達時，需考慮以下因素：
- 高效率與精確控制：由於永磁同步馬達具有高效率和精確的轉速控制能力，它們特別適用於需要這些特性的應用。
- 節能：永磁同步馬達的高效率意味著在長期運行中能節省更多能源，尤其是在能源成本高的應用場合中，比如電梯、空調等設備長時間運行的大樓，或是工業應用。
- 精確控制：永磁同步馬達能夠提供精確的轉速和轉矩控制，這對於需要高精度控制的應用來說非常重要，比如自動化裝置、精密機械或家電。
- 低熱損失：由於高效率，永磁同步馬達在運行過程中的熱損失相對較低，這有助於延長馬達壽命並減少冷卻需求。
- 動態性能：永磁同步馬達適合於需要快速響應和高動態性能的應用，比如電動車和電梯，因為兩者皆需快速啟動和停止，以及快速處理負載變化，保持穩定的性能。
總結來說，選擇和應用永磁同步馬達時，
應該考慮其高效率、精確控制的能力，
以及適合高速和高動態性能的應用。
這些特性使得永磁同步馬達成為許多現代工業和商業應用的理想選擇。