【永磁同步電機(jī)】永磁同步電機(jī)原理 永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)

永磁同步電機(jī)原理

在交流異步電動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的形成要分兩步走：第一步是定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)先在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出電流；第二步是感應(yīng)電流再產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)。在楞次定律的作用下，轉(zhuǎn)子跟隨定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)，但又“永遠(yuǎn)追不上”，因此才稱其為異步電動(dòng)機(jī)。如果轉(zhuǎn)子繞組中的電流不是由定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)感應(yīng)的，而是自己產(chǎn)生的，則轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)無(wú)關(guān)，而且其磁極方向是固定的，那么根據(jù)同性相斥、異性相吸的原理，定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就會(huì)拉動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并且使轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)及轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)“同步”旋轉(zhuǎn)。這就是同步電動(dòng)機(jī)的工作原理。

根據(jù)轉(zhuǎn)子自生磁場(chǎng)產(chǎn)生方式的不同，又可以將同步電動(dòng)機(jī)分為兩種：

一是將轉(zhuǎn)子繞組通上外接直流電（勵(lì)磁電流），然后由勵(lì)磁電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，進(jìn)而使轉(zhuǎn)子與定子磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)。這種由勵(lì)磁電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的同步電動(dòng)機(jī)稱為勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)。

二是干脆在轉(zhuǎn)子上嵌上永久磁體，直接產(chǎn)生磁場(chǎng)，省去了勵(lì)磁電流或感應(yīng)電流的環(huán)節(jié)。這種由永久磁體產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的同步電動(dòng)機(jī)，就稱為永磁同步電動(dòng)機(jī)。

永磁同步電機(jī)特點(diǎn)

永磁電動(dòng)機(jī)具有較高的功率/質(zhì)量比，體積更小，質(zhì)量更輕，比其他類型電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩更大，電動(dòng)機(jī)的極限轉(zhuǎn)速和制動(dòng)性能也比較優(yōu)異，因此永磁同步電動(dòng)機(jī)已成為現(xiàn)今電動(dòng)汽車應(yīng)用最多的電動(dòng)機(jī)。但永磁材料在受到振動(dòng)、高溫和過(guò)載電流作用時(shí)，其導(dǎo)磁性能可能會(huì)下降，或發(fā)生退磁現(xiàn)象，有可能降低永磁電動(dòng)機(jī)的性能。另外，稀土式永磁同步電動(dòng)機(jī)要用到稀土材料，制造成本不太穩(wěn)定。

除了永磁同步電機(jī)，異步電機(jī)也因特斯拉的使用而被廣泛關(guān)注。與同步電機(jī)相比起來(lái)，電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速總是小于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（由定子繞組電流產(chǎn)生）的轉(zhuǎn)速。因此，轉(zhuǎn)子看起來(lái)與定子繞組的電流頻率總是“不一致”，這也是其為什么叫異步電機(jī)的原因。

相比于永磁同步電機(jī)，異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是成本低，工藝簡(jiǎn)單；當(dāng)然其缺點(diǎn)就是其功率密度與轉(zhuǎn)矩密度要低于永磁同步電機(jī)。而特斯拉ModelS為何選用異步電機(jī)而不是永磁同步電機(jī)，除了控制成本這個(gè)主要原因之外，較大的ModelS車體能夠有足夠空間放的下相對(duì)大一點(diǎn)的異步電機(jī)，也是一個(gè)很重要的因素。

永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)

永磁同步電機(jī)主要是由轉(zhuǎn)子、端蓋、及定子等各部件組成的。一般來(lái)說(shuō)，永磁 同步電機(jī)的最大的特點(diǎn)是它的定子結(jié)構(gòu)與普通的感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)非常非常的相似，主要是區(qū)別于轉(zhuǎn)子的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與其它電機(jī)形成了差別。和常用的異步電機(jī)的最大不同則是轉(zhuǎn)子的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子上放有高質(zhì)量的永磁體磁極。由于在轉(zhuǎn)子上安放永磁體的位置有很多選擇，所以永磁同步電機(jī)通常會(huì)被分為三大類：內(nèi)嵌式、面貼式以及插入式，如圖1.1所示。永磁同步電機(jī)的運(yùn)行性能是最受關(guān)注的，影響其性能的因素有很多，但是最主要的則是永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)。就面貼式、插入式和嵌入式而言，各種結(jié)構(gòu)都各有其各自的優(yōu)點(diǎn)。

面貼式的永磁同步電機(jī)在工業(yè)上是應(yīng)用最廣泛的，其最主要的原因是其擁有很多其他形式電機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，例如其制造方便，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性比較小以及結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單等。并且這種類型的永磁同步電機(jī)更加容易被設(shè)計(jì)師來(lái)進(jìn)行對(duì)其的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中最主要的方法是設(shè)計(jì)成近似正弦的分布把氣隙磁鏈的分布結(jié)構(gòu)，將其分布結(jié)構(gòu)改成正弦分布后能夠帶來(lái)很多的優(yōu)勢(shì)，例如它所帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)，能減小磁場(chǎng)的諧波以及應(yīng)用以上的方法能夠很好的改善電機(jī)的運(yùn)行性能。插入式結(jié)構(gòu)的電機(jī)之所以能夠跟面貼式的電機(jī)相比較有很大的改善是因?yàn)樗浞值睦昧怂O(shè)計(jì)出的磁鏈的結(jié)構(gòu)有著不對(duì)稱性所生成的獨(dú)特的磁阻轉(zhuǎn)矩能大大的提高了電機(jī)的功率密度，并且在也能很方便的制造出來(lái)，所以永磁同步電機(jī)的這種結(jié)構(gòu)被比較多的應(yīng)用于在傳動(dòng)系統(tǒng)中，但是其缺點(diǎn)也是很突出的，例如制作成本和漏磁系數(shù)與面貼式的相比較都要大的多。嵌入式的永磁同步電機(jī)中的永磁體是被安置在轉(zhuǎn)子的內(nèi)部，相比較而言其結(jié)構(gòu)雖然比較復(fù)雜，但卻有幾個(gè)很明顯的優(yōu)點(diǎn)是毋庸置疑的，因?yàn)橛幸愿邭庀兜拇磐芏?，所很明顯的它跟面貼式的電機(jī)相比較就會(huì)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩；因?yàn)樵谵D(zhuǎn)子永磁體的安裝方式是選擇嵌入式的，所以永磁體在被去磁后所帶來(lái)的一系列的危險(xiǎn)的可能性就會(huì)很小，因此電機(jī)能夠在更高的旋轉(zhuǎn)速度下運(yùn)行但是并不需要考慮轉(zhuǎn)子中永磁體是否會(huì)因?yàn)殡x心力過(guò)大而被破壞。

為了體現(xiàn)永磁同步電機(jī)的優(yōu)越性能，與傳統(tǒng)異步電機(jī)來(lái)進(jìn)行比較，永磁同步電機(jī)特別是最常用的稀土式的永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠性很高；體積非常的小，質(zhì)量特別的輕；損耗也相對(duì)較少，效率也比較高；電機(jī)的形狀以及大小可以靈活多樣的變化等比較明顯的優(yōu)點(diǎn)。正是因?yàn)槠鋼碛羞@么多的優(yōu)勢(shì)所以其應(yīng)用范圍非常的廣泛，幾乎遍及航空航天、國(guó)防、工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和日常生活等的各個(gè)領(lǐng)域。永磁同步電動(dòng)機(jī)與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，可以考慮不輸入無(wú)功勵(lì)磁電流，因此可以非常明顯的提高其功率因素，進(jìn)而減少了定子上的電流以及定子上電阻的損耗，而且在穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)候沒(méi)有轉(zhuǎn)子電阻上的損耗，進(jìn)而可以因總損耗的降低而減小風(fēng)扇（小容量的電機(jī)甚至可以不用風(fēng)扇）以及相應(yīng)的風(fēng)磨損耗，從而與同規(guī)格的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比較其效率可以提高2-8個(gè)百分點(diǎn)。