【永磁同步電機】永磁同步電機原理 永磁同步電機結(jié)構(gòu)

永磁同步電機原理

在交流異步電動機中，轉(zhuǎn)子磁場的形成要分兩步走：第一步是定子旋轉(zhuǎn)磁場先在轉(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。在楞次定律的作用下，轉(zhuǎn)子跟隨定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動，但又“永遠(yuǎn)追不上”，因此才稱其為異步電動機。如果轉(zhuǎn)子繞組中的電流不是由定子旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)的，而是自己產(chǎn)生的，則轉(zhuǎn)子磁場與定子旋轉(zhuǎn)磁場無關(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)磁場就會拉動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并且使轉(zhuǎn)子磁場及轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場“同步”旋轉(zhuǎn)。這就是同步電動機的工作原理。

根據(jù)轉(zhuǎn)子自生磁場產(chǎn)生方式的不同，又可以將同步電動機分為兩種：

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

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

永磁同步電機特點

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

除了永磁同步電機，異步電機也因特斯拉的使用而被廣泛關(guān)注。與同步電機相比起來，電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速總是小于旋轉(zhuǎn)磁場（由定子繞組電流產(chǎn)生）的轉(zhuǎn)速。因此，轉(zhuǎn)子看起來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的原因。

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

永磁同步電機結(jié)構(gòu)

永磁同步電機主要是由轉(zhuǎn)子、端蓋、及定子等各部件組成的。一般來說，永磁 同步電機的最大的特點是它的定子結(jié)構(gòu)與普通的感應(yīng)電機的結(jié)構(gòu)非常非常的相似，主要是區(qū)別于轉(zhuǎn)子的獨特的結(jié)構(gòu)與其它電機形成了差別。和常用的異步電機的最大不同則是轉(zhuǎn)子的獨特的結(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，所以永磁同步電機通常會被分為三大類：內(nèi)嵌式、面貼式以及插入式，如圖1.1所示。永磁同步電機的運行性能是最受關(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。

面貼式的永磁同步電機在工業(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無法比擬的優(yōu)點，例如其制造方便，轉(zhuǎn)動慣性比較小以及結(jié)構(gòu)很簡單等。并且這種類型的永磁同步電機更加容易被設(shè)計師來進(jìn)行對其的優(yōu)化設(shè)計，其中最主要的方法是設(shè)計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很多的優(yōu)勢，例如它所帶來的負(fù)面效應(yīng)，能減小磁場的諧波以及應(yīng)用以上的方法能夠很好的改善電機的運行性能。插入式結(jié)構(gòu)的電機之所以能夠跟面貼式的電機相比較有很大的改善是因為它充分的利用了它設(shè)計出的磁鏈的結(jié)構(gòu)有著不對稱性所生成的獨特的磁阻轉(zhuǎn)矩能大大的提高了電機的功率密度，并且在也能很方便的制造出來，所以永磁同步電機的這種結(jié)構(gòu)被比較多的應(yīng)用于在傳動系統(tǒng)中，但是其缺點也是很突出的，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，但卻有幾個很明顯的優(yōu)點是毋庸置疑的，因為有以高氣隙的磁通密度，所很明顯的它跟面貼式的電機相比較就會產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩；因為在轉(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的一系列的危險的可能性就會很小，因此電機能夠在更高的旋轉(zhuǎn)速度下運行但是并不需要考慮轉(zhuǎn)子中永磁體是否會因為離心力過大而被破壞。

為了體現(xiàn)永磁同步電機的優(yōu)越性能，與傳統(tǒng)異步電機來進(jìn)行比較，永磁同步電機特別是最常用的稀土式的永磁同步電機具有結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠性很高；體積非常的小，質(zhì)量特別的輕；損耗也相對較少，效率也比較高；電機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。正是因為其擁有這么多的優(yōu)勢所以其應(yīng)用范圍非常的廣泛，幾乎遍及航空航天、國防、工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和日常生活等的各個領(lǐng)域。永磁同步電動機與感應(yīng)電動機相比，可以考慮不輸入無功勵磁電流，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)定運行的時候沒有轉(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)電動機相比較其效率可以提高2-8個百分點。