永磁同步電機簡述

一、永磁同步電機發(fā)展歷程

1821年，法拉第發(fā)現(xiàn)通電的導(dǎo)體能繞永久磁鐵旋轉(zhuǎn)，一次成功實現(xiàn)了電能向機械能的轉(zhuǎn)換，建立了電機的實驗室模型，被認(rèn)為是世界上一臺永磁電機。

1822年，法國的呂薩克發(fā)明了電磁鐵，即用通過繞在鐵心上的線圈的方法產(chǎn)生磁場，這是一項重要的發(fā)明，但當(dāng)時并未得到重視和應(yīng)用。

1831年，法拉第在發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象之后不久，利用電磁感應(yīng)原理發(fā)明了世界上一臺真正意義上的電機―法拉第圓盤發(fā)電機。同年夏天亨利制作了一個簡單的裝置（震蕩電動機），該裝置的運動部件是在垂直方向上運動的電磁鐵，當(dāng)端部的導(dǎo)線與兩個電池交替連接時

，電磁鐵的極性自動改變，電磁鐵與永磁體相互吸引或排斥，使電磁鐵以每分鐘75個周期的速度上下運動，亨利的電動機在于一次展示了由磁極排斥的吸引產(chǎn)生的連續(xù)運動，是電磁鐵在電動機中的一次真正運用。

1832年，斯特金發(fā)明了換向器，并對亨利的震蕩電動機進(jìn)行了改造，制作了世界上一臺能產(chǎn)生連續(xù)運動的旋轉(zhuǎn)電動機。

1834年，德國的雅可比制造了一個簡單的裝置：在兩個U形電磁鐵中間裝一個六臂輪，每臂帶兩根棒形磁鐵。通電后，棒形磁鐵與U形磁鐵之間相互吸引或排斥，帶動輪軸轉(zhuǎn)動，按在小艇上的時速為2.2公里，這是一臺實用電動機。與此同時，美國的達(dá)文波特也成功研制

出印刷機驅(qū)動用電動機。

1845年英國的霍斯通用電磁鐵代替永磁磁鐵，1857年也發(fā)明了自勵電勵磁發(fā)電機，開創(chuàng)了電勵磁方式的新紀(jì)元。

20世紀(jì)中期，隨著鋁鎳鈷和鐵氧體永磁的出現(xiàn)以及性能的不斷提高，各種新型永磁電機不斷出現(xiàn)，并得到了廣泛地運用。而隨著釹鐵硼材料耐高溫性能的提高和價格的降低，釹鐵硼永磁電機在消防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面得到了越來越廣泛地運用，永磁電機的品

種和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。

二、永磁同步電機定義

轉(zhuǎn)子是永久性磁鐵，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速相同的交流電機。

三、永磁同步電機工作原理

在電動機的定子繞組中通入三相電流，在通入電流后就會在電動機的定子繞組中形成旋轉(zhuǎn)磁場，由于在轉(zhuǎn)子上安裝了永磁體，永磁體的磁極是固定的，根據(jù)磁極的同性相吸異性相斥的原理，在定子中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場會帶動轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，最終達(dá)到轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與定子

中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁極的轉(zhuǎn)速相等，所以可以把永磁同步電機的起動過程看成是由異步啟動階段和牽入同步階段組成的。在異步啟動的研究階段中，電動機的轉(zhuǎn)速是從零開始逐漸增大的，造成上訴的主要原因是其在異步轉(zhuǎn)矩、永磁發(fā)電制動轉(zhuǎn)矩、由轉(zhuǎn)子磁路不對稱而引起的

磁阻轉(zhuǎn)矩和單軸轉(zhuǎn)矩等一系列的因素共同作用下而引起的，所以在這個過程中轉(zhuǎn)速是振蕩著上升的。在起動過程中，只有異步轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，電動機就是以這轉(zhuǎn)矩來得以加速的，其他的轉(zhuǎn)矩大部分以制動性質(zhì)為主。在電動機的速度由零增加到接近定子的磁場旋

轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速時，在永磁體脈振轉(zhuǎn)矩的影響下永磁同步電機的轉(zhuǎn)速有可能會超過同步轉(zhuǎn)速，而出現(xiàn)轉(zhuǎn)速的超調(diào)現(xiàn)象。但經(jīng)過一段時間的轉(zhuǎn)速振蕩后，最終在同步轉(zhuǎn)矩的作用下而被牽入同步。

四、永磁同步電機特點

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)非常相似，主要是區(qū)別于轉(zhuǎn)子的獨特結(jié)構(gòu)與其他電機形成了差別。

五、永磁同步電機結(jié)構(gòu)構(gòu)成

由定子、轉(zhuǎn)子和端蓋等各部件構(gòu)成

定子：由疊片疊壓而成以減少電動機運行時產(chǎn)生的鐵耗，其中裝有三相交流繞組，稱作電樞。

轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子可以制成實心的形式，也可以由疊片壓制而成，其上裝有永磁體材料。根據(jù)電機轉(zhuǎn)子上永磁材料所處位置的不同，永磁同步電機可以分為突出式與內(nèi)置式兩種結(jié)構(gòu)形式，圖1給出相應(yīng)的示意圖。突出式轉(zhuǎn)子的磁路結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，但由于其表面無法安裝

啟動繞組，不能實現(xiàn)異步起動。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子的磁路結(jié)構(gòu)主要有徑向式、切向式和混合式3種，它們之間的區(qū)別主要在于永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向關(guān)系的不同。圖2給出3種不同形式的內(nèi)置式轉(zhuǎn)子的磁路結(jié)構(gòu)。由于永磁體置于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，轉(zhuǎn)子表面便可制成極靴，極靴內(nèi)

置入銅條或鑄鋁等便可起到啟動和阻尼的作用，穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能都較好。又由于內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路不對稱，這樣就會在運行中產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，有助于提高電機本身的功率密度和過載能力，而且這樣的結(jié)構(gòu)更易于實現(xiàn)弱磁擴速。



六、永磁同步電機分類

1、按勵磁電流的供給方式分類

a）他勵：從其他電源獲得勵磁電流的電機。

b）自勵：從電機本身獲得勵磁電流的電機。

2、按供電頻率分類

永磁無刷電機包括永磁無刷直流電機（方波型逆變器供電）與永磁無刷交流電機（正弦波型逆變器供電）。

3、按氣隙磁場分布分類

a）正弦波永磁同步電機：磁極采用永磁材料，輸入三相正弦波電流時，氣隙磁場按正弦規(guī)律分布，簡稱為永磁同步電機；

b）梯形波永磁同步電機：磁極仍為永磁材料，但輸入方波電流，氣隙磁場呈梯形波分布，性能更接近于直流電機。用梯形波永磁同步電機構(gòu)成的自控變頻同步電機又稱為無刷直流電機；

4、按照永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置分類

a）表面式永磁同步電機：永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)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。

b）內(nèi)置式永磁同步電機：一次填報位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體外表面與定子鐵心內(nèi)部有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，可以保護(hù)永磁體，這類電機的重要談點事直、交軸的主電感不相等。

七、永磁同步電機控制方式

1、永磁同步電機恒壓頻比控制方法

2、永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)

3、永磁同步電機矢量控制技術(shù)

八、永磁同步電機優(yōu)點

1、永磁同步電機本身的功率效率高以及功率因數(shù)高。

2、永磁同步電機發(fā)熱小，因此電機冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲小。

3、系統(tǒng)采用全封閉結(jié)構(gòu)，無傳動齒輪磨損、無傳動齒輪噪聲，免潤滑油、免維護(hù)。

4、永磁同步電機允許的過載電流大，可靠性顯著提高。

5、整個傳動系統(tǒng)重量輕，簧下重量也比傳統(tǒng)的輪軸傳動的輕，單位重量的功率大。

6、由于沒有齒輪箱，可對轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)隨意設(shè)計，電機尺寸和形狀靈活多樣。

7、由于采用了永磁材料磁極，特別是采用了稀土金屬永磁體(如釹鐵硼等)，其磁能積高，可得到較高的氣隙磁通密度，因此在容量相同時，電機的體積小、重量輕。

8、轉(zhuǎn)子沒有銅損和鐵損，也沒有集電環(huán)和電刷的摩擦損耗，運行效率高。

9、轉(zhuǎn)動慣量小，允許的脈沖轉(zhuǎn)矩大，可獲得較高的加速度，動態(tài)性能好，結(jié)構(gòu)緊湊，運行可靠。

10、大大減少對環(huán)境的污染。

九、永磁同步電機缺點

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。

十、永磁同步電機對比電勵磁電機的優(yōu)點

1）效率高

在轉(zhuǎn)子上嵌入永磁材料后，在正常工作時轉(zhuǎn)子與定子磁場同步運行，轉(zhuǎn)子繞組無感生電流，不存在轉(zhuǎn)子電阻和磁滯損耗，提高了電機效率。

2）功率因數(shù)高

永磁同步電機轉(zhuǎn)子中無感應(yīng)電流勵磁，定子繞組呈現(xiàn)阻性負(fù)載，電機的功率因數(shù)近于1，減小了定子電流，提高了電機的效率。同時功率因數(shù)的提高，提高了電網(wǎng)品質(zhì)因數(shù)，減小了輸變電線路的損耗，輸變電容量也可降低，節(jié)省了電網(wǎng)投資。

3）起動轉(zhuǎn)矩大

在需要大起動轉(zhuǎn)矩的設(shè)備（如油田抽油電機）中，可以用較小容量的永磁電機替代較大容量的Y系列電機。如果37千瓦永磁同步電機代替45千瓦～55千瓦的Y系列電機，較好地解決了“大馬拉小車”的現(xiàn)象，節(jié)省了設(shè)備投入費用，提高了系統(tǒng)的運行效能。

4）力能指標(biāo)好

Y系列電機在60％的負(fù)荷下工作時，效率下降15％，功率因數(shù)下降30％，力能指標(biāo)下降40％；而永磁同步電機的效率和功率因數(shù)下降甚微，當(dāng)電機只有20％負(fù)荷時，其力能指標(biāo)仍為滿負(fù)荷的80％以上。

5）溫升低

轉(zhuǎn)子繞組中不存在電阻損耗，定子繞組中幾乎不存在無功電流，因而電機溫升低。

6）體積小，重量輕，耗材少

同容量的永磁同步電機體積、重量、所用材料可以減小30％左右。

7）可大氣隙化，便于構(gòu)成新型磁路。

8）電樞反應(yīng)小，抗過載能力強。

十一、永磁同步電機應(yīng)用(用途)

永磁同步電機可以應(yīng)用在航空、國防、工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和日常生活等各個領(lǐng)域。

工業(yè)配套：工業(yè)驅(qū)動裝置，如紡織機械，減速機配套，水泵配套，風(fēng)機配套，礦采業(yè)設(shè)備等以及材料加工系統(tǒng)，自動化設(shè)備，機器人等。

交通運輸：電動汽車，電車，飛機輔助設(shè)備，艦船等。

航天領(lǐng)域：火箭，飛機，宇宙飛船，航天飛機等。

國防領(lǐng)域：坦克，潛艇，飛機等。

工業(yè)發(fā)電：風(fēng)力發(fā)電，余熱發(fā)電，水力發(fā)電，內(nèi)燃發(fā)電機組用發(fā)電機以及大型發(fā)電機的副勵磁機等。

十二、永磁同步電機發(fā)展趨勢

永磁同步電機是眾多高新技術(shù)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，它與電力電子技術(shù)和微電子控制技術(shù)相結(jié)合，可以制造出許多新型的、性能優(yōu)異的機電一體化產(chǎn)品和裝備，代表了21世紀(jì)電機發(fā)展的方向。