第四部分永磁同步电动机1. 概 述 永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步 电动机相同，但它以永磁体提供的磁通替 代后者的励磁绕组励磁，使电动机结构较 为简单，降低了加工和装配费用，且省去 了容易出问题的集电环和电刷，提高了电 动机运行的可靠性；又因无需励磁电流， 省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和 功率密度。因而它是近年来研究得较多并 在各个领域中得到越来越广泛应用的一种 电动机。 2. 永磁同步电动机分类永磁同步电动机分类方法比较多：按工作主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式； 按电 枢绕组位置的不同，可分为内转子式(常规式)和外转子式； 按转子上有无起动(阻尼)绕组，可分为无起动 绕组的电动机(用于变频器供电的场合，利用频率的逐步升高而起动，并随着频率的改变而调节转速，常称 为调速永磁同步电动机)和有起动绕组的电动机(既可用于调速运行又可在某一频率和电压下利用起动绕组所 产生的异步转矩起动，常称为异步起动永磁同步电动 机)；按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同 步电动机和正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。3. 永磁同步电动机的总体结构(1) 高效永磁同步电动机结构示意图l转轴 2轴承 3端差 4定子绕组 5机座 6定子铁心7转子铁心 8永磁体 9起动笼 10风扇 11风罩(2) 永磁直流无刷电动机结构示意图l转轴 2前端差 3螺钉 4调整垫片 5轴承 6定子组件 7永磁转子组件 8位置传感器转子 9后端差 10位置传感器定子(3) 调速永磁同步电动机结构示意图l转轴 2轴承 3端差 4定子绕组 5机座 6定子铁 心 7，8永磁体 9转子铁心 10风扇 11风罩 12位置、速度传感器 13，14电缆 15专用变频驱动 器4. 永磁同步电动机的转子结构4. 1 表面式转子磁路结构1） 凸出式 2）插入式1永磁体 2转子铁心 3转轴 1表面凸出式 结构简单、制造成本较低、 转动惯量小等优点，在矩形波永磁同步电动 机和恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步 电动机中得到了广泛应用。此外，表面凸出 式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设计 ，使之成为能使电动机气隙磁密波形趋近于 正弦波的磁极形状，可显著提高电动机乃至 整个传动系统的性能。 2表面插入式 可充分利用转子磁路的不对 称性所产生的磁阻转矩，提高电动机的功率 密度，动态性能较凸出式有所改善，制造工 艺也较简单，常被某些调速永磁同步电动机 所采用。但漏磁系数和制造成本都较凸出式 大。 4.2 内置径向式转子磁路结构转轴 隔磁磁桥 永磁体内置结构式转子的永磁体位于转子内部，永磁体外 表面与定子铁心内圆之间(对外转子磁路结构则为永 磁体内表面与转子铁心外圆之间)有铁磁物质制成的 极靴，极靴中可以放置铸铝笼或铜条笼，起阻尼或( 和)起动作用，动、稳态性能好，广泛用于要求有异 步起动能力或动态性能高的永磁同步电动机。内置 式转子内的永磁体受到极靴的保护，其转子磁路结 构的不对称性所产生的磁阻转矩也有助于提高电动 机的过裁能力和功率密度，而且易于“弱磁”扩速。1径向式结构 优点是漏磁系数小、转轴上不需采 取隔磁措施、极弧系数易于控制、转子冲片机械强 度高、安装永磁体后转子不易变形等。永磁体轴向 插入永磁体槽并通过隔磁磁桥限制漏磁通，结构简 单，运行可靠，转子机械强度高，因而近年来应用 较为广泛 4.3 内置切向式转子磁路结构2切向式结构 这类结构的漏磁系数较大 ，并且需采用相应的隔磁措施，电动机的制 造工艺和制造成本较径向式结构有所增加。 其优点在于一个极距下的磁通由相临两个磁 极并联提供，可得到更大的每极磁通。尤其 当电动机极数较多、径向式结构不能提供足 够的每极磁通时，这种结构的优势便显得更 为突出。此外，采用切向式转子结构的永磁 同步电动机的磁阻转矩在电动机总电磁转矩 中的比例可达40，这对充分利用磁阻转矩 ，提高电动机功率密度和扩展电动机的恒功 率运行范围都是很有利的. 4.4 内置混合式转子磁路结构1-转轴 2-隔磁磁桥 3-永磁体 4-鼠笼条4.4 内置混合式转子磁路结构（续） 3. 混合式结构 这类结构集中了径向式和切向 式转子结构的优点，但其结构和制造工艺均较 复杂，制造成本也比较高。图a是由德国西门 子公司发明的混合式转子磁路结构，需采用非 磁性转轴或采用隔磁铜套，主要应用于采用剩 磁密度较低的铁氧体永磁的永磁同步电动机。 需指出的是，这种结构的径向部分永磁体磁化 方向长度约是切向部分永磁体磁化方向长度的 一半。图b、c是由径向式结构衍生来的两种混 合式转子磁路结构。其永磁体的径向部分与切 向部分的磁化方向长度相等，也采取隔磁磁桥 隔磁。 5. 永磁同步电动机的定子结构 对于高速的永磁同步电动机，极对数少，绕 组形式与普通交流电机的定子一样。但为了 比较方便的放置永磁体，一般多为多极电机 。6 极的居多。 定子绕组一般为双层短距绕组。 为了改善电动势波形也有采用分数槽绕组。 为了消除永磁齿磁导转矩，有时定子铁心斜 一个定子槽。永磁同步电动机空载气隙磁密波形（计算出）1气隙磁密，2基波，33次谐波，45次谐 波实测永磁同步电动机空载气隙磁密波形 永磁同步电动机的空载气隙磁密波形基本上为一 平顶波，与感应电动机的气隙磁密波形相差较大 ，而与直流电机的空载气隙磁密波形相似。6. 低速永磁同步电动机的定子结构对于低速永磁同步电动机，极对数多，则 定子槽数相对较少。每 极每相导体数 q 少。绕组设计比较讲究。 普通双层短距绕组波形不好；永磁齿磁导磁阻转矩大；绕组端部长,不经济2. 集中绕组一对极下放置三 相集中绕组，绕 组基波系数低， 电机性能差。3. 普通分数槽绕组的分数槽绕组可以改善电动势 和磁动势波形，绕组的端部长。4. 特殊分数槽绕组这种分数槽绕组可以有效 地改善电动势和磁动 势波形，由于绕组是 三相的每一相的相邻 槽连续缠绕的集中绕 组，绕组的端部长； 且几乎已完全消除了 永磁齿磁导转矩。图中定子齿/极数为24/227. 永磁同步电动机的稳态性能 7.1 稳态运行和相量图正弦波永磁同步电动机与电励磁凸极同步电动机有着相似的内部电磁关系，故可采用双 反应理论来研究。需要指出的是，由于永磁 同步电动机转子直轴磁路中永磁体的磁导率 很小(对稀土永磁来说其相对回复磁导率约 为1)，使得电动机直轴电枢反应电感一般小于交轴电枢反应电感，分析时应注意其异于 电励磁凸极同步电动机的这一特点。 电动机稳定运行于同步转速时，根据双反 应理论可写出永磁同步电动机的电压方程。永磁气隙基波磁场所产生的每相空载反电动势有效值 ；直、交轴电枢反应电抗；直、交轴同步电抗； 直、交轴电枢电流； 与 间的夹角（内功率因数角） 由电压方程可画出永磁同步电动机于 不同情况下稳定运行时的几种典型相 量图，图中， 为气隙合成基波磁场所产生的电动势，称为气隙合成电动势 ； 为气隙合成基波磁场直轴分量所 产生的电动势，称为直轴内电动势； 为 超前的角度，即功率角，也称转矩角； 为电压超前定子相电流 的角度，即 功率因数角。 超前 和相当于容性负载补偿电网无功直轴电枢反应为去磁性质超前与 同相位直轴电枢反应为去磁性质超前滞后 相当于感性负载直轴电枢反应为去磁性质与 同相位仅有交轴电枢反应，无直轴电枢反应滞后相当于感性负载直轴电枢反应为助磁性质7.2 永磁同步电机电磁转矩和矩角特性电动机的电角速度电动机的极对数m 电动机的相数8. 矩形波电流控制永磁同步电动机的传动系统9 永磁同步电动机 控制系统简图