永磁同步電機(jī)簡(jiǎn)述

一、永磁同步電機(jī)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(shí)現(xiàn)了電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，建立了電機(jī)的實(shí)驗(yàn)室模型，被認(rèn)為是世界上一臺(tái)永磁電機(jī)。

1822年，法國(guó)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(chǎng)，這是一項(xiàng)重要的發(fā)明，但當(dāng)時(shí)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(tái)真正意義上的電機(jī)―法拉第圓盤發(fā)電機(jī)。同年夏天亨利制作了一個(gè)簡(jiǎn)單的裝置（震蕩電動(dòng)機(jī)），該裝置的運(yùn)動(dòng)部件是在垂直方向上運(yùn)動(dòng)的電磁鐵，當(dāng)端部的導(dǎo)線與兩個(gè)電池交替連接時(shí)

，電磁鐵的極性自動(dòng)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(gè)周期的速度上下運(yùn)動(dòng)，亨利的電動(dòng)機(jī)在于一次展示了由磁極排斥的吸引產(chǎn)生的連續(xù)運(yùn)動(dòng)，是電磁鐵在電動(dòng)機(jī)中的一次真正運(yùn)用。

1832年，斯特金發(fā)明了換向器，并對(duì)亨利的震蕩電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了改造，制作了世界上一臺(tái)能產(chǎn)生連續(xù)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)。

1834年，德國(guó)的雅可比制造了一個(gè)簡(jiǎn)單的裝置：在兩個(gè)U形電磁鐵中間裝一個(gè)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(dòng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，按在小艇上的時(shí)速為2.2公里，這是一臺(tái)實(shí)用電動(dòng)機(jī)。與此同時(shí)，美國(guó)的達(dá)文波特也成功研制

出印刷機(jī)驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)。

1845年英國(guó)的霍斯通用電磁鐵代替永磁磁鐵，1857年也發(fā)明了自勵(lì)電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，開創(chuàng)了電勵(lì)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(jī)不斷出現(xiàn)，并得到了廣泛地運(yùn)用。而隨著釹鐵硼材料耐高溫性能的提高和價(jià)格的降低，釹鐵硼永磁電機(jī)在消防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面得到了越來(lái)越廣泛地運(yùn)用，永磁電機(jī)的品

種和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。

二、永磁同步電機(jī)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(chǎng)轉(zhuǎn)速相同的交流電機(jī)。

三、永磁同步電機(jī)工作原理

在電動(dòng)機(jī)的定子繞組中通入三相電流，在通入電流后就會(huì)在電動(dòng)機(jī)的定子繞組中形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，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(chǎng)會(huì)帶動(dòng)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(jī)的起動(dòng)過程看成是由異步啟動(dòng)階段和牽入同步階段組成的。在異步啟動(dòng)的研究階段中，電動(dòng)機(jī)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(dòng)轉(zhuǎn)矩、由轉(zhuǎn)子磁路不對(duì)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(gè)過程中轉(zhuǎn)速是振蕩著上升的。在起動(dòng)過程中，只有異步轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)就是以這轉(zhuǎn)矩來(lái)得以加速的，其他的轉(zhuǎn)矩大部分以制動(dòng)性質(zhì)為主。在電動(dòng)機(jī)的速度由零增加到接近定子的磁場(chǎng)旋

轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速時(shí)，在永磁體脈振轉(zhuǎn)矩的影響下永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速有可能會(huì)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(shí)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(jī)特點(diǎn)

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

五、永磁同步電機(jī)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(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)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(shí)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(jī)轉(zhuǎn)子上永磁材料所處位置的不同，永磁同步電機(jī)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(jiǎn)單，制造成本低，但由于其表面無(wú)法安裝

啟動(dòng)繞組，不能實(shí)現(xiàn)異步起動(dòng)。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(dòng)和阻尼的作用，穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能都較好。又由于內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路不對(duì)稱，這樣就會(huì)在運(yùn)行中產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，有助于提高電機(jī)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(shí)現(xiàn)弱磁擴(kuò)速。



六、永磁同步電機(jī)分類

1、按勵(lì)磁電流的供給方式分類

a）他勵(lì)：從其他電源獲得勵(lì)磁電流的電機(jī)。

b）自勵(lì)：從電機(jī)本身獲得勵(lì)磁電流的電機(jī)。

2、按供電頻率分類

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

3、按氣隙磁場(chǎng)分布分類

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

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

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(jī)：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(jī)的重要特點(diǎn)是直、交軸的主電感相等。

b）內(nèi)置式永磁同步電機(jī)：一次填報(bào)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(jī)的重要談點(diǎn)事直、交軸的主電感不相等。

七、永磁同步電機(jī)控制方式

1、永磁同步電機(jī)恒壓頻比控制方法

2、永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)

3、永磁同步電機(jī)矢量控制技術(shù)

八、永磁同步電機(jī)優(yōu)點(diǎn)

1、永磁同步電機(jī)本身的功率效率高以及功率因數(shù)高。

2、永磁同步電機(jī)發(fā)熱小，因此電機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、噪聲小。

3、系統(tǒng)采用全封閉結(jié)構(gòu)，無(wú)傳動(dòng)齒輪磨損、無(wú)傳動(dòng)齒輪噪聲，免潤(rùn)滑油、免維護(hù)。

4、永磁同步電機(jī)允許的過載電流大，可靠性顯著提高。

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

6、由于沒有齒輪箱，可對(duì)轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)隨意設(shè)計(jì)，電機(jī)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(shí)，電機(jī)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(yùn)行效率高。

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

10、大大減少對(duì)環(huán)境的污染。

九、永磁同步電機(jī)缺點(diǎn)

永磁材料在受到振動(dòng)、高溫和過載電流作用時(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。

十、永磁同步電機(jī)對(duì)比電勵(lì)磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

1）效率高

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

2）功率因數(shù)高

永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子中無(wú)感應(yīng)電流勵(lì)磁，定子繞組呈現(xiàn)阻性負(fù)載，電機(jī)的功率因數(shù)近于1，減小了定子電流，提高了電機(jī)的效率。同時(shí)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(dòng)轉(zhuǎn)矩大

在需要大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的設(shè)備（如油田抽油電機(jī)）中，可以用較小容量的永磁電機(jī)替代較大容量的Y系列電機(jī)。如果37千瓦永磁同步電機(jī)代替45千瓦～55千瓦的Y系列電機(jī)，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(fèi)用，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效能。

4）力能指標(biāo)好

Y系列電機(jī)在60％的負(fù)荷下工作時(shí)，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(jī)的效率和功率因數(shù)下降甚微，當(dāng)電機(jī)只有20％負(fù)荷時(shí)，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(wú)功電流，因而電機(jī)溫升低。

6）體積小，重量輕，耗材少

同容量的永磁同步電機(jī)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(qiáng)。

十一、永磁同步電機(jī)應(yīng)用(用途)

永磁同步電機(jī)可以應(yīng)用在航空、國(guó)防、工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和日常生活等各個(gè)領(lǐng)域。

工業(yè)配套：工業(yè)驅(qū)動(dòng)裝置，如紡織機(jī)械，減速機(jī)配套，水泵配套，風(fēng)機(jī)配套，礦采業(yè)設(shè)備等以及材料加工系統(tǒng)，自動(dòng)化設(shè)備，機(jī)器人等。

交通運(yùn)輸：電動(dòng)汽車，電車，飛機(jī)輔助設(shè)備，艦船等。

航天領(lǐng)域：火箭，飛機(jī)，宇宙飛船，航天飛機(jī)等。

國(guó)防領(lǐng)域：坦克，潛艇，飛機(jī)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(jī)組用發(fā)電機(jī)以及大型發(fā)電機(jī)的副勵(lì)磁機(jī)等。

十二、永磁同步電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

永磁同步電機(jī)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(jī)電一體化產(chǎn)品和裝備，代表了21世紀(jì)電機(jī)發(fā)展的方向。