【永磁(ci)同步(bu)(bu)電(dian)機】永磁(ci)同步(bu)(bu)電(dian)機原理 永磁(ci)同步(bu)(bu)電(dian)機結構

永磁同步電機原理

在交流(liu)異(yi)步電(dian)動機中，轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)形(xing)成要分兩步走：第一步是(shi)定(ding)子(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)轉(zhuan)(zhuan)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)(chang)先(xian)在轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)繞組中感(gan)(gan)應出電(dian)流(liu)；第二步是(shi)感(gan)(gan)應電(dian)流(liu)再產(chan)生(sheng)轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)(chang)。在楞次(ci)定(ding)律的(de)(de)(de)作用(yong)下，轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)跟隨定(ding)子(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)轉(zhuan)(zhuan)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)(chang)轉(zhuan)(zhuan)動，但又“永遠追不(bu)上”，因此才稱(cheng)其為異(yi)步電(dian)動機。如果轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)繞組中的(de)(de)(de)電(dian)流(liu)不(bu)是(shi)由定(ding)子(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)轉(zhuan)(zhuan)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)(chang)感(gan)(gan)應的(de)(de)(de)，而是(shi)自己產(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)，則轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)(chang)與定(ding)子(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)轉(zhuan)(zhuan)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)(chang)無關，而且其磁(ci)極方向是(shi)固定(ding)的(de)(de)(de)，那么根據同性相(xiang)斥、異(yi)性相(xiang)吸的(de)(de)(de)原理(li)，定(ding)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)旋(xuan)(xuan)(xuan)轉(zhuan)(zhuan)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)(chang)就會拉動轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)轉(zhuan)(zhuan)，并且使轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)(chang)及轉(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)與定(ding)子(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)轉(zhuan)(zhuan)磁(ci)場(chang)(chang)(chang)(chang)“同步”旋(xuan)(xuan)(xuan)轉(zhuan)(zhuan)。這就是(shi)同步電(dian)動機的(de)(de)(de)工(gong)作原理(li)。

根據轉子自生磁場產生方式的不(bu)同，又可(ke)以(yi)將(jiang)同步電(dian)動機(ji)分(fen)為兩種：

一是將轉子繞組通上外(wai)接(jie)直流(liu)電(dian)（勵(li)(li)磁(ci)(ci)電(dian)流(liu)），然后(hou)由(you)(you)勵(li)(li)磁(ci)(ci)電(dian)流(liu)產生轉子磁(ci)(ci)場，進而使轉子與(yu)定子磁(ci)(ci)場同步旋(xuan)轉。這種由(you)(you)勵(li)(li)磁(ci)(ci)電(dian)流(liu)產生轉子磁(ci)(ci)場的同步電(dian)動(dong)機稱為勵(li)(li)磁(ci)(ci)同步電(dian)動(dong)機。

二是干脆在轉子上嵌上永久磁體(ti)，直(zhi)接(jie)產生(sheng)磁場，省去了勵磁電流或感應電流的(de)環(huan)節。這種(zhong)由永久磁體(ti)產生(sheng)轉子磁場的(de)同步(bu)電動機(ji)，就稱為永磁同步(bu)電動機(ji)。

永磁同步電機特點

永磁電動機具有較高的功率/質量比，體積更小，質量更輕，比其他類型電動機的輸出轉矩更大，電動機的極限轉速和制動性能也比較優異，因此永磁同步電動機已成為現今電動汽車應用(yong)(yong)最多的電(dian)(dian)動(dong)機。但永(yong)(yong)磁材料在受(shou)到振動(dong)、高(gao)溫和過載電(dian)(dian)流作用(yong)(yong)時，其導磁性能(neng)可能(neng)會(hui)下(xia)降，或發(fa)生退磁現象，有(you)可能(neng)降低永(yong)(yong)磁電(dian)(dian)動(dong)機的性能(neng)。另外(wai)，稀(xi)土(tu)式(shi)永(yong)(yong)磁同(tong)步(bu)電(dian)(dian)動(dong)機要用(yong)(yong)到稀(xi)土(tu)材料，制造成本(ben)不(bu)太穩定。

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注。與同步電機相比(bi)起來(lai)，電機轉(zhuan)子的轉(zhuan)速總是小于旋轉(zhuan)磁場（由定子繞(rao)組電流產生）的轉(zhuan)速。因此，轉(zhuan)子看(kan)起來(lai)與定子繞(rao)組的電流頻率(lv)總是“不一致”，這也是其為什么叫異步(bu)電機的原(yuan)因。

相比于永磁同步(bu)電機(ji)，異(yi)步(bu)電機(ji)的(de)(de)優點(dian)(dian)是成(cheng)本低，工藝(yi)簡單；當然(ran)其缺點(dian)(dian)就是其功率密度(du)與轉矩密度(du)要低于永磁同步(bu)電機(ji)。而(er)特(te)斯拉ModelS為何(he)選(xuan)用異(yi)步(bu)電機(ji)而(er)不是永磁同步(bu)電機(ji)，除了(le)控(kong)制成(cheng)本這個(ge)主要原因之(zhi)外(wai)，較大的(de)(de)ModelS車體能(neng)夠(gou)有足夠(gou)空間放的(de)(de)下(xia)相對(dui)大一點(dian)(dian)的(de)(de)異(yi)步(bu)電機(ji)，也是一個(ge)很重(zhong)要的(de)(de)因素。

永磁同步電機結構

永(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci)同(tong)(tong)步(bu)(bu)電機(ji)(ji)主要是(shi)(shi)由轉(zhuan)子(zi)、端蓋、及定(ding)子(zi)等各(ge)部件組成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。一般來說(shuo)，永(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci) 同(tong)(tong)步(bu)(bu)電機(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)最大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)特(te)點是(shi)(shi)它(ta)(ta)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)定(ding)子(zi)結(jie)構(gou)(gou)與普通的(de)(de)(de)(de)(de)(de)感應電機(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)構(gou)(gou)非(fei)常非(fei)常的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相似，主要是(shi)(shi)區別于轉(zhuan)子(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)獨(du)特(te)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)構(gou)(gou)與其它(ta)(ta)電機(ji)(ji)形成(cheng)了(le)差(cha)別。和常用的(de)(de)(de)(de)(de)(de)異步(bu)(bu)電機(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)最大不(bu)同(tong)(tong)則是(shi)(shi)轉(zhuan)子(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)獨(du)特(te)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)構(gou)(gou)，在轉(zhuan)子(zi)上放有高質量的(de)(de)(de)(de)(de)(de)永(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci)體磁(ci)(ci)(ci)極。由于在轉(zhuan)子(zi)上安放永(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci)體的(de)(de)(de)(de)(de)(de)位置有很(hen)多選擇(ze)，所(suo)以永(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci)同(tong)(tong)步(bu)(bu)電機(ji)(ji)通常會被分為三大類：內嵌式(shi)、面貼式(shi)以及插入式(shi)，如圖1.1所(suo)示。永(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci)同(tong)(tong)步(bu)(bu)電機(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)運行性能(neng)是(shi)(shi)最受關注的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，影響其性能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)因素有很(hen)多，但是(shi)(shi)最主要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)則是(shi)(shi)永(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci)同(tong)(tong)步(bu)(bu)電機(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)構(gou)(gou)。就面貼式(shi)、插入式(shi)和嵌入式(shi)而言，各(ge)種結(jie)構(gou)(gou)都各(ge)有其各(ge)自的(de)(de)(de)(de)(de)(de)優點。

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面(mian)貼式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)永(yong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)同(tong)(tong)步(bu)電(dian)(dian)(dian)機(ji)在(zai)工業上(shang)是(shi)(shi)應(ying)(ying)用(yong)最廣泛的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)，其(qi)(qi)(qi)最主(zhu)要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)原因(yin)(yin)是(shi)(shi)其(qi)(qi)(qi)擁有很(hen)(hen)(hen)多(duo)其(qi)(qi)(qi)他(ta)形式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)電(dian)(dian)(dian)機(ji)無法比擬的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)優(you)(you)點(dian)，例(li)如其(qi)(qi)(qi)制造方便，轉(zhuan)動慣性比較小以(yi)及結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)很(hen)(hen)(hen)簡(jian)單等。并且(qie)這(zhe)種類型(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)永(yong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)同(tong)(tong)步(bu)電(dian)(dian)(dian)機(ji)更加(jia)容易被設計(ji)師(shi)來(lai)(lai)(lai)進行(xing)對其(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)優(you)(you)化設計(ji)，其(qi)(qi)(qi)中最主(zhu)要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)方法是(shi)(shi)設計(ji)成近似正(zheng)弦的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)布把氣(qi)隙磁(ci)(ci)(ci)(ci)鏈的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)布結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)，將其(qi)(qi)(qi)分(fen)布結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)改(gai)成正(zheng)弦分(fen)布后能(neng)夠帶來(lai)(lai)(lai)很(hen)(hen)(hen)多(duo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)優(you)(you)勢，例(li)如它(ta)(ta)(ta)所(suo)帶來(lai)(lai)(lai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)負面(mian)效應(ying)(ying)，能(neng)減小磁(ci)(ci)(ci)(ci)場的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)諧(xie)波以(yi)及應(ying)(ying)用(yong)以(yi)上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)方法能(neng)夠很(hen)(hen)(hen)好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)改(gai)善電(dian)(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)運行(xing)性能(neng)。插入式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)機(ji)之所(suo)以(yi)能(neng)夠跟面(mian)貼式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)機(ji)相(xiang)比較有很(hen)(hen)(hen)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)改(gai)善是(shi)(shi)因(yin)(yin)為(wei)(wei)它(ta)(ta)(ta)充分(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)利用(yong)了它(ta)(ta)(ta)設計(ji)出(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)鏈的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)有著(zhu)不對稱性所(suo)生成的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)獨(du)特的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)阻轉(zhuan)矩能(neng)大(da)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)提高(gao)了電(dian)(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)功率密度，并且(qie)在(zai)也能(neng)很(hen)(hen)(hen)方便的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)制造出(chu)來(lai)(lai)(lai)，所(suo)以(yi)永(yong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)同(tong)(tong)步(bu)電(dian)(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)這(zhe)種結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)被比較多(duo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)用(yong)于(yu)在(zai)傳(chuan)動系統中，但是(shi)(shi)其(qi)(qi)(qi)缺(que)點(dian)也是(shi)(shi)很(hen)(hen)(hen)突出(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)，例(li)如制作成本和漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)系數與面(mian)貼式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)比較都要大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)多(duo)。嵌(qian)入式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)永(yong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)同(tong)(tong)步(bu)電(dian)(dian)(dian)機(ji)中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)永(yong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)體(ti)是(shi)(shi)被安(an)置(zhi)在(zai)轉(zhuan)子的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)內部，相(xiang)比較而言其(qi)(qi)(qi)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)雖然比較復雜，但卻有幾(ji)個(ge)很(hen)(hen)(hen)明顯(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)優(you)(you)點(dian)是(shi)(shi)毋庸(yong)置(zhi)疑的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)，因(yin)(yin)為(wei)(wei)有以(yi)高(gao)氣(qi)隙的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)通密度，所(suo)很(hen)(hen)(hen)明顯(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)它(ta)(ta)(ta)跟面(mian)貼式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)機(ji)相(xiang)比較就會(hui)產(chan)生很(hen)(hen)(hen)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)矩；因(yin)(yin)為(wei)(wei)在(zai)轉(zhuan)子永(yong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)安(an)裝方式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)是(shi)(shi)選(xuan)擇(ze)嵌(qian)入式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)，所(suo)以(yi)永(yong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)體(ti)在(zai)被去磁(ci)(ci)(ci)(ci)后所(suo)帶來(lai)(lai)(lai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)系列的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)危險的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)可能(neng)性就會(hui)很(hen)(hen)(hen)小，因(yin)(yin)此(ci)電(dian)(dian)(dian)機(ji)能(neng)夠在(zai)更高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)旋轉(zhuan)速度下運行(xing)但是(shi)(shi)并不需要考慮轉(zhuan)子中永(yong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)體(ti)是(shi)(shi)否(fou)會(hui)因(yin)(yin)為(wei)(wei)離(li)心力過大(da)而被破壞。

為了體現永磁同步電機的優越性能，與傳統異步電機來進行比較，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構簡單，運行可靠性很高；體積非常的小，質量特別的輕；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點。正是因為其擁有這么多的優勢所以其應用范圍非常的廣泛，幾乎遍及航空航天、國防、工農業的生產和日常生活等的各個領域。永磁同步電動機與感應電動機相比，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，進而減少了定子上的電流以及定子上電阻的損耗，而且在穩定運行的時候沒有轉子電阻上的損耗，進而可以因總損耗的降低而減小風扇（小容量的電機甚至可以不用風扇）以及相應的風磨損耗，從而與同規格的感應電動機相比較其效率可以提高2-8個百分點。