永磁同步电机简述「永磁同步电机简述」

一、永磁同步电机发展历程

1821年，法拉第发现通电的导体能绕永久磁铁旋转，第一次成功实现了电能向机械能的转换，建立了电机的实验室模型，被认为是世界上第一台永磁电机。

1822年，法国的吕萨克发明了电磁铁，即用通过绕在铁心上的线圈的方法产生磁场，这是一项重要的发明，但当时并未得到重视和应用。

1831年，法拉第在发现电磁感应现象之后不久，利用电磁感应原理发明了世界上第一台真正意义上的电机―法拉第圆盘发电机。同年夏天亨利制作了一个简单的装置（震荡电动机），该装置的运动部件是在垂直方向上运动的电磁铁，当端部的导线与两个电池交替连接时，电磁铁的极性自动改变，电磁铁与永磁体相互吸引或排斥，使电磁铁以每分钟75个周期的速度上下运动，亨利的电动机在于第一次展示了由磁极排斥的吸引产生的连续运动，是电磁铁在电动机中的第一次真正运用。

1832年，斯特金发明了换向器，并对亨利的震荡电动机进行了改造，制作了世界上第一台能产生连续运动的旋转电动机。

1834年，德国的雅可比制造了一个简单的装置：在两个U形电磁铁中间装一个六臂轮，每臂带两根棒形磁铁。通电后，棒形磁铁与U形磁铁之间相互吸引或排斥，带动轮轴转动，按在小艇上的时速为2.2公里，这是第一台实用电动机。与此同时，美国的达文波特也成功研制出印刷机驱动用电动机。

1845年英国的霍斯通用电磁铁代替永磁磁铁，1857年也发明了自励电励磁发电机，开创了电励磁方式的新纪元。

20世纪中期，随着铝镍钴和铁氧体永磁的出现以及性能的不断提高，各种新型永磁电机不断出现，并得到了广泛地运用。而随着钕铁硼材料耐高温性能的提高和价格的降低，钕铁硼永磁电机在消防、工农业生产和日常生活等方面得到了越来越广泛地运用，永磁电机的品种和应用领域不断扩大。

二、永磁同步电机定义

转子是永久性磁铁，转子转速与定子旋转磁场转速相同的交流电机。

三、永磁同步电机工作原理

在电动机的定子绕组中通入三相电流，在通入电流后就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场，由于在转子上安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁极的同性相吸异性相斥的原理，在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转，最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等，所以可以把永磁同步电机的起动过程看成是由异步启动阶段和牵入同步阶段组成的。在异步启动的研究阶段中，电动机的转速是从零开始逐渐增大的，造成上诉的主要原因是其在异步转矩、永磁发电制动转矩、由转子磁路不对称而引起的磁阻转矩和单轴转矩等一系列的因素共同作用下而引起的，所以在这个过程中转速是振荡着上升的。在起动过程中，只有异步转矩是驱动性质的转矩，电动机就是以这转矩来得以加速的，其他的转矩大部分以制动性质为主。在电动机的速度由零增加到接近定子的磁场旋转转速时，在永磁体脉振转矩的影响下永磁同步电机的转速有可能会超过同步转速，而出现转速的超调现象。但经过一段时间的转速振荡后，最终在同步转矩的作用下而被牵入同步。

四、永磁同步电机特点

最大的特点是它的定子结构与普通的感应电机的结构非常相似，主要是区别于转子的独特结构与其他电机形成了差别。

五、永磁同步电机结构构成

由定子、转子和端盖等各部件构成

定子：由叠片叠压而成以减少电动机运行时产生的铁耗，其中装有三相交流绕组，称作电枢。

转子：转子可以制成实心的形式，也可以由叠片压制而成，其上装有永磁体材料。根据电机转子上永磁材料所处位置的不同，永磁同步电机可以分为突出式与内置式两种结构形式，图1给出相应的示意图。突出式转子的磁路结构简单，制造成本低，但由于其表面无法安装启动绕组，不能实现异步起动。内置式转子的磁路结构主要有径向式、切向式和混合式3种，它们之间的区别主要在于永磁体磁化方向与转子旋转方向关系的不同。图2给出3种不同形式的内置式转子的磁路结构。由于永磁体置于转子内部，转子表面便可制成极靴，极靴内置入铜条或铸铝等便可起到启动和阻尼的作用，稳态和动态性能都较好。又由于内置式转子磁路不对称，这样就会在运行中产生磁阻转矩，有助于提高电机本身的功率密度和过载能力，而且这样的结构更易于实现弱磁扩速。

六、永磁同步电机分类

1、按励磁电流的供给方式分类

a）他励：从其他电源获得励磁电流的电机。

b）自励：从电机本身获得励磁电流的电机。

2、按供电频率分类

永磁无刷电机包括永磁无刷直流电机（方波型逆变器供电）与永磁无刷交流电机（正弦波型逆变器供电）。

3、按气隙磁场分布分类

a）正弦波永磁同步电机：磁极采用永磁材料，输入三相正弦波电流时，气隙磁场按正弦规律分布，简称为永磁同步电机；

b）梯形波永磁同步电机：磁极仍为永磁材料，但输入方波电流，气隙磁场呈梯形波分布，性能更接近于直流电机。用梯形波永磁同步电机构成的自控变频同步电机又称为无刷直流电机；

4、按照永磁体在转子上的位置分类

a）表面式永磁同步电机：永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，这种电机的重要特点是直、交轴的主电感相等。

b）内置式永磁同步电机：一次填报位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内部有铁磁物质制成的极靴，可以保护永磁体，这类电机的重要谈点事直、交轴的主电感不相等。

七、永磁同步电机控制方式

1、永磁同步电机恒压频比控制方法

2、永磁同步电机直接转矩控制技术

3、永磁同步电机矢量控制技术

八、永磁同步电机优点

1、永磁同步电机本身的功率效率高以及功率因数高。

2、永磁同步电机发热小，因此电机冷却系统结构简单、体积小、噪声小。

3、系统采用全封闭结构，无传动齿轮磨损、无传动齿轮噪声，免润滑油、免维护。

4、永磁同步电机允许的过载电流大，可靠性显著提高。

5、整个传动系统重量轻，簧下重量也比传统的轮轴传动的轻，单位重量的功率大。

6、由于没有齿轮箱，可对转向架系统随意设计，电机尺寸和形状灵活多样。

7、由于采用了永磁材料磁极，特别是采用了稀土金属永磁体(如钕铁硼等)，其磁能积高，可得到较高的气隙磁通密度，因此在容量相同时，电机的体积小、重量轻。

8、转子没有铜损和铁损，也没有集电环和电刷的摩擦损耗，运行效率高。

9、转动惯量小，允许的脉冲转矩大，可获得较高的加速度，动态性能好，结构紧凑，运行可靠。

10、大大减少对环境的污染。

九、永磁同步电机缺点

永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降，或发生退磁现象，有可能降低永磁电动机的性能。另外，稀土式永磁同步电动机要用到稀土材料，制造成本不太稳定。

十、永磁同步电机对比电励磁电机的优点

1）效率高

在转子上嵌入永磁材料后，在正常工作时转子与定子磁场同步运行，转子绕组无感生电流，不存在转子电阻和磁滞损耗，提高了电机效率。

2）功率因数高

永磁同步电机转子中无感应电流励磁，定子绕组呈现阻性负载，电机的功率因数近于1，减小了定子电流，提高了电机的效率。同时功率因数的提高，提高了电网品质因数，减小了输变电线路的损耗，输变电容量也可降低，节省了电网投资。

3）起动转矩大

在需要大起动转矩的设备（如油田抽油电机）中，可以用较小容量的永磁电机替代较大容量的Y系列电机。如果37千瓦永磁同步电机代替45千瓦～55千瓦的Y系列电机，较好地解决了“大马拉小车”的现象，节省了设备投入费用，提高了系统的运行效能。

4）力能指标好

Y系列电机在60％的负荷下工作时，效率下降15％，功率因数下降30％，力能指标下降40％；而永磁同步电机的效率和功率因数下降甚微，当电机只有20％负荷时，其力能指标仍为满负荷的80％以上。

5）温升低

转子绕组中不存在电阻损耗，定子绕组中几乎不存在无功电流，因而电机温升低。

6）体积小，重量轻，耗材少

同容量的永磁同步电机体积、重量、所用材料可以减小30％左右。

7）可大气隙化，便于构成新型磁路。

8）电枢反应小，抗过载能力强。

十一、永磁同步电机应用(用途)

永磁同步电机可以应用在航空、国防、工农业的生产和日常生活等各个领域。

工业配套：工业驱动装置，如纺织机械，减速机配套，水泵配套，风机配套，矿采业设备等以及材料加工系统，自动化设备，机器人等。

交通运输：电动汽车，电车，飞机辅助设备，舰船等。

航天领域：火箭，飞机，宇宙飞船，航天飞机等。

国防领域：坦克，导弹，潜艇，飞机等。

工业发电：风力发电，余热发电，水力发电，内燃发电机组用发电机以及大型发电机的副励磁机等。

十二、永磁同步电机发展趋势

永磁同步电机是众多高新技术和高新技术产业的基础，它与电力电子技术和微电子控制技术相结合，可以制造出许多新型的、性能优异的机电一体化产品和装备，代表了21世纪电机发展的方向。