永磁同步電機簡述

一、永磁同步電機發展歷程

1821年，法拉第發現通電的導體能繞永久磁鐵旋轉，一次成功實現了電能向機械能的轉換，建立了電機的實驗室模型，被認為是世界上一臺永磁電機。

1822年，法國的呂薩克發明了電磁鐵，即用通過繞在鐵心上的線圈的方法產生磁場，這是一項重要的發明，但當時并未得到重視和應用。

1831年，法拉第在發現電磁感應現象之后不久，利用電磁感應原理發明了世界上一臺真正意義上的電機―法拉第圓盤發電機。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，當端部的導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生的連續運動，是電磁鐵在電動機中的一次真正運用。

1832年，斯特金發明了換向器，并對亨利的震蕩電動機進行了改造，制作了世界上一臺能產生連續運動的旋轉電動機。

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，美國的達文波特也成功研制

出印刷機驅動用電動機。

1845年英國的霍斯通用電磁鐵代替永磁磁鐵，1857年也發明了自勵電勵磁發電機，開創了電勵磁方式的新紀元。

20世紀中期，隨著鋁鎳鈷和鐵氧體永磁的出現以及性能的不斷提高，各種新型永磁電機不斷出現，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、工農業生產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

種和應用領域不斷擴大。

二、永磁同步電機定義

轉子是永久性磁鐵，轉子轉速與定子旋轉磁場轉速相同的交流電機。

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磁場，由于在轉子上安裝了永磁體，永磁體的磁極是固定的，根據磁極的同性相吸異性相斥的原理，在定子中產生的旋轉磁場會帶動轉子進行旋轉，最終達到轉子的旋轉速度與定子

中產生的旋轉磁極的轉速相等，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矩、永磁發電制動轉矩、由轉子磁路不對稱而引起的

磁阻轉矩和單軸轉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速是振蕩著上升的。在起動過程中，只有異步轉矩是驅動性質的轉矩，電動機就是以這轉矩來得以加速的，其他的轉矩大部分以制動性質為主。在電動機的速度由零增加到接近定子的磁場旋

轉轉速時，在永磁體脈振轉矩的影響下永磁同步電機的轉速有可能會超過同步轉速，而出現轉速的超調現象。但經過一段時間的轉速振蕩后，最終在同步轉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構與普通的感應電機的結構非常相似，主要是區別于轉子的獨特結構與其他電機形成了差別。

五、永磁同步電機結構構成

由定子、轉子和端蓋等各部件構成

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

轉子：轉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。根據電機轉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置式兩種結構形式，圖1給出相應的示意圖。突出式轉子的磁路結構簡單，制造成本低，但由于其表面無法安裝

啟動繞組，不能實現異步起動。內置式轉子的磁路結構主要有徑向式、切向式和混合式3種，它們之間的區別主要在于永磁體磁化方向與轉子旋轉方向關系的不同。圖2給出3種不同形式的內置式轉子的磁路結構。由于永磁體置于轉子內部，轉子表面便可制成極靴，極靴內

置入銅條或鑄鋁等便可起到啟動和阻尼的作用，穩態和動態性能都較好。又由于內置式轉子磁路不對稱，這樣就會在運行中產生磁阻轉矩，有助于提高電機本身的功率密度和過載能力，而且這樣的結構更易于實現弱磁擴速。



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）內置式永磁同步電機：一次填報位于轉子內部，永磁體外表面與定子鐵心內部有鐵磁物質制成的極靴，可以保護永磁體，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矩控制技術

3、永磁同步電機矢量控制技術

八、永磁同步電機優點

1、永磁同步電機本身的功率效率高以及功率因數高。

2、永磁同步電機發熱小，因此電機冷卻系統結構簡單、體積小、噪聲小。

3、系統采用全封閉結構，無傳動齒輪磨損、無傳動齒輪噪聲，免潤滑油、免維護。

4、永磁同步電機允許的過載電流大，可靠性顯著提高。

5、整個傳動系統重量輕，簧下重量也比傳統的輪軸傳動的輕，單位重量的功率大。

6、由于沒有齒輪箱，可對轉向架系統隨意設計，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、轉子沒有銅損和鐵損，也沒有集電環和電刷的摩擦損耗，運行效率高。

9、轉動慣量小，允許的脈沖轉矩大，可獲得較高的加速度，動態性能好，結構緊湊，運行可靠。

10、大大減少對環境的污染。

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，其導磁性能可能會下降，或發生退磁現象，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，制造成本不太穩定。

十、永磁同步電機對比電勵磁電機的優點

1）效率高

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

2）功率因數高

永磁同步電機轉子中無感應電流勵磁，定子繞組呈現阻性負載，電機的功率因數近于1，減小了定子電流，提高了電機的效率。同時功率因數的提高，提高了電網品質因數，減小了輸變電線路的損耗，輸變電容量也可降低，節省了電網投資。

3）起動轉矩大

在需要大起動轉矩的設備（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”的現象，節省了設備投入費用，提高了系統的運行效能。

4）力能指標好

Y系列電機在60％的負荷下工作時，效率下降15％，功率因數下降30％，力能指標下降40％；而永磁同步電機的效率和功率因數下降甚微，當電機只有20％負荷時，其力能指標仍為滿負荷的80％以上。

5）溫升低

轉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，便于構成新型磁路。

8）電樞反應小，抗過載能力強。

十一、永磁同步電機應用(用途)

永磁同步電機可以應用在航空、國防、工農業的生產和日常生活等各個領域。

工業配套：工業驅動裝置，如紡織機械，減速機配套，水泵配套，風機配套，礦采業設備等以及材料加工系統，自動化設備，機器人等。

交通運輸：電動汽車，電車，飛機輔助設備，艦船等。

航天領域：火箭，飛機，宇宙飛船，航天飛機等。

國防領域：坦克，潛艇，飛機等。

工業發電：風力發電，余熱發電，水力發電，內燃發電機組用發電機以及大型發電機的副勵磁機等。

十二、永磁同步電機發展趨勢

永磁同步電機是眾多高新技術和高新技術產業的基礎，它與電力電子技術和微電子控制技術相結合，可以制造出許多新型的、性能優異的機電一體化產品和裝備，代表了21世紀電機發展的方向。