电机学笔记—同步电机6：永磁同步电机（永磁同步电机简介）

磁场是电机实现机电能量转换的媒介，根据建立磁场的方式不同，电机可分为电励磁电机和永磁电机。在交、直流电机中，用永磁体替代直流励磁以产生气隙磁场的电机称为永磁电机。与普通电励磁电机相比，永磁电机由于取消了励磁系统，因此具有效率高，结构简单、紧凑，体积小，质量轻及运行可靠等优点。特别是随着永磁材料性能的提高，目前永磁电机在家用电器、医疗器械、交通运输、工业和国防等领域都获得了广泛的应用[1]。

永磁电机中使用的永磁材料主要有铁氧体和钕铁硼两种。铁氧体的特点是剩磁低，矫顽力高、相对回复磁导率小、抗去磁能力强，实际应用中宜做成扁平形状，主要用于小型永磁电机。钕铁硼是目前磁性能最强的永磁材料，但温度稳定性较差，价格较高，仅在特殊场合使用。

下面先简单介绍永磁同步电机的磁路结构，然后介绍两种常用的永磁同步电机：

1 永磁同步电动机的磁路结构

永磁同步电动机的定子与普通电励磁电动机相同，定子绕组为对称的三相短距、分布绕组，与交流电网相连，定子电流为三相正弦电流。永磁同步电动机的转子与普通电励磁电机不同，转子的磁极由不同形状的永磁体构成。根据永磁体材料的种类、安置方式及永磁体充磁方向的不同，可以形成不同的磁路结构。

1.1 永磁体材料种类不同

根据电动机中永磁体所用材料的种类的多少，可以形成单一式磁路结构和混合式磁路结构。单一式磁路结构的永磁体由一种材料构成，是最常用的磁路结构。若永磁体采用两种或两种以上材料构成，则称为混合式励磁结构。两种材料构成的永磁同步电动机的混合励磁结构能够充分发挥永磁材料的优势，提高电动机的性能。

1.2 永磁体安置方式不同

按永磁体在转子上的放置方式不同，又可以形成表面式和内置式磁路结构。表面式磁路结构又分为凸出式和嵌入式。表面凸出式的转子永磁体直接粘贴在转子铁芯表面，由于永磁体的磁导率与空气相近，所以这种磁路结构与电磁励磁同步电机的隐极转子结构相似，但计算气隙比电励磁电机大很多，同步电抗的标幺值比传统同步电机小得多。表面嵌入式的转子永磁体磁极置于转子表面的槽内，这种磁路结构与电励磁同步电机的凸极转子结构相似，但由于交轴气隙磁导率大于直轴气隙磁导，所以其交轴同步电抗大于直轴同步电抗，与传统凸极同步电机相反。表面式磁路结构具有加工和安装方便的优点；内置式磁路结构的转子永磁体磁极置于转子铁芯内部，加工和安装工艺复杂，漏磁大，但可以放置较多的永磁体以提高气隙磁密，减少电机的质量和体积。

1.3 永磁体充磁方向不同

根据永磁体充磁方向不同，则可形成径向和切向两种磁路结构。径向磁路结构的转子永磁体磁极沿径向磁化，多用于稀土永磁材料的永磁电机；切向磁路结构的转子永磁体磁极沿切线方向磁化。

2 异步启动永磁同步电动机

异步启动永磁同步电动机是具有自启动能力的永磁同步电动机，同步具有感应电机和电励磁同步电动机的特点。异步启动永磁同步电动机的转子上除了安装有永磁体磁极外，还装有笼型启动绕组。启动时，定子绕组通入三相电流，在气隙中形成以同步转速旋转的气隙磁场，该磁场与转子笼型绕组中的感应电流相互作用，产生具有驱动性质的异步转矩 TMT_{M} ，这与普通感应电机相似；当转子旋转时，转子永磁体在气隙中形成以 (1−s)ns\left( 1-s \right)n_{s} 转速旋转的磁场，该磁场在定子绕组中感应频率为 (1−s)f1\left( 1-s \right)f_{1} 的一组三相电流，该电流与永磁体产生的磁场相互作用，在转子上产生一个制动性质的电磁转矩 TGT_{G} ，这种情况与同步发电机三相稳态短路时相似。启动时的合成电磁转矩 TeT_{e} 是 TMT_{M} 和 TGT_{G} 的叠加。正常运行时，转子运行在同步转速，笼型转子不再起作用，其工作原理与电励磁同步电动机基本相同。

3 调速永磁同步电动机

调速永磁同步电动机又称为正弦波电流驱动永磁无刷电动机，其定子结构与普通感应电机相似。与异步启动永磁同步电动机不同的是，由于采用了变频启动，所以转子上没有用于启动的笼型绕组，其转子的磁路机构性质多种多样，通过选择适当的永磁体结构和表面设计确保其能够产生正弦分布的气隙磁场；定子由正弦波脉宽调制的电压型逆变器供电，三相电流为正弦或准正弦波。

严格地讲，调速永磁同步电动机是一种典型的机电一体化电机，它不仅包括单机本体，而且还涉及位置传感器、电力电子逆变器以及驱动电路。典型的调速永磁同步电动机的基本组成如下图所示：

调速永磁同步电动机的转速是通过调节供电变频器的频率来调节的，变频器输出定子电流的大小取决于负载，受发热的限制，频率取决于转子的实际位置和转速，转子转速越高，变频器的输出频率越高。转子的位置需要通过高准确度的位置传感器连续测量获得，定子三相电流的通断受控于转子的位置，以使定子电流的通断频率与转子转速同步，所以调速永磁同步电动机属于自控式同步电动机。

4 永磁同步电动机分析方法

永磁同步电动机分析方法、基本方程和运行特性与电励磁同步电动机相似，可以采用分析传统同步电动机的方法来研究，但是由于转子磁路结构的特殊性，分析时需要注意一下三方面：

参考