【永磁同(tong)(tong)步電機(ji)(ji)】永磁同(tong)(tong)步電機(ji)(ji)原(yuan)理(li) 永磁同(tong)(tong)步電機(ji)(ji)結構

永磁同步電機原理

在(zai)交流(liu)異(yi)步(bu)電(dian)(dian)動(dong)機(ji)(ji)中(zhong)(zhong)，轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)磁(ci)(ci)場(chang)的(de)(de)形成要分兩步(bu)走：第一(yi)步(bu)是(shi)(shi)定子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)磁(ci)(ci)場(chang)先在(zai)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)繞組(zu)中(zhong)(zhong)感應(ying)出電(dian)(dian)流(liu)；第二步(bu)是(shi)(shi)感應(ying)電(dian)(dian)流(liu)再產生(sheng)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)磁(ci)(ci)場(chang)。在(zai)楞次(ci)定律的(de)(de)作(zuo)用下，轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)跟(gen)隨定子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)磁(ci)(ci)場(chang)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)動(dong)，但(dan)又“永遠追不上(shang)”，因此(ci)才(cai)稱其為異(yi)步(bu)電(dian)(dian)動(dong)機(ji)(ji)。如果轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)繞組(zu)中(zhong)(zhong)的(de)(de)電(dian)(dian)流(liu)不是(shi)(shi)由定子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)磁(ci)(ci)場(chang)感應(ying)的(de)(de)，而是(shi)(shi)自己產生(sheng)的(de)(de)，則轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)磁(ci)(ci)場(chang)與定子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)磁(ci)(ci)場(chang)無(wu)關，而且(qie)其磁(ci)(ci)極方向是(shi)(shi)固定的(de)(de)，那么根據同性(xing)相(xiang)斥、異(yi)性(xing)相(xiang)吸(xi)的(de)(de)原理(li)，定子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)旋(xuan)(xuan)(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)磁(ci)(ci)場(chang)就(jiu)會拉動(dong)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)，并且(qie)使轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)磁(ci)(ci)場(chang)及轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)與定子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)(xuan)(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)磁(ci)(ci)場(chang)“同步(bu)”旋(xuan)(xuan)(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)。這就(jiu)是(shi)(shi)同步(bu)電(dian)(dian)動(dong)機(ji)(ji)的(de)(de)工作(zuo)原理(li)。

根(gen)據轉子自生磁場產(chan)生方式的(de)不同，又可以將同步電(dian)動(dong)機分為兩(liang)種：

一是將轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)繞組通上外接直流(liu)電(dian)（勵(li)(li)磁電(dian)流(liu)），然后由(you)勵(li)(li)磁電(dian)流(liu)產(chan)生(sheng)(sheng)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)磁場(chang)，進而使轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)與定子(zi)磁場(chang)同步旋轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)。這種由(you)勵(li)(li)磁電(dian)流(liu)產(chan)生(sheng)(sheng)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)磁場(chang)的同步電(dian)動機稱為勵(li)(li)磁同步電(dian)動機。

二(er)是干(gan)脆(cui)在轉子(zi)上嵌(qian)上永(yong)(yong)久磁體(ti)，直(zhi)接產生(sheng)磁場，省去(qu)了勵(li)磁電流或感應電流的(de)環節(jie)。這種由永(yong)(yong)久磁體(ti)產生(sheng)轉子(zi)磁場的(de)同步(bu)電動(dong)機，就稱(cheng)為永(yong)(yong)磁同步(bu)電動(dong)機。

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最多(duo)的(de)(de)電動(dong)機(ji)。但永(yong)磁材(cai)料在(zai)受到(dao)振動(dong)、高(gao)溫和過載電流(liu)作用時，其導磁性(xing)能(neng)可能(neng)會下降，或(huo)發(fa)生(sheng)退(tui)磁現象，有可能(neng)降低永(yong)磁電動(dong)機(ji)的(de)(de)性(xing)能(neng)。另外(wai)，稀土式永(yong)磁同步電動(dong)機(ji)要用到(dao)稀土材(cai)料，制造成本不太(tai)穩(wen)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(xiang)比起來(lai)，電(dian)(dian)機(ji)轉(zhuan)子的(de)(de)轉(zhuan)速(su)總是小于旋轉(zhuan)磁場(chang)（由定子繞組(zu)電(dian)(dian)流產生）的(de)(de)轉(zhuan)速(su)。因此，轉(zhuan)子看(kan)起來(lai)與定子繞組(zu)的(de)(de)電(dian)(dian)流頻(pin)率總是“不一致(zhi)”，這也是其為什(shen)么叫異步電(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)原因。

相(xiang)比于(yu)永磁(ci)(ci)同步電(dian)機(ji)，異步電(dian)機(ji)的(de)優點(dian)是(shi)成(cheng)本低，工藝簡(jian)單(dan)；當然其缺點(dian)就是(shi)其功率(lv)密(mi)(mi)度與轉(zhuan)矩密(mi)(mi)度要低于(yu)永磁(ci)(ci)同步電(dian)機(ji)。而特斯拉(la)ModelS為(wei)何選用異步電(dian)機(ji)而不是(shi)永磁(ci)(ci)同步電(dian)機(ji)，除了控制成(cheng)本這(zhe)個(ge)主要原因(yin)(yin)之外，較大的(de)ModelS車(che)體能夠有足夠空間放的(de)下相(xiang)對(dui)大一點(dian)的(de)異步電(dian)機(ji)，也(ye)是(shi)一個(ge)很重要的(de)因(yin)(yin)素。

永磁同步電機結構

永(yong)(yong)(yong)磁(ci)同步(bu)(bu)電機主要(yao)是由轉子、端蓋、及定子等各(ge)(ge)部件組成的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)。一般(ban)來說(shuo)，永(yong)(yong)(yong)磁(ci) 同步(bu)(bu)電機的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)最(zui)(zui)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)特(te)點是它(ta)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)定子結構與普通(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)感應電機的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)結構非常非常的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)相似，主要(yao)是區別于(yu)轉子的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)獨(du)特(te)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)結構與其它(ta)電機形成了差(cha)別。和(he)常用的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)異步(bu)(bu)電機的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)最(zui)(zui)大(da)不同則(ze)是轉子的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)獨(du)特(te)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)結構，在(zai)轉子上(shang)放有(you)(you)高(gao)質量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)永(yong)(yong)(yong)磁(ci)體磁(ci)極。由于(yu)在(zai)轉子上(shang)安(an)放永(yong)(yong)(yong)磁(ci)體的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)位置(zhi)有(you)(you)很(hen)多選擇，所以永(yong)(yong)(yong)磁(ci)同步(bu)(bu)電機通(tong)常會被分為三(san)大(da)類：內嵌式(shi)(shi)(shi)、面貼式(shi)(shi)(shi)以及插(cha)入式(shi)(shi)(shi)，如圖1.1所示。永(yong)(yong)(yong)磁(ci)同步(bu)(bu)電機的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)運行性(xing)能(neng)(neng)是最(zui)(zui)受關注的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)，影響(xiang)其性(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)因素有(you)(you)很(hen)多，但(dan)是最(zui)(zui)主要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)則(ze)是永(yong)(yong)(yong)磁(ci)同步(bu)(bu)電機的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)結構。就面貼式(shi)(shi)(shi)、插(cha)入式(shi)(shi)(shi)和(he)嵌入式(shi)(shi)(shi)而(er)言，各(ge)(ge)種結構都各(ge)(ge)有(you)(you)其各(ge)(ge)自(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)優(you)點。

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面(mian)貼式(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)永(yong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)同(tong)步電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)在工(gong)業(ye)上是(shi)(shi)應用(yong)(yong)(yong)(yong)最廣泛的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，其(qi)(qi)最主(zhu)要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)原因是(shi)(shi)其(qi)(qi)擁有(you)(you)很(hen)多(duo)其(qi)(qi)他形式(shi)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)無(wu)法(fa)比(bi)擬的(de)(de)(de)(de)(de)(de)優(you)點，例(li)如其(qi)(qi)制造方(fang)(fang)便，轉動慣性(xing)比(bi)較小以及結(jie)(jie)構(gou)(gou)很(hen)簡單等。并且這種(zhong)類(lei)型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)永(yong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)同(tong)步電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)更(geng)加容易被(bei)(bei)設計(ji)(ji)師來進(jin)行(xing)(xing)對其(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)優(you)化設計(ji)(ji)，其(qi)(qi)中最主(zhu)要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)(fang)法(fa)是(shi)(shi)設計(ji)(ji)成近似正(zheng)(zheng)弦的(de)(de)(de)(de)(de)(de)分布(bu)把(ba)氣隙磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)鏈的(de)(de)(de)(de)(de)(de)分布(bu)結(jie)(jie)構(gou)(gou)，將其(qi)(qi)分布(bu)結(jie)(jie)構(gou)(gou)改成正(zheng)(zheng)弦分布(bu)后能(neng)(neng)(neng)夠(gou)(gou)帶來很(hen)多(duo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)優(you)勢，例(li)如它所(suo)(suo)帶來的(de)(de)(de)(de)(de)(de)負面(mian)效應，能(neng)(neng)(neng)減小磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)場的(de)(de)(de)(de)(de)(de)諧波以及應用(yong)(yong)(yong)(yong)以上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)(fang)法(fa)能(neng)(neng)(neng)夠(gou)(gou)很(hen)好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)改善(shan)(shan)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)運行(xing)(xing)性(xing)能(neng)(neng)(neng)。插入(ru)式(shi)結(jie)(jie)構(gou)(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)之所(suo)(suo)以能(neng)(neng)(neng)夠(gou)(gou)跟(gen)面(mian)貼式(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)相(xiang)比(bi)較有(you)(you)很(hen)大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)改善(shan)(shan)是(shi)(shi)因為它充(chong)分的(de)(de)(de)(de)(de)(de)利(li)用(yong)(yong)(yong)(yong)了它設計(ji)(ji)出的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)鏈的(de)(de)(de)(de)(de)(de)結(jie)(jie)構(gou)(gou)有(you)(you)著不對稱性(xing)所(suo)(suo)生成的(de)(de)(de)(de)(de)(de)獨特(te)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)阻轉矩能(neng)(neng)(neng)大大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)提高了電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)功(gong)率密(mi)度，并且在也(ye)(ye)能(neng)(neng)(neng)很(hen)方(fang)(fang)便的(de)(de)(de)(de)(de)(de)制造出來，所(suo)(suo)以永(yong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)同(tong)步電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)這種(zhong)結(jie)(jie)構(gou)(gou)被(bei)(bei)比(bi)較多(duo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)應用(yong)(yong)(yong)(yong)于在傳動系統中，但(dan)是(shi)(shi)其(qi)(qi)缺(que)點也(ye)(ye)是(shi)(shi)很(hen)突出的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，例(li)如制作(zuo)成本和漏(lou)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)系數與面(mian)貼式(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)比(bi)較都要(yao)大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)多(duo)。嵌入(ru)式(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)永(yong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)同(tong)步電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)永(yong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)體是(shi)(shi)被(bei)(bei)安置(zhi)在轉子的(de)(de)(de)(de)(de)(de)內部，相(xiang)比(bi)較而(er)言其(qi)(qi)結(jie)(jie)構(gou)(gou)雖然比(bi)較復雜(za)，但(dan)卻有(you)(you)幾個很(hen)明顯(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)優(you)點是(shi)(shi)毋庸置(zhi)疑的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，因為有(you)(you)以高氣隙的(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)通密(mi)度，所(suo)(suo)很(hen)明顯(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)它跟(gen)面(mian)貼式(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)相(xiang)比(bi)較就會(hui)產(chan)生很(hen)大的(de)(de)(de)(de)(de)(de)轉矩；因為在轉子永(yong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)體的(de)(de)(de)(de)(de)(de)安裝方(fang)(fang)式(shi)是(shi)(shi)選擇(ze)嵌入(ru)式(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，所(suo)(suo)以永(yong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)體在被(bei)(bei)去磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)后所(suo)(suo)帶來的(de)(de)(de)(de)(de)(de)一系列(lie)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)危險的(de)(de)(de)(de)(de)(de)可能(neng)(neng)(neng)性(xing)就會(hui)很(hen)小，因此電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)能(neng)(neng)(neng)夠(gou)(gou)在更(geng)高的(de)(de)(de)(de)(de)(de)旋轉速度下運行(xing)(xing)但(dan)是(shi)(shi)并不需(xu)要(yao)考(kao)慮轉子中永(yong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)體是(shi)(shi)否(fou)會(hui)因為離心力過(guo)大而(er)被(bei)(bei)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。