【永(yong)磁同(tong)步電(dian)機(ji)】永(yong)磁同(tong)步電(dian)機(ji)原理 永(yong)磁同(tong)步電(dian)機(ji)結構

永磁同步電機原理

在交(jiao)流(liu)異(yi)步(bu)(bu)(bu)電(dian)(dian)動(dong)機中，轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)形成要分兩步(bu)(bu)(bu)走：第一步(bu)(bu)(bu)是定(ding)(ding)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)先在轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)繞組中感(gan)應出電(dian)(dian)流(liu)；第二步(bu)(bu)(bu)是感(gan)應電(dian)(dian)流(liu)再產(chan)生轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)。在楞次定(ding)(ding)律的(de)(de)(de)作(zuo)(zuo)用下，轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)跟隨定(ding)(ding)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)動(dong)，但又“永(yong)遠追不上(shang)”，因此才稱其(qi)為異(yi)步(bu)(bu)(bu)電(dian)(dian)動(dong)機。如果轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)繞組中的(de)(de)(de)電(dian)(dian)流(liu)不是由定(ding)(ding)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)感(gan)應的(de)(de)(de)，而(er)是自己產(chan)生的(de)(de)(de)，則(ze)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)與(yu)定(ding)(ding)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)無關，而(er)且其(qi)磁(ci)(ci)極(ji)方向(xiang)是固定(ding)(ding)的(de)(de)(de)，那么(me)根據同(tong)(tong)性(xing)相斥(chi)、異(yi)性(xing)相吸的(de)(de)(de)原理(li)，定(ding)(ding)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)就會拉動(dong)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)，并且使轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)及轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)與(yu)定(ding)(ding)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)磁(ci)(ci)場(chang)(chang)(chang)“同(tong)(tong)步(bu)(bu)(bu)”旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)。這就是同(tong)(tong)步(bu)(bu)(bu)電(dian)(dian)動(dong)機的(de)(de)(de)工作(zuo)(zuo)原理(li)。

根據(ju)轉子自生磁場產生方(fang)式的不同，又可以將同步電動機(ji)分為兩種：

一是將轉子(zi)(zi)(zi)繞(rao)組(zu)通上外接直(zhi)流(liu)電（勵(li)磁電流(liu)），然后由勵(li)磁電流(liu)產生(sheng)轉子(zi)(zi)(zi)磁場，進而使轉子(zi)(zi)(zi)與定子(zi)(zi)(zi)磁場同(tong)(tong)步(bu)旋轉。這種由勵(li)磁電流(liu)產生(sheng)轉子(zi)(zi)(zi)磁場的同(tong)(tong)步(bu)電動機稱為勵(li)磁同(tong)(tong)步(bu)電動機。

二是(shi)干脆(cui)在轉(zhuan)子上(shang)嵌上(shang)永(yong)久磁(ci)(ci)體(ti)，直接(jie)產生磁(ci)(ci)場，省去了勵磁(ci)(ci)電(dian)流或感應電(dian)流的環節。這(zhe)種由永(yong)久磁(ci)(ci)體(ti)產生轉(zhuan)子磁(ci)(ci)場的同步電(dian)動機，就稱(cheng)為永(yong)磁(ci)(ci)同步電(dian)動機。

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(ying)用(yong)最(zui)多的(de)電動(dong)機。但永磁(ci)材(cai)料在受到振(zhen)動(dong)、高溫(wen)和過載(zai)電流(liu)作用(yong)時，其導(dao)磁(ci)性能(neng)可能(neng)會下降，或發生(sheng)退磁(ci)現象，有(you)可能(neng)降低永磁(ci)電動(dong)機的(de)性能(neng)。另外，稀土式永磁(ci)同步電動(dong)機要用(yong)到稀土材(cai)料，制造成(cheng)本不太(tai)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(xiang)比起(qi)來，電(dian)機(ji)轉(zhuan)(zhuan)子的轉(zhuan)(zhuan)速總(zong)是小于旋轉(zhuan)(zhuan)磁場（由定子繞(rao)組電(dian)流(liu)(liu)產生(sheng)）的轉(zhuan)(zhuan)速。因(yin)此，轉(zhuan)(zhuan)子看起(qi)來與定子繞(rao)組的電(dian)流(liu)(liu)頻率(lv)總(zong)是“不一(yi)致(zhi)”，這也是其為什(shen)么叫異步電(dian)機(ji)的原因(yin)。

相(xiang)比(bi)于(yu)(yu)永(yong)磁(ci)同步(bu)(bu)電(dian)機(ji)，異步(bu)(bu)電(dian)機(ji)的(de)優(you)點是(shi)成(cheng)本(ben)低，工(gong)藝簡(jian)單；當然(ran)其(qi)缺點就是(shi)其(qi)功率密(mi)度與轉矩(ju)密(mi)度要(yao)低于(yu)(yu)永(yong)磁(ci)同步(bu)(bu)電(dian)機(ji)。而特斯拉ModelS為(wei)何選(xuan)用(yong)異步(bu)(bu)電(dian)機(ji)而不是(shi)永(yong)磁(ci)同步(bu)(bu)電(dian)機(ji)，除了(le)控制成(cheng)本(ben)這個主要(yao)原因之外，較大的(de)ModelS車(che)體(ti)能夠有足夠空間放的(de)下相(xiang)對大一點的(de)異步(bu)(bu)電(dian)機(ji)，也是(shi)一個很重要(yao)的(de)因素。

永磁同步電機結構

永(yong)(yong)(yong)磁(ci)同(tong)(tong)(tong)步(bu)(bu)電(dian)(dian)(dian)機(ji)主(zhu)要(yao)是(shi)(shi)由轉子(zi)(zi)(zi)、端蓋、及定子(zi)(zi)(zi)等各部(bu)件組成的(de)(de)(de)。一般來說，永(yong)(yong)(yong)磁(ci) 同(tong)(tong)(tong)步(bu)(bu)電(dian)(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)(de)最大(da)(da)的(de)(de)(de)特點是(shi)(shi)它的(de)(de)(de)定子(zi)(zi)(zi)結(jie)(jie)構與普(pu)通的(de)(de)(de)感應電(dian)(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)(de)結(jie)(jie)構非(fei)常非(fei)常的(de)(de)(de)相(xiang)似，主(zhu)要(yao)是(shi)(shi)區別于(yu)轉子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)獨特的(de)(de)(de)結(jie)(jie)構與其(qi)它電(dian)(dian)(dian)機(ji)形成了差別。和常用(yong)的(de)(de)(de)異步(bu)(bu)電(dian)(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)(de)最大(da)(da)不(bu)同(tong)(tong)(tong)則是(shi)(shi)轉子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)獨特的(de)(de)(de)結(jie)(jie)構，在轉子(zi)(zi)(zi)上放有(you)高質量的(de)(de)(de)永(yong)(yong)(yong)磁(ci)體(ti)磁(ci)極。由于(yu)在轉子(zi)(zi)(zi)上安放永(yong)(yong)(yong)磁(ci)體(ti)的(de)(de)(de)位置有(you)很(hen)多選(xuan)擇(ze)，所以(yi)永(yong)(yong)(yong)磁(ci)同(tong)(tong)(tong)步(bu)(bu)電(dian)(dian)(dian)機(ji)通常會被分為三大(da)(da)類(lei)：內(nei)嵌式、面貼式以(yi)及插入式，如圖1.1所示。永(yong)(yong)(yong)磁(ci)同(tong)(tong)(tong)步(bu)(bu)電(dian)(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)(de)運行性能是(shi)(shi)最受關注的(de)(de)(de)，影響其(qi)性能的(de)(de)(de)因素有(you)很(hen)多，但是(shi)(shi)最主(zhu)要(yao)的(de)(de)(de)則是(shi)(shi)永(yong)(yong)(yong)磁(ci)同(tong)(tong)(tong)步(bu)(bu)電(dian)(dian)(dian)機(ji)的(de)(de)(de)結(jie)(jie)構。就面貼式、插入式和嵌入式而言，各種結(jie)(jie)構都各有(you)其(qi)各自的(de)(de)(de)優(you)點。

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面貼式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)永(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci)同步(bu)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)在(zai)(zai)(zai)(zai)工業上是(shi)應用最廣(guang)泛(fan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)，其(qi)(qi)(qi)(qi)最主要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)原因(yin)(yin)是(shi)其(qi)(qi)(qi)(qi)擁有(you)(you)很(hen)(hen)(hen)多(duo)其(qi)(qi)(qi)(qi)他形(xing)式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)無(wu)法(fa)比(bi)(bi)(bi)(bi)擬(ni)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)優(you)(you)點(dian)，例如其(qi)(qi)(qi)(qi)制(zhi)造方(fang)便，轉(zhuan)(zhuan)動(dong)慣性(xing)比(bi)(bi)(bi)(bi)較(jiao)(jiao)小(xiao)以(yi)及(ji)結構(gou)(gou)很(hen)(hen)(hen)簡單等(deng)。并(bing)且(qie)這(zhe)種類(lei)型(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)永(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci)同步(bu)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)更加容易被(bei)(bei)設計師(shi)來進行對(dui)其(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)優(you)(you)化設計，其(qi)(qi)(qi)(qi)中(zhong)最主要的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)法(fa)是(shi)設計成(cheng)(cheng)近似(si)正弦(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)分布(bu)把氣(qi)隙磁(ci)(ci)(ci)鏈的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)分布(bu)結構(gou)(gou)，將其(qi)(qi)(qi)(qi)分布(bu)結構(gou)(gou)改成(cheng)(cheng)正弦(xian)分布(bu)后能(neng)(neng)夠帶來很(hen)(hen)(hen)多(duo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)優(you)(you)勢，例如它(ta)所(suo)帶來的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)負(fu)面效應，能(neng)(neng)減小(xiao)磁(ci)(ci)(ci)場的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)諧波以(yi)及(ji)應用以(yi)上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)法(fa)能(neng)(neng)夠很(hen)(hen)(hen)好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)改善電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)運行性(xing)能(neng)(neng)。插入(ru)式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)結構(gou)(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)之所(suo)以(yi)能(neng)(neng)夠跟面貼式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)相(xiang)比(bi)(bi)(bi)(bi)較(jiao)(jiao)有(you)(you)很(hen)(hen)(hen)大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)改善是(shi)因(yin)(yin)為它(ta)充分的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)利用了它(ta)設計出的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)鏈的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)結構(gou)(gou)有(you)(you)著不(bu)對(dui)稱性(xing)所(suo)生成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)獨(du)特的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)阻轉(zhuan)(zhuan)矩(ju)能(neng)(neng)大(da)(da)大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)提高(gao)了電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)(du)，并(bing)且(qie)在(zai)(zai)(zai)(zai)也能(neng)(neng)很(hen)(hen)(hen)方(fang)便的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)制(zhi)造出來，所(suo)以(yi)永(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci)同步(bu)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)這(zhe)種結構(gou)(gou)被(bei)(bei)比(bi)(bi)(bi)(bi)較(jiao)(jiao)多(duo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)應用于在(zai)(zai)(zai)(zai)傳動(dong)系(xi)統中(zhong)，但是(shi)其(qi)(qi)(qi)(qi)缺(que)點(dian)也是(shi)很(hen)(hen)(hen)突(tu)出的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)，例如制(zhi)作(zuo)成(cheng)(cheng)本和漏磁(ci)(ci)(ci)系(xi)數(shu)與(yu)面貼式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)比(bi)(bi)(bi)(bi)較(jiao)(jiao)都要大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)多(duo)。嵌入(ru)式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)永(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci)同步(bu)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)永(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci)體是(shi)被(bei)(bei)安(an)置(zhi)在(zai)(zai)(zai)(zai)轉(zhuan)(zhuan)子(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)內部(bu)，相(xiang)比(bi)(bi)(bi)(bi)較(jiao)(jiao)而言其(qi)(qi)(qi)(qi)結構(gou)(gou)雖然比(bi)(bi)(bi)(bi)較(jiao)(jiao)復(fu)雜，但卻有(you)(you)幾(ji)個(ge)很(hen)(hen)(hen)明顯(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)優(you)(you)點(dian)是(shi)毋庸置(zhi)疑的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)，因(yin)(yin)為有(you)(you)以(yi)高(gao)氣(qi)隙的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)通密(mi)度(du)(du)，所(suo)很(hen)(hen)(hen)明顯(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)它(ta)跟面貼式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)相(xiang)比(bi)(bi)(bi)(bi)較(jiao)(jiao)就會(hui)產生很(hen)(hen)(hen)大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)矩(ju)；因(yin)(yin)為在(zai)(zai)(zai)(zai)轉(zhuan)(zhuan)子(zi)永(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci)體的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)安(an)裝方(fang)式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)是(shi)選擇嵌入(ru)式(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)，所(suo)以(yi)永(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci)體在(zai)(zai)(zai)(zai)被(bei)(bei)去磁(ci)(ci)(ci)后所(suo)帶來的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)一系(xi)列的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)危險的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)可能(neng)(neng)性(xing)就會(hui)很(hen)(hen)(hen)小(xiao)，因(yin)(yin)此電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)(ji)(ji)能(neng)(neng)夠在(zai)(zai)(zai)(zai)更高(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)速度(du)(du)下運行但是(shi)并(bing)不(bu)需要考慮轉(zhuan)(zhuan)子(zi)中(zhong)永(yong)(yong)磁(ci)(ci)(ci)體是(shi)否會(hui)因(yin)(yin)為離心力過大(da)(da)而被(bei)(bei)破壞(huai)。

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。