【最新】永磁同步电动机教材

（5）异步电机的气隙都是均匀的，而同步电机
则有隐极式和显极式之分。隐极式电机气隙是
均匀的，而显极式电机的气隙磁阻不均匀，对
于电励磁的电机直轴磁阻小，交轴磁阻大。对
于永磁电机直轴磁阻大，交轴磁阻小。
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• 以前，由于同步电动机存在着自身的弱点（起
动费事，必须由异步电动机拖动，重载时有振
收，显然是评价调速系统效率高低的一种
标志。从这点出发，可以把感应电机的调
速20系21/2/2统分成三类。
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（1）转差功率消耗型调速系统
全部转差功率都换成热能的形式而消
耗掉。上述的第①、②、③三种调速方法
都属于这一类。在这三类感应电机调速系
统之中，这类系统的效率最低，而且它是
以增加转差功率的消耗来换取转速的降低
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感应电动机调速的基本方法
• 按照交流感应电动机的基本原理，从定子
传入转子的电磁功率 P e m 可分为两部分：一 部分是拖动负载的有效功率 Pmech(1s)P em ，
即机械功率；另一部分是转差功率 PS sPem ， 与转差率成正比。从能量转换的角度看，
转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回
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调速永磁同步电动机结构示意图
l－转轴 2－轴承 3－端差 4－定子绕组 5－机座 6－定子铁心 7，8－永磁体 9－转子铁心 10—风扇 11—风罩 12－位置、速度传感器 13，14－电缆 15－专用变频驱动器
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永磁同步电动机的转子结构
表面式转子磁路结构
1） 凸出式
相同，但它以永磁体提供的磁通替代后者的励磁
绕组励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工
和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电
刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁
电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和
功率密度。因而它是近年来研究得较多并在各个
领域中得到越来越广泛应用的一种电动机。
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n 6 0 f1 ( 1 s )/P n n 0 ( 1 s )
• 感应电动机的调速方法分为变频调速、变极对 数调速和调转差率调速三种。
• 具体的说常见的基本种类有：①降电压调速； ②电磁转差离合器调速；③绕线转子感应电机 转子回路串电阻调速；④绕线转子感应电机串 级调速；⑤变极对数调速；⑥变压变频调速等。
2）插入式
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1－永磁体 2－转子铁心 3－转轴
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1．表面凸出式 结构简单、制造成本较低、转动 惯量小等优点，在矩形波永磁同步电动机和恒 功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电动机中 得到了广泛应用。此外，表面凸出式转子结构 中的永磁磁极易于实现最优设计，使之成为能 使电动机气隙磁密波形趋近于正弦波的磁极形 状，可显著提高电动机乃至整个传动系统的性 能。
• 在变频调速系统中，由变频器提供给电机的频率变化
的电压或电流激励均是非正弦的，除基波外，还包含
大量的谐波。分析表明，决定感应电机变频运行特性
的主要还是基波，谐波分量只起着使电机电压或电流
畸变、产生谐波损耗、恶化力能指标、引起转矩脉动
的作用。
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变频调速的基本控制方式
• 若希望一台感应电机获得良好的运行性能、力
主要有交－交变频器和交－直－交变频器两大
类；按控制方法分有标量控制、矢量控制和感
应2机021/2的/2 直接转矩控制。
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感应电机变频调速
• 感应电机，特别是笼型感应电机，结构简单、牢固， 价格便宜，运行可靠，无需维护，在交流传动中得到 了极为广泛的应用。感应电机采用变频调速技术后， 调速范围广，调速时因转差功率不变而无附加能量损 失，是一种性能优良的高效的调速方式，是交流电机 调速传动发展的主要方向。
感应（异步）电机要通过三相定子绕组从电网吸收感性无 功电流来建立气隙磁场。电机功率因数低，效率也有所降低有特性，它经过预先磁化[充磁]以后，
不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场。这既可简化电
机结构，又可节约能量。
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• 与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是 稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积 小，质量轻；损耗少，效率高；电机的形状和 尺寸可以灵活多样等显著优点。因而应用范围 极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业 生产和日常生活的各个领域。
逐步替代直流调速的时代。
• 电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。随 着新型电力电子器件的不断涌现，变频技术获得飞速 发展。
• 在变频技术日新月异地发展的同时，交流电动机控制 技术取得了突破性进展。
• 微处理机引入控制系统，促进了模拟控制系统向数字
控2制021/系2/2 统的转化。
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1.2 感应电动机调速的基本方法
• 永磁同步电动机与感应电动机相比，不需要无 功励磁电流可以显著提高功率因数(可达到1、 甚至容性)，减少了定子电流和定子电阻损耗， 而且在稳定运行时没有转子电阻损耗，进而可 以因总损耗降低而减小风扇(小容量电机甚至可 以去掉风扇)和相应的风摩损耗，从而使其效率 比2同021/2规/2 格感应电动机可提高2—8个百分点。 3
• 变频调速系统的原理框图
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变频调速的特点
• 变频调速的优点在于：改变频率时转差率不变， 也就是不同转速时不变，因而转差损耗小，特 性硬，调速范围宽，调速精度高，适用于调速 性能要求较高的场合。另一方面，变频调速装 置的成本较高（尽管价钱还在降低），变频调 速原理较复杂。
• 变频调速的方法也有多种，按变频器的类型分
永磁同步电动机
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电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换 的电磁装置。为了在电机内建立必需的气隙磁场，可 以有两种方法。
1. 在电机绕组内通以电流来产生磁场
如普通的直流电机和同步电机。要专门设置励磁绕组，通 入直流电，来建立气隙磁场。电机体积增大，励磁功率造成电 机发热，效率降低。
永磁同步电动机的总体结构
1. 高效永磁同步电动机结构示意图
l－转轴 2－轴承 3－端差 4－定子绕组 5－机座 6－定子铁心 7－转子铁心 8－永磁体 9－起动笼 10—风扇 11—风罩
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永磁直流无刷电动机结构示意图
l－转轴 2－前端差 3－螺钉 4－调整垫片 5－轴承 6－定子组件 7－永磁转子组件 8－位置传感器转子 9－后端差 10—位置传感器定子
2．表面插入式 可充分利用转子磁路的不对称性
所产生的磁阻转矩，提高电动机的功率密度，
动态性能较凸出式有所改善，制造工艺也较简
单，常被某些调速永磁同步电动机所采用。但
漏2磁021/2系/2 数和制造成本都较凸出式大。
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同步电机与感应（异步）电机的区别
同步电机与感应（异步）电机的区别在于：
（1）同步电机的转速严格的与电源频率保持同步，转差 为零，而异步电机的转速永远低于同步转速，转差不 为零，可以靠控制转差来调速。
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永磁同步电动机分类
• 永磁同步电动机分类方法比较多：按工作主磁场方向 的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕 组位置的不同，可分为内转子式(常规式)和外转子式； 按转子上有无起动绕组，可分为无起动绕组的电动机 (用于变频器供电的场合，利用频率的逐步升高而起动， 并随着频率的改变而调节转速，常称为调速永磁同步 电动机)和有起动绕组的电动机(既可用于调速运行又 可在某一频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转 矩起动，常称为异步起动永磁同步电动机)；按供电电 流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机和正弦 波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。异步起动 永磁同步电动机用于频率可调的传动系统时，形成一 台2具021/有2/2 阻尼(起动)绕组的调速永磁同步电动机。 7
荡和失步的危险），一般工业设备很少用。变
频调速技术弥补了这些缺点：起动时变频器频
率逐渐上升，转速也逐渐提高，不需其他起动
设备；失步问题是由于同步转速不变，转子落
后的角度过大引起的，而变频调速中的转速和
转矩闭环控制，可以随时调节同步转速，避免
了失步现象。由于同步电机的固有优点使同步
电机的变频调速成为交流调速的一个很有潜力
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• 从感应电机定子每相电动势有效值公式看
E 14.44f1 W 1kW 1Φ m
• 对一台电机，其结构参数确定，则有
Φm
E1 f1
• 说明只要协调地控制 E 1 、 f 1 ，即可达到控制气
隙磁通 Φ m 的目的。但由于电机绝缘和供电电源
的限制，电机运行频率在基频以下及基频以上
调速时须采取不同的控制方式。
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感应电动机的 变频调速控制
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1. 概论
1.1 感应电动机调速的概况与趋势
• 在相当长时期内，直流调速一直以性能优良领先于交 流调速。60年代以后，特别是70年代以来，电力电子 技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以
与直流调速相媲美、相竞争，目前，交流调速已进入
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1. 基频以下调速
• 要保持气隙磁通 Φ m 额定不变，必须采用恒电
动势频率比的控制方式，即变频过程中须维持
能指标，必须保持其磁路工作点稳定不变，即
保持每极磁通量 Φ m 额定不变。因为若 m 太强，
电机磁路饱和，励磁电流、励磁损耗及发热增
大；若太 m弱，电机力能指标下降，电机出力不 够，铁芯也未充分利用。换句话说，保持每极
磁通量
额定不变而维持较高值，则产生同
m
样的电磁转矩而需要的有功电流最小。