永磁同步电机

（一）稳态运行和相量图
利用双轴电枢反应分析法（双反 应理论）研究永磁同步电动机。 同步电机的电枢反应：同步电机 电枢磁势基波对磁极主磁场的影响。
旋转磁势的形成
B
A Z
X
A
B
C Y
C
iA I m sin(ωt )
ωt 90 ωt 4 5 0 A
iA I m
FA
X
FA
A
ωt 210
1、表面式转子磁路结构
凸出式转子结构使用特点
具有结构简单、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。
永磁同步电动机转子直轴磁路中永磁体 的磁导率很小，Xad较小，故一般Xad < Xaq。
分析时应注意其异于电励磁凸极同步电 动机的这一特点 。
二、永磁同步电动机的转子磁路结构
转子磁路结构不同，电动机的运行性能、控
制系统、制造工艺和适用场合也不同。按照 永磁体在转子上位臵的不同，永磁同步电动 机的转子磁路结构一般可分为三种：表面式、 内臵式和爪极式。
永磁同步电动机的转子磁路结构
1. 表面式转子磁路结构
2. 内置式转子磁路结构 3. 爪极式转子磁路结构
4. 隔磁措施
4、隔磁措施
5 4 4 3 2 1
b
3 2
3 2 1
b

4
b

1一转轴 2一转于铁心 3一永磁体槽 4一永磁体 5一转于导条
4、隔磁措施
隔磁磁桥宽度b越小，该部位磁阻便越大，越能限 制漏磁通。但是b过小将使冲片机械强度变差，并缩短 冲模的使用寿命。隔磁磁桥长度w也是一个关键尺寸， 计算结果表明，如果隔磁磁桥长度不能保证一定的尺寸， 即使磁桥宽度小，磁桥的隔磁效果也将明显下降。但过 大的w将使转子机械强度下降，制造成本提高。 切向式转子结构的隔磁措施一般采用非磁性转轴或 在转轴上加隔磁铜套，这使得电动机的制造成本增加， 制造工艺变得复杂。近年来，研制了采用空气隔磁加隔 磁磁桥的新技术，取得了一定的效果。但转子的机械强 度显得不足，电动机可靠性下降。
B
ωt 90 ωt 4 5 0 A
iA I m
S
F
FA
Z
iB iC 1 2 Im
X
FB
FC
FC
FB
A
FB FC
ωt 210
iB I m
1 2
FA
FA
ωt 330
C
B
C
iC I m i A iB 1 2 Im
i A iC I m
2 1 S N N S 3 4 3 1 S N N S 4
S N N
S
S N N
S
(a)
(b)
1—转轴 2—空气隔磁槽 3—永磁体 4—转子导条
2、内置切向式转子磁路结构
这类结构的漏磁系数较大，并且需采用相应 的隔磁措施。电动机制造工艺相制造成本较径向 式结构有所增加。其优点在于一个极距下的磁通 由相临两个磁极并联提供，可得到更大的每极磁 通。尤其当电动机极数较多、径向式结构不能提 供足够的每极磁通时，这种结构的优势便显得更 为突出。此外，采用切向式转子结构的永磁同步 电动机的磁阻转矩在电动机总电磁转矩中的比例 可达40％，这对充分利用磁阻转矩，提高电动机 功率密度和扩展电动机的恒功率运行范围都是很 有利的。
电枢反应
1. 纯阻性 电枢电流 I 与励磁电势E 0 同相（ ψ=0 ）
E0
A相电势最大 纯阻性：A相电流最大
I
Z
B
Fa
iA I m , iB iC 0.5I m
F=IW A相磁势F最大 电枢磁势 Fa 轴线与 励磁磁势 Ff 轴线垂直
X
S
F ff F N
A
n
C
Y
电枢反应
1. 纯阻性
1. 表面式转子磁路结构
2. 内置式转子磁路结构 3. 爪极式转子磁路结构
4. 隔磁措施
3、爪极式转子磁路结构
1 2
3
4
1—左法兰盘 2—圆环形永磁体 3—右法兰盘 4—非磁性转轴
3、爪极式转子磁路结构
左右法兰盘的爪数相同，且两者的爪极互 相错开，沿圆周均匀分布，永磁体轴向充磁， 因而左右法兰盎的爪极分别形成极性相异，相 互错开的永磁同步电动机的磁极。爪极式转子 结构永磁同步电动机的性能较低，又不具备异 步起动能力，但结构和工艺较为简单。
1、表面式转子磁路结构
插入式转子结构使用特点
这种结构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 漏磁系数和制造成本都较凸出式大。
1、表面式转子磁路结构
总之，表面式转子磁路结构的制造工艺简 单、成本低，应用较为广泛，尤其适宜于矩形 波永磁同步电动机。但因转子表面无法安放起 动绕组，无异步起动能力，不能用于异步起动 永磁同步电动机。
于“弱磁”扩速。
径向式结构
切向式结构
混合式结构
2、内置径向式转子磁路结构
早期常用
3 1 S N 4 1 2 N S
应用较为广泛
3 4
S
N
N
S
S
N
N
S
S S N (a) (b) N
1—转轴 2—永磁体槽 3—永磁体 4—转子导条
2、内置径向式转子磁路结构
更大的永磁体空间
3 2 1 S S N S N N S N S S N S N N S N 3 4
一、永磁同步电动机的总体结构
永磁同步电动机也由定子、转子和端盖等部
件构成。定子与普通感应电动机基本相同， 也采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。 转子铁心可以做成实心的，也可以用叠片叠 压而成。
永磁同步电动机横截面示意图
1 2 3 4
1—定子 2—永磁体 3—转轴 4—转子铁心
一、永磁同步电动机的总体结构
2、内置混合式转子磁路结构
由于磁路结构和尺寸多种多样，X d 、X q 的 大小需要根据所选定的结构和具体尺寸运用电 磁场数值计算求得。较大的 X q 和凸极率可以提 高电动机的牵入同步能力、磁阻转矩和电动机 的过载倍数，因此设计高过载倍数的电动机时 可充分利用大的凸极率所产生的磁阻转矩。
永磁同步电动机的转子磁路结构
为减小电动机杂散损耗，定子绕组通常采 用星形接法。永磁同步电动机的气隙长度是一 个非常关键的尺寸，尽管它对这类电动机的无 功电流的影响不如对感应电动机那么敏感，但 是它对电动机的交、直轴电抗影响很大，进而 影响到电动机的其他性能。此外，气隙长度的 大小还对电动机的装配工艺和电动机的杂散损 耗有着较大的影响。
iA 1 I 2 m
ωt 330
iA 1 I 2 m
iA I m sin(ωt )
A
FA
X
FA
A
iA I m sin(ωt )
A
FA
X
FA
ABiblioteka Baidu
iA I m sin(ωt )
A
FA
X
FA
A
i A I m sin (ωt ) iB I m sin (ωt 120) iC I m sin (ωt 240)
N
Y
A Z
B
S
F
FA
X
FB
FC
FC
FB
A
FB FC
FA
FA
B
C
C
N
Y
A Z
B
S
F
FA
X
FB
FC
FC
FB
A
FB FC
FA
FA
B
C
C
N
Y
电枢磁势基波特点：
1. 幅值恒定，Fa用空间矢量表示时，磁势矢量顶点的轨 迹是圆； 2. 当某相的电流为最大时，此时磁势的轴线在该相绕组 的轴线上； 3. 转速 n1=60f/p=n 与磁极的转速相等； 4. 转向与磁极转向相同。 电枢磁势的基波与磁极励磁磁势相对静止，共同 产生气隙合成磁场。
外转子结构
4
(c)
(d)
1—转轴 2—永磁体槽 3—永磁体 4—转子导条
2、内置径向式转子磁路结构
优点是漏磁系数小、转轴上不需采取 隔磁措施、极弧系数易于控制、转子冲片 机械强度高、安装永磁体后转子不易变形 等。
2、内置切向式转子磁路结构
优点：一个极距下的磁通由相临两个磁极并联 提供，可得到更大的每极磁通。
二、永磁同步电动机的转子磁路结构
1. 表面式转子磁路结构
2. 内置式转子磁路结构 3. 爪极式转子磁路结构
4. 隔磁措施
1、表面式转子磁路结构
N S N S
S
N
N
S
S
N
N
S
S N
S N
(a)凸出式（隐极结构）
(b)插入式（凸极结构）
1、表面式转子磁路结构
对采用稀土永磁的电机来说，由于永 磁材料的相对回复磁导率接近1，所以表 面凸出式转于在电磁性能上属于隐极转子 结构；而表面插入式转子的相邻两永磁磁 极间有着磁导率很大的铁磁材料，故在电 磁性能上属于凸极转子结构。
第二章 永磁电机
永磁电机的主要特点和应用
永磁直流电机 永磁同步电动机 永磁同步发电机
永磁同步电动机
一．永磁同步电动机的总体结构
二．永磁同步电动机的转子磁路结构
三．永磁同步电动机的稳态性能
四．永磁同步电动机的磁路分析与计算 五．永磁同步电动机的参数计算和分析 六．异步起动永磁同步电动机的起动过程
永磁同步电动机
主磁场方向不同：径向磁场式和轴向磁场式。
电枢绕组位置：内转子式（常规式）和外转
子式。 转子有无起动绕组：无起动绕组电动机（常 称为调速永磁同步电动机）和有起动绕组电 动机（常称为异步起动永磁同步电动机）。 供电电流波形：可分为矩形波永磁同步电动 机（简称为无刷直流电动机）和正弦波永磁 同步电动机（简称为永磁同步电动机）。
E0
I
Z
A相电势最大 纯感性：A相电流为零
B
iA 0, iB 0.5I m , iC 0.5I m F=IW
永磁同步电动机
一．永磁同步电动机的总体结构
二．永磁同步电动机的转子磁路结构
三．永磁同步电动机的稳态性能
四．永磁同步电动机的磁路分析与计算 五．永磁同步电动机的参数计算和分析
六．异步起动永磁同步电动机的起动过程
永磁同步电动机的稳态性能
（一）稳态运行和相量图 （二）稳态运行性能分析计算 （三）损耗分析计算
(c)
(d)
1—转轴 2—永磁体槽 3—永磁体 4—转子导条
2、内置混合式转子磁路结构
这类结构集中了径向式和切问式转子结构的优点， 但结构和制造工艺均较复杂，制造成本也比较高。图 (a)是由德国西门子公司发明的混合式转子磁路结构， 需采用非磁性转轴或采用隔磁铜套，主要应用于采用 剩磁密度较低的铁氧体永磁同步电动机。图(b)所示结 构近年来用得较多，也采用隔磁磁桥隔磁。这种结构 的径向部分永磁体磁化方向长度约是切向部分永磁体 磁化方向长度的一半。图(c)和(d)永磁体的径向部分与 切向部分的磁化方向长度相等，也采取隔磁磁桥隔磁。 但制造工艺却依次更复杂，转子冲片的机械强度也有 所下降。
2、内置混合式转子磁路结构
2 1 N 1 S N S S N S N S N 1 S N S N N S S N 3 4 S N N S N S 3 4
(a)
(b)
1—转轴 2—永磁体槽 3—永磁体 4—转子导条
2、内置混合式转子磁路结构
2 N 1 S S N S N S N N N S N S N S S S S 3 4 1 S S 2 N N S S N N S S N N N N N N N N S S S S 3 4
2、内置混合式转子磁路结构
在选择转子磁路结构时还应考虑到不同转 子磁路结构电机的交、直轴同步电抗 X d 、X q 及 其比例 X d X q (称为凸极率)也不同。在相同条 件下，上述三类转子磁路结构电动机的直轴同 Xq X d 相差不大，但它们的交轴同步电抗 步电抗 Xq 却相差较大。切向式转子结构电动机的 最大， 径向式转子结构电动机的 X q次之。
直轴、交轴
直轴或d轴：磁极轴线 交轴或q轴：与磁极轴 线正交的方位。 影响： 扭歪主磁场 交轴磁势与主磁场相 互作用产生电磁转矩， 实现机电能量转换的必 要条件！！
交轴电枢反应
B
Fa
q
X
Z
S
F ff F N
d
A
n
C
Y
电枢反应
2. 感性 电枢电流 I 滞后励磁电势 E 0 90º （ ψ=＋ 90º ）
永磁同步电动机的转子磁路结构
1. 表面式转子磁路结构
2. 内置式转子磁路结构 3. 爪极式转子磁路结构
4. 隔磁措施
2、内置式转子磁路结构
永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心 内圆之间有铁磁物质制成的极靴，极靴中可以放臵铸 铝笼或铜条笼，起阻尼或(和)起动作用，动、稳态性 能好，广泛用于要求有异步起动能力或动态性能高的 永磁同步电动机。内臵式转子内的永磁体受到极靴的 保护，其转子磁路结构的不对称性所产生的磁阻转矩 也有助于提高电动机的过载能力和功率密度，而且易