永磁同步電機(jī)原理、特點(diǎn)、應(yīng)用詳解

電機(jī)對(duì)于工農(nóng)業(yè)來說至關(guān)重要，本文將會(huì)對(duì)電機(jī)的定義、分類、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的分類進(jìn)行簡(jiǎn)介，并詳細(xì)介紹永磁同步電機(jī)的原理、特點(diǎn)以及應(yīng)用。

電機(jī)的定義

所謂電機(jī)，顧名思義，就是將電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的一種電力元器件。當(dāng)電能被轉(zhuǎn)換成機(jī)械能時(shí)，電機(jī)表現(xiàn)出電動(dòng)機(jī)的工作特性；當(dāng)電能被轉(zhuǎn)換成機(jī)械能時(shí)，電機(jī)表現(xiàn)出發(fā)電機(jī)的工作特性。電機(jī)主要由轉(zhuǎn)子，定子繞組，轉(zhuǎn)速傳感器以及外殼，冷卻等零部件組成。

電機(jī)的分類

按結(jié)構(gòu)和工作原理劃分：直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)。
按工作電源種類劃分：可分為直流電機(jī)和交流電機(jī)。
交流電機(jī)還可分：?jiǎn)蜗嚯姍C(jī)和三相電機(jī)。
直流電動(dòng)機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可劃分：無刷直流電動(dòng)機(jī)和有刷直流電動(dòng)機(jī)。
有刷直流電動(dòng)機(jī)可劃分：永磁直流電動(dòng)機(jī)和電磁直流電動(dòng)機(jī)。
電磁直流電動(dòng)機(jī)劃分：串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)和復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。
永磁直流電動(dòng)機(jī)劃分：稀土永磁直流電動(dòng)機(jī)、鐵氧體永磁直流電動(dòng)機(jī)和鋁鎳鈷永磁直流電動(dòng)機(jī)。

按結(jié)構(gòu)和工作原理劃分：可分為直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)。
同步電機(jī)可劃分：永磁同步電動(dòng)機(jī)、磁阻同步電動(dòng)機(jī)和磁滯同步電動(dòng)機(jī)。
異步電機(jī)可劃分：感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和交流換向器電動(dòng)機(jī)。
感應(yīng)電動(dòng)機(jī)可劃分：三相異步電動(dòng)機(jī)、單相異步電動(dòng)機(jī)和罩極異步電動(dòng)機(jī)等。
交流換向器電動(dòng)機(jī)可劃分：?jiǎn)蜗啻畡?lì)電動(dòng)機(jī)、交直流兩用電動(dòng)機(jī)和推斥電動(dòng)機(jī)。
按起動(dòng)與運(yùn)行方式劃分：電容起動(dòng)式單相異步電動(dòng)機(jī)、電容運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電動(dòng)機(jī)、電容起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電動(dòng)機(jī)和分相式單相異步電動(dòng)機(jī)。
按用途劃分：驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)和控制用電動(dòng)機(jī)。

永磁同步電機(jī)

所謂永磁，指的是在制造電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)加入永磁體，使電機(jī)的性能得到進(jìn)一步的提升。而所謂同步，則指的是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子繞組的電流頻率始終保持一致。因此，通過控制電機(jī)的定子繞組輸入電流頻率，電動(dòng)汽車的車速將最終被控制。而如何調(diào)節(jié)電流頻率，則是電控部分所要解決的問題。

永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

永磁電動(dòng)機(jī)具有較高的功率/質(zhì)量比，體積更小，質(zhì)量更輕，比其他類型電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩更大，電動(dòng)機(jī)的極限轉(zhuǎn)速和制動(dòng)性能也比較優(yōu)異，因此永磁同步電動(dòng)機(jī)已成為現(xiàn)今電動(dòng)汽車應(yīng)用最多的電動(dòng)機(jī)。但永磁材料在受到振動(dòng)、高溫和過載電流作用時(shí)，其導(dǎo)磁性能可能會(huì)下降，或發(fā)生退磁現(xiàn)象，有可能降低永磁電動(dòng)機(jī)的性能。另外，稀土式永磁同步電動(dòng)機(jī)要用到稀土材料，制造成本不太穩(wěn)定

永磁同步電機(jī)與異步電機(jī)

除了永磁同步電機(jī)，異步電機(jī)也因特斯拉的使用而被廣泛關(guān)注。與同步電機(jī)相比起來，電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速總是小于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（由定子繞組電流產(chǎn)生）的轉(zhuǎn)速。因此，轉(zhuǎn)子看起來與定子繞組的電流頻率總是“不一致”，這也是其為什么叫異步電機(jī)的原因。

相比于永磁同步電機(jī)，異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是成本低，工藝簡(jiǎn)單；當(dāng)然其缺點(diǎn)就是其功率密度與轉(zhuǎn)矩密度要低于永磁同步電機(jī)。而特斯拉ModelS為何選用異步電機(jī)而不是永磁同步電機(jī)，除了控制成本這個(gè)主要原因之外，較大的ModelS車體能夠有足夠空間放的下相對(duì)大一點(diǎn)的異步電機(jī)，也是一個(gè)很重要的因素。

永磁同步電動(dòng)機(jī)怎樣產(chǎn)生動(dòng)力？

在交流異步電動(dòng)機(jī)中，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的形成要分兩步走：第一步是定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)先在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出電流;第二步是感應(yīng)電流再產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)。在楞次定律的作用下，轉(zhuǎn)子跟隨定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)，但又“永遠(yuǎn)追不上”，因此才稱其為異步電動(dòng)機(jī)。如果轉(zhuǎn)子繞組中的電流不是由定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)感應(yīng)的，而是自己產(chǎn)生的，則轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)無關(guān)，而且其磁極方向是固定的，那么根據(jù)同性相斥、異性相吸的原理，定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就會(huì)拉動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并且使轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)及轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)“同步”旋轉(zhuǎn)。這就是同步電動(dòng)機(jī)的工作原理。

根據(jù)轉(zhuǎn)子自生磁場(chǎng)產(chǎn)生方式的不同，又可以將同步電動(dòng)機(jī)分為兩種：

一是將轉(zhuǎn)子繞組通上外接直流電（勵(lì)磁電流），然后由勵(lì)磁電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，進(jìn)而使轉(zhuǎn)子與定子磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)。這種由勵(lì)磁電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的同步電動(dòng)機(jī)稱為勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)。

二是干脆在轉(zhuǎn)子上嵌上永久磁體，直接產(chǎn)生磁場(chǎng)，省去了勵(lì)磁電流或感應(yīng)電流的環(huán)節(jié)。這種由永久磁體產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的同步電動(dòng)機(jī)，就稱為永磁同步電動(dòng)機(jī)。

以下是通用汽車和奧迪的永磁同步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造：