永磁同步電動機的原理與結(jié)構(gòu)詳解

近些年永磁同步電動機得到較快發(fā)展，其特點是功率因數(shù)高、效率高，在許多場合開始逐步取代最常用的交流異步電機，其中異步啟動永磁同步電動機的性能優(yōu)越，是一種很有前途的節(jié)能電機。

?1 永磁同步電動機

永磁同步電動機的定子

永磁同步電動機的定子結(jié)構(gòu)與工作原理與交流異步電動機一樣，多為4極形式。圖1是安裝在機座內(nèi)的定子鐵芯，有24個槽。

圖1—定子鐵芯與機座

電機繞組按3相4極布置，采用單層鏈式繞組，通電產(chǎn)生4極旋轉(zhuǎn)磁場。圖2是有線圈繞組的定子示意圖。

圖2--同步電動機定子繞組

永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子

永磁同步電動機與普通異步電動機的不同是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上安裝有永磁體磁極，永磁體在轉(zhuǎn)子中的布置位置有多種，下面介紹幾種主要形式。

永磁體轉(zhuǎn)子鐵芯仍需用硅鋼片疊成，因為永磁同步電動機基本都采用逆變器電源驅(qū)動，即使產(chǎn)生正弦波的變頻器輸出都含有高頻諧波，若用整體鋼材會產(chǎn)生渦流損耗。

第一種形式：圖3左圖就是一個安裝有永磁體磁極的轉(zhuǎn)子，永磁體磁極安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯圓周表面上，稱為表面凸出式永磁轉(zhuǎn)子。磁極的極性與磁通走向見圖3右圖，這是一個4極轉(zhuǎn)子。

圖3--表面凸出式永磁轉(zhuǎn)子

根據(jù)磁阻最小原理，也就是磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合，利用磁引力拉動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，于是永磁轉(zhuǎn)子就會跟隨定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)。

第二種形式：圖4中，左圖是另一種安裝有永磁體磁極的轉(zhuǎn)子，永磁體磁極嵌裝在轉(zhuǎn)子鐵芯表面，稱為表面嵌入式永磁轉(zhuǎn)子。磁極的極性與磁通走向見圖4右圖，這也是一個4極轉(zhuǎn)子。

圖4--表面嵌入式永磁轉(zhuǎn)子

第三種形式：在較大的電機用得較多是在轉(zhuǎn)子內(nèi)部嵌入永磁體，稱為內(nèi)埋式永磁轉(zhuǎn)子（或稱為內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子或內(nèi)嵌式永磁轉(zhuǎn)子），永磁體嵌裝在轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部，鐵芯內(nèi)開有安裝永磁體的槽，永磁體的布置主要方式見圖5。在每一種形式中又有采用多層永磁體進行組合的方式。

圖5--內(nèi)埋式永磁轉(zhuǎn)子的形式

下面就徑向式布置的轉(zhuǎn)子為例做介紹。圖6是轉(zhuǎn)子鐵芯，為防止永磁體磁通短路，在轉(zhuǎn)子鐵芯還開有隔磁空槽，槽內(nèi)也可填充隔磁材料。

圖6--內(nèi)埋式永磁轉(zhuǎn)子鐵芯

把永磁體插入轉(zhuǎn)子鐵芯的安裝槽內(nèi)，見圖7左圖。磁極的極性與磁通走向見圖7右圖，可看出隔磁空槽減小漏磁的作用。這是一個4極轉(zhuǎn)子。

圖7--內(nèi)埋式永磁轉(zhuǎn)子磁通

永磁同步電動機

在安裝好永磁體的轉(zhuǎn)子鐵芯插入轉(zhuǎn)軸，并在轉(zhuǎn)子鐵芯兩側(cè)安裝好散熱風扇，見圖8。

圖8--內(nèi)埋式永磁轉(zhuǎn)子

把轉(zhuǎn)子插入定子內(nèi)，安裝好端蓋，組裝成整機，見圖9。

圖9--永磁同步電動機剖視圖

永磁同步電動機不能直接通三相交流的啟動，因轉(zhuǎn)子慣量大，磁場旋轉(zhuǎn)太快，靜止的轉(zhuǎn)子根本無法跟隨磁場啟動旋轉(zhuǎn)。永磁同步電動機的電源采用變頻調(diào)速器提供，啟動時變頻器輸出頻率從0開始連續(xù)上升到工作頻率，電機轉(zhuǎn)速則跟隨變頻器輸出頻率同步上升，改變變頻器輸出頻率即可改變電機轉(zhuǎn)速，是一種很好的變頻調(diào)速電動機。

在電動汽車中廣泛采用永磁同步電動機作為驅(qū)動動力，圖10是網(wǎng)絡上的照片，是比亞迪電動大巴的輪邊電機，為永磁同步電動機，最大功率90kW。永磁同步電動機已在高鐵動車組作為牽引電機使用，功率在600kW以上。

圖10 電動大巴永磁同步電動機

?2 異步啟動永磁同步電動機

異步啟動永磁同步電動機采用變頻調(diào)速器大大增加了電機成本，在不需要調(diào)速的場合，直接用三相交流電供電的方法，在永磁轉(zhuǎn)子上加裝籠型繞組。有籠型繞組的永磁轉(zhuǎn)子在接通電源旋轉(zhuǎn)磁場一建立，就會在籠型繞組感生電流，轉(zhuǎn)子就會像交流異步電動機一樣啟動旋轉(zhuǎn)，當轉(zhuǎn)速接近旋轉(zhuǎn)磁場時就會跟上同步旋轉(zhuǎn)。這就是異步啟動永磁同步電動機，是近些年開始普及的節(jié)能電機。

為了安裝籠型繞組，在轉(zhuǎn)子鐵芯疊片圓周上沖有許多安裝導電條的槽（孔），槽的形狀可為方形、圓形或類似普通轉(zhuǎn)子的嵌線槽，見圖11。

圖11--籠型繞組永磁轉(zhuǎn)子鐵芯

在轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部嵌裝永磁體，永磁體安裝方式為切向式，當然也可以采用其他形式安裝。圖12左圖是切向安裝永磁體的籠型繞組轉(zhuǎn)子，這也是一個4極轉(zhuǎn)子，為了防止永磁體的磁通通過轉(zhuǎn)軸短路，在轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)子鐵芯間加裝有隔磁材料，轉(zhuǎn)子的磁通走向見圖12右圖。

圖12--籠型繞組的永磁轉(zhuǎn)子磁通

焊接式籠型轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)子每個槽內(nèi)插入銅條，銅條與轉(zhuǎn)子鐵芯兩端的銅端環(huán)焊接形成籠型轉(zhuǎn)子。鑄鋁式籠型轉(zhuǎn)子與普通交流異步電動機一樣采用鑄鋁方式制作，將熔化的鋁液直接注入轉(zhuǎn)子槽內(nèi)，并同時鑄出端環(huán)與風扇葉片，在端環(huán)上要留插入永磁體的缺口，鑄鋁式籠型轉(zhuǎn)子是廉價的做法，圖13是一個鑄鋁式籠型轉(zhuǎn)子。

圖13--籠型繞組永磁轉(zhuǎn)子

把轉(zhuǎn)子與定子、機座等部件進行組裝，組裝成的整機剖視圖見圖14。

圖14--異步啟動永磁同步電動機剖視圖

來源：電機技術(shù)及應用