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1、第四部分,永磁同步電動(dòng)機(jī),,1. 概 述 永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理與電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)相同，但它以永磁體提供的磁通替代后者的勵(lì)磁繞組勵(lì)磁，使電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，降低了加工和裝配費(fèi)用，且省去了容易出問題的集電環(huán)和電刷，提高了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性；又因無需勵(lì)磁電流，省去了勵(lì)磁損耗，提高了電動(dòng)機(jī)的效率和功率密度。因而它是近年來研究得較多并在各個(gè)領(lǐng)域中得到越來越廣泛應(yīng)用的一種電動(dòng)機(jī)。,2. 永磁同步電動(dòng)機(jī)分類,永磁同步電動(dòng)機(jī)分類方法比較多：按工作主磁場(chǎng)方向的不同，可分為徑向磁場(chǎng)式和軸向磁場(chǎng)式； 按電樞繞組位置的不同，可分為內(nèi)轉(zhuǎn)子式(常規(guī)式)和外轉(zhuǎn)子式； 按轉(zhuǎn)子上有無起動(dòng)(阻尼)繞組，可分為無起動(dòng)繞組的電動(dòng)
2、機(jī)(用于變頻器供電的場(chǎng)合，利用頻率的逐步升高而起動(dòng)，并隨著頻率的改變而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，常稱為調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī))和有起動(dòng)繞組的電動(dòng)機(jī)(既可用于調(diào)速運(yùn)行又可在某一頻率和電壓下利用起動(dòng)繞組所產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩起動(dòng)，常稱為異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī))；按供電電流波形的不同，可分為矩形波永磁同步電動(dòng)機(jī)和正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱永磁同步電動(dòng)機(jī))。,3. 永磁同步電動(dòng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu),(1) 高效永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 l轉(zhuǎn)軸 2軸承 3端差 4定子繞組 5機(jī)座 6定子鐵心 7轉(zhuǎn)子鐵心 8永磁體 9起動(dòng)籠 10風(fēng)扇 11風(fēng)罩,(2) 永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖,l轉(zhuǎn)軸 2前端差 3螺釘 4調(diào)整墊片 5軸
3、承 6定子組件 7永磁轉(zhuǎn)子組件 8位置傳感器轉(zhuǎn)子 9后端差 10位置傳感器定子,(3) 調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖,l轉(zhuǎn)軸 2軸承 3端差 4定子繞組 5機(jī)座 6定子鐵心 7，8永磁體 9轉(zhuǎn)子鐵心 10風(fēng)扇 11風(fēng)罩 12位置、速度傳感器 13，14電纜 15專用變頻驅(qū)動(dòng)器,4. 永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),4. 1 表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu) 1） 凸出式 2）插入式 1永磁體 2轉(zhuǎn)子鐵心 3轉(zhuǎn)軸,,1表面凸出式 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本較低、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小等優(yōu)點(diǎn)，在矩形波永磁同步電動(dòng)機(jī)和恒功率運(yùn)行范圍不寬的正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用。此外，表面凸出
4、式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的永磁磁極易于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)，使之成為能使電動(dòng)機(jī)氣隙磁密波形趨近于正弦波的磁極形狀，可顯著提高電動(dòng)機(jī)乃至整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的性能。 2表面插入式 可充分利用轉(zhuǎn)子磁路的不對(duì)稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，提高電動(dòng)機(jī)的功率密度，動(dòng)態(tài)性能較凸出式有所改善，制造工藝也較簡(jiǎn)單，常被某些調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī)所采用。但漏磁系數(shù)和制造成本都較凸出式大。,4.2 內(nèi)置徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)軸 隔磁磁橋 永磁體,,內(nèi)置結(jié)構(gòu)式轉(zhuǎn)子的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體外表面與定子鐵心內(nèi)圓之間(對(duì)外轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)則為永磁體內(nèi)表面與轉(zhuǎn)子鐵心外圓之間)有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，極靴中可以放置鑄鋁籠或銅條籠，起阻尼或(和)起動(dòng)作用，動(dòng)、穩(wěn)
5、態(tài)性能好，廣泛用于要求有異步起動(dòng)能力或動(dòng)態(tài)性能高的永磁同步電動(dòng)機(jī)。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁體受到極靴的保護(hù)，其轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩也有助于提高電動(dòng)機(jī)的過裁能力和功率密度，而且易于“弱磁”擴(kuò)速。 1徑向式結(jié)構(gòu) 優(yōu)點(diǎn)是漏磁系數(shù)小、轉(zhuǎn)軸上不需采取隔磁措施、極弧系數(shù)易于控制、轉(zhuǎn)子沖片機(jī)械強(qiáng)度高、安裝永磁體后轉(zhuǎn)子不易變形等。永磁體軸向插入永磁體槽并通過隔磁磁橋限制漏磁通，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度高，因而近年來應(yīng)用較為廣泛,4.3 內(nèi)置切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu),,,2切向式結(jié)構(gòu) 這類結(jié)構(gòu)的漏磁系數(shù)較大，并且需采用相應(yīng)的隔磁措施，電動(dòng)機(jī)的制造工藝和制造成本較徑向式結(jié)構(gòu)有所增加。其優(yōu)點(diǎn)在于一
6、個(gè)極距下的磁通由相臨兩個(gè)磁極并聯(lián)提供，可得到更大的每極磁通。尤其當(dāng)電動(dòng)機(jī)極數(shù)較多、徑向式結(jié)構(gòu)不能提供足夠的每極磁通時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)便顯得更為突出。此外，采用切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩在電動(dòng)機(jī)總電磁轉(zhuǎn)矩中的比例可達(dá)40，這對(duì)充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩，提高電動(dòng)機(jī)功率密度和擴(kuò)展電動(dòng)機(jī)的恒功率運(yùn)行范圍都是很有利的.,,,4.4 內(nèi)置混合式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu),1-轉(zhuǎn)軸 2-隔磁磁橋 3-永磁體 4-鼠籠條,4.4 內(nèi)置混合式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)（續(xù)）,,,3. 混合式結(jié)構(gòu) 這類結(jié)構(gòu)集中了徑向式和切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)和制造工藝均較復(fù)雜，制造成本也比較高。圖a是由德國(guó)西門子公司發(fā)明的混合式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)
7、，需采用非磁性轉(zhuǎn)軸或采用隔磁銅套，主要應(yīng)用于采用剩磁密度較低的鐵氧體永磁的永磁同步電動(dòng)機(jī)。需指出的是，這種結(jié)構(gòu)的徑向部分永磁體磁化方向長(zhǎng)度約是切向部分永磁體磁化方向長(zhǎng)度的一半。圖b、c是由徑向式結(jié)構(gòu)衍生來的兩種混合式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。其永磁體的徑向部分與切向部分的磁化方向長(zhǎng)度相等，也采取隔磁磁橋隔磁。,5. 永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu),對(duì)于高速的永磁同步電動(dòng)機(jī)，極對(duì)數(shù)少，繞組形式與普通交流電機(jī)的定子一樣。但為了比較方便的放置永磁體，一般多為多極電機(jī)。6 極的居多。 定子繞組一般為雙層短距繞組。 為了改善電動(dòng)勢(shì)波形也有采用分?jǐn)?shù)槽繞組。 為了消除永磁齒磁導(dǎo)轉(zhuǎn)矩，有時(shí)定子鐵心斜一個(gè)定子槽。,永磁同步電動(dòng)機(jī)
8、空載氣隙磁密波形（計(jì)算出）,1氣隙磁密，2基波，33次諧波，45次諧波,實(shí)測(cè)永磁同步電動(dòng)機(jī)空載氣隙磁密波形,永磁同步電動(dòng)機(jī)的空載氣隙磁密波形基本上為一平頂波，與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的氣隙磁密波形相差較大，而與直流電機(jī)的空載氣隙磁密波形相似。,6. 低速永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu),對(duì)于低速永磁同步 電動(dòng)機(jī)，極對(duì)數(shù)多，則 定子槽數(shù)相對(duì)較少。每 極每相導(dǎo)體數(shù) q 少。繞 組設(shè)計(jì)比較講究。 普通雙層短距繞組 波形不好；永磁齒 磁導(dǎo)磁阻轉(zhuǎn)矩大； 繞組端部長(zhǎng),不經(jīng)濟(jì),2. 集中繞組,一對(duì)極下放置三 相集中繞組，繞 組基波系數(shù)低， 電機(jī)性能差。 3. 普通分?jǐn)?shù)槽繞組 的分?jǐn)?shù)槽繞 組可以改善電動(dòng)勢(shì) 和磁動(dòng)勢(shì)波
9、形， 繞組的端部長(zhǎng)。,4. 特殊分?jǐn)?shù)槽繞組,這種 分?jǐn)?shù)槽繞組可以有效 地改善電動(dòng)勢(shì)和磁動(dòng) 勢(shì)波形，由于繞組是 三相的每一相的相鄰 槽連續(xù)纏繞的集中繞 組，繞組的端部長(zhǎng)； 且?guī)缀跻淹耆?永磁齒磁導(dǎo)轉(zhuǎn)矩。 圖中定子齒/極數(shù)為 24/22,7. 永磁同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能,7.1 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和相量圖 正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)與電勵(lì)磁凸極同步電動(dòng)機(jī)有著相似的內(nèi)部電磁關(guān)系，故可采用雙反應(yīng)理論來研究。需要指出的是，由于永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子直軸磁路中永磁體的磁導(dǎo)率很小(對(duì)稀土永磁來說其相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率約為1)，使得電動(dòng)機(jī)直軸電樞反應(yīng)電感一般小于交軸電樞反應(yīng)電感，分析時(shí)應(yīng)注意其異于電勵(lì)磁凸極同步電動(dòng)機(jī)的這一特
10、點(diǎn)。,,電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，根據(jù)雙反應(yīng)理論可寫出永磁同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程。 永磁氣隙基波磁場(chǎng)所產(chǎn)生的每相空載反電動(dòng)勢(shì)有效值； 直、交軸電樞反應(yīng)電抗； 直、交軸同步電抗； 直、交軸電樞電流； 與 間的夾角（內(nèi)功率因數(shù)角）,,由電壓方程可畫出永磁同步電動(dòng)機(jī)于不同情況下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的幾種典型相量圖，圖中， 為氣隙合成基波磁場(chǎng)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，稱為氣隙合成電動(dòng)勢(shì)； 為氣隙合成基波磁場(chǎng)直軸分量所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，稱為直軸內(nèi)電動(dòng)勢(shì)； 為 超前 的角度，即功率角，也稱轉(zhuǎn)矩角； 為電壓超前定子相電流 的角度，即功率因數(shù)角。,超前 和 相當(dāng)于容性負(fù)載 補(bǔ)償電網(wǎng)無功 直軸電樞反應(yīng) 為去磁性質(zhì),,超前 與 同相位 直軸電樞反應(yīng) 為去磁性質(zhì),,超前 滯后 相當(dāng)于感性負(fù)載 直軸電樞反應(yīng) 為去磁性質(zhì),與 同相位 僅有交軸電樞 反應(yīng)，無直軸 電樞反應(yīng),,,滯后 相當(dāng)于感性負(fù)載 直軸電樞反應(yīng) 為助磁性質(zhì),7.2 永磁同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和矩角特性 電動(dòng)機(jī)的電角速度 電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù) m 電動(dòng)機(jī)的相數(shù),,8. 矩形波電流控制永磁同步電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng),,9 永磁同步電動(dòng)機(jī) 控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖,,
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