永磁同步電動機的原理與結構

近些年永磁同步電動機得到較快發展，其特點是功率因數高、效率高，在許多場合開始逐步取代最常用的交流異步電機，其中異步啓動永磁同步電動機的性能優越，是一種很有前途的節能電機。

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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構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極佈置，採用單層鏈式繞組，通電產生4極旋轉磁場。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子

永磁同步電動機與普通異步電動機的不同是轉子結構，轉子上安裝有永磁體磁極，永磁體在轉子中的佈置位置有多種，下面介紹幾種主要形式。

永磁體轉子鐵芯仍需用硅鋼片疊成，因為永磁同步電動機基本都採用逆變器電源驅動，即使產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子，永磁體磁極安裝在轉子鐵芯圓周表面上，稱為表面凸出式永磁轉子。磁極的極性與磁通走向見圖3右圖，這是一個4極轉子。

圖3--表面凸出式永磁轉子

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

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

圖4--表面嵌入式永磁轉子

第三種形式：在較大的電機用得較多是在轉子內部嵌入永磁體，稱為內埋式永磁轉子（或稱為內置式永磁轉子或內嵌式永磁轉子），永磁體嵌裝在轉子鐵芯內部，鐵芯內開有安裝永磁體的槽，永磁體的佈置主要方式見圖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--內埋式永磁轉子的形式

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

圖6--內埋式永磁轉子鐵芯

把永磁體插入轉子鐵芯的安裝槽內，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極轉子。

圖7--內埋式永磁轉子磁通

永磁同步電動機

在安裝好永磁體的轉子鐵芯插入轉軸，並在轉子鐵芯兩側安裝好散熱風扇，見圖8。

圖8--內埋式永磁轉子

把轉子插入定子內，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啓動，因轉子慣量大，磁場旋轉太快，靜止的轉子根本無法跟隨磁場啓動旋轉。永磁同步電動機的電源採用變頻調速器提供，啓動時變頻器輸出頻率從0開始連續上升到工作頻率，電機轉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速，是一種很好的變頻調速電動機。

在電動汽車中廣泛採用永磁同步電動機作為驅動動力，圖10是網絡上的照片，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

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異步啓動永磁同步電動機

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

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

圖11--籠型繞組永磁轉子鐵芯

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

圖12--籠型繞組的永磁轉子磁通

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

圖13--籠型繞組永磁轉子

把轉子與定子、機座等部件進行組裝，組裝成的整機剖視圖見圖14。

圖14--異步啓動永磁同步電動機剖視圖