永磁同步電機(jī)原理

1、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(lái)說(shuō)至關(guān)重要，本文將會(huì)對(duì)電機(jī)的定義、分類(lèi)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的分類(lèi)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(lèi) 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(lèi)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)

2、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)、

3、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(guò)控制電機(jī)的定子繞組輸入電流頻率，電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)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(wèn)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(lèi)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(chē)應(yīng)用最多的電動(dòng)機(jī)。但永磁材料在

4、受到振動(dòng)、高溫和過(guò)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(lái)，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(lái)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

5、ModelS車(chē)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(wú)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)

6、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(chē)和奧迪的永磁同步電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造：永磁同步電機(jī)的應(yīng)用 永磁同步電機(jī)逐漸在工農(nóng)業(yè)中廣泛應(yīng)用，近十多年來(lái)，由于新技術(shù)，新工藝和新器件的涌現(xiàn)和使用，使得永磁同步電機(jī)的勵(lì)磁方式得到了不斷的發(fā)展和完善。在自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置方面，也不斷研制和推廣使用了許多新型的調(diào)節(jié)

7、裝置。目前很多國(guó)家都在研制和試驗(yàn)用微型機(jī)計(jì)算機(jī)配以相應(yīng)的外部設(shè)備構(gòu)成的數(shù)字自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置，這種調(diào)節(jié)裝置將能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)最佳調(diào)節(jié)。永磁同步電機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量的生產(chǎn)機(jī)械要求連續(xù)地以大致不變的速度單方向運(yùn)行，例如風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)、普通機(jī)床等。永磁同步電機(jī)成本較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢靠，維修方便，很適合該類(lèi)機(jī)械的驅(qū)動(dòng)。當(dāng)然，憑借永磁同步電機(jī)自身的優(yōu)勢(shì)，廣大新能源汽車(chē)制造商首選永磁同步電機(jī)，在電梯中也得到了廣泛的應(yīng)用。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的分類(lèi) 按照不同的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的要求，電機(jī)驅(qū)動(dòng)又分為定速驅(qū)動(dòng)、調(diào)速驅(qū)動(dòng)和精密控制驅(qū)動(dòng)三類(lèi)。1、 定速驅(qū)動(dòng)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有大量的生產(chǎn)機(jī)械要求連續(xù)地以大致不變的速度單方向運(yùn)行，例如風(fēng)機(jī)、泵

8、、壓縮機(jī)、普通機(jī)床等。對(duì)這類(lèi)機(jī)械以往大多采用三相或單相異步電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。異步電動(dòng)機(jī)成本較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢靠，維修方便，很適合該類(lèi)機(jī)械的驅(qū)動(dòng)。但是，異步電動(dòng)機(jī)效率、功率因數(shù)低、損耗大，而該類(lèi)電機(jī)使用面廣量大，故有大量的電能在使用中被浪費(fèi)了。其次，工農(nóng)業(yè)中大量使用的風(fēng)機(jī)、水泵往往亦需要調(diào)節(jié)其流量，通常是通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)、閥來(lái)完成的，這其中又浪費(fèi)了大量的電能。70年代起，人們用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)、水泵中異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)它們的流量，取得可觀的節(jié)能效果，但變頻器的成本又限制了它的使用，而且異步電動(dòng)機(jī)本身的低效率依然存在。2、 調(diào)速驅(qū)動(dòng)有相當(dāng)多的工作機(jī)械，其運(yùn)行速度需要任意設(shè)定和調(diào)節(jié)，但速度控制精度要求并不非常

9、高。這類(lèi)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在包裝機(jī)械、食品機(jī)械、印刷機(jī)械、物料輸送機(jī)械、紡織機(jī)械和交通車(chē)輛中有大量應(yīng)用。在這類(lèi)調(diào)速應(yīng)用領(lǐng)域最初用的最多的是直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，70年代后隨電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速迅速滲透到原來(lái)的直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。這是因?yàn)橐环矫娈惒诫妱?dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能價(jià)格完全可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，另一方面異步電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)相比有著制造工藝簡(jiǎn)單、效率高、同功率電機(jī)用銅量少、維護(hù)保養(yǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)。故異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速在許多場(chǎng)合迅速取代了直流調(diào)速系統(tǒng)。3、 精密控制驅(qū)動(dòng) 高精度的伺服控制系統(tǒng)伺服電動(dòng)機(jī)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的運(yùn)行控制中扮演了十分重要的角色，應(yīng)用場(chǎng)合的不同對(duì)伺服電

10、動(dòng)機(jī)的控制性能要求也不盡相同。實(shí)際應(yīng)用中，伺服電動(dòng)機(jī)有各種不同的控制方式，例如轉(zhuǎn)矩控制/電流控制、速度控制、位置控制等。伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)也經(jīng)歷了直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，直至近年來(lái)最為引人注目的永磁電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)。最近幾年進(jìn)口的各類(lèi)自動(dòng)化設(shè)備、自動(dòng)加工裝置和機(jī)器人等絕大多數(shù)都采用永磁同步電動(dòng)機(jī)的交流伺服系統(tǒng)。 信息技術(shù)中的永磁同步電動(dòng)機(jī)當(dāng)今信息技術(shù)高度發(fā)展，各種計(jì)算機(jī)外設(shè)和辦公自動(dòng)化設(shè)備也隨之高度發(fā)展，與其配套的關(guān)鍵部件微電機(jī)需求量大，精度和性能要求也越來(lái)越高。對(duì)這類(lèi)微電機(jī)的要求是小型化、薄形化、高速、長(zhǎng)壽命、高可靠、低噪聲和低振動(dòng)，精度要求更是特別高。例如，硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器用主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)是永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，它以近100