永磁同步电动机的原理与结构详解

近些年永磁同步电动机得到较快发展，其特点是功率因数高、效率高，在许多场合开始逐步取代最常用的交流异步电机，其中异步起动永磁同步电动机的性能优越，是一种很有前途的节能电机。

永磁同步电动机

永磁同步电动机的定子

永磁同步电动机的定子结构与工作原理与交流异步电动机一样，多为4极形式，本课件电机定子铁芯有24个槽，图1是安装在机座内的定子铁芯。

图1—定子铁芯与机座

电机绕组按3相4极布置，采用单层链式绕组，通电产生4极旋转磁场。图2是有线圈绕组的定子示意图。

图2--同步电动机定子绕组

永磁同步电动机的转子

永磁同步电动机与普通异步电动机的不同是转子结构，转子上安装有永磁体磁极，永磁体在转子中的布置位置有多种，下面介绍几种主要形式。

永磁体转子铁芯仍需用硅钢片叠成，因为永磁同步电动机基本都采用逆变器电源驱动，即使产生正弦波的变频器输出都含有高频谐波，若用整体钢材会产生涡流损耗。

第一种形式：图3左图就是一个安装有永磁体磁极的转子，永磁体磁极安装在转子铁芯圆周表面上，称为表面凸出式永磁转子。磁极的极性与磁通走向见图3右图，这是一个4极转子。

图3--表面凸出式永磁转子

根据磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用磁引力拉动转子旋转，于是永磁转子就会跟随定子产生的旋转磁场同步旋转。

第二种形式：图4左图是另一种安装有永磁体磁极的转子，永磁体磁极嵌装在转子铁芯表面，称为表面嵌入式永磁转子。磁极的极性与磁通走向见图4右图，这也是一个4极转子。

图4--表面嵌入式永磁转子

第三种形式：在较大的电机用得较多是在转子内部嵌入永磁体，称为内埋式永磁转子（或称为内置式永磁转子或内嵌式永磁转子），永磁体嵌装在转子铁芯内部，铁芯内开有安装永磁体的槽，永磁体的布置主要方式见图5。在每一种形式中又有采用多层永磁体进行组合的方式。

图5--内埋式永磁转子的形式

下面就径向式布置的转子为例做介绍。图6是转子铁芯，为防止永磁体磁通短路，在转子铁芯还开有隔磁空槽，槽内也可填充隔磁材料。

图6--内埋式永磁转子铁芯

把永磁体插入转子铁芯的安装槽内，见图7左图。磁极的极性与磁通走向见图7右图，可看出隔磁空槽减小漏磁的作用。这是一个4极转子。

图7--内埋式永磁转子磁通

永磁同步电动机

在安装好永磁体的转子铁芯插入转轴，并在转子铁芯两侧安装好散热风扇，见图8。

图8--内埋式永磁转子

把转子插入定子内，安装好端盖，组装成整机，见图9。

图9--永磁同步电动机剖视图

永磁同步电动机不能直接通三相交流的起动，因转子惯量大，磁场旋转太快，静止的转子根本无法跟随磁场启动旋转。永磁同步电动机的电源采用变频调速器提供，启动时变频器输出频率从0开始连续上升到工作频率，电机转速则跟随变频器输出频率同步上升，改变变频器输出频率即可改变电机转速，是一种很好的变频调速电动机。

在电动汽车中广泛采用永磁同步电动机作为驱动动力，图10是网络上的照片，是比亚迪电动大巴的轮边电机，为永磁同步电动机，最大功率90kW。

图10—电动大巴永磁同步电动机

永磁同步电动机已在高铁动车组作为牵引电机使用，功率在600kW以上。在永磁同步牵引电机课件介绍了这种电机的基本结构。

异步起动永磁同步电动机

采用变频调速器大大增加了电机成本，在不需要调速的场合直接用三相交流电供电的方法是在永磁转子上加装笼型绕组。有笼型绕组的永磁转子在接通电源旋转磁场一建立，就会在笼型绕组感生电流，转子就会像交流异步电动机一样起动旋转，当转速接近旋转磁场时就会跟上同步旋转。这就是异步起动永磁同步电动机，是近些年开始普及的节能电机。

为了安装笼型绕组，在转子铁芯叠片圆周上冲有许多安装导电条的槽（孔），槽的形状可为方形、圆形或类似普通转子的嵌线槽，见图11。

图11--笼型绕组永磁转子铁芯

在转子铁芯内部嵌装永磁体，永磁体安装方式为切向式，当然也可以采用其他形式安装。图12左图是切向安装永磁体的笼型绕组转子，这也是一个4极转子，为了防止永磁体的磁通通过转轴短路，在转轴与转子铁芯间加装有隔磁材料，转子的磁通走向见图12右图。

图12--笼型绕组的永磁转子磁通

焊接式笼型转子在转子每个槽内插入铜条，铜条与转子铁芯两端的铜端环焊接形成笼型转子。铸铝式笼型转子与普通交流异步电动机一样采用铸铝方式制作，将熔化的铝液直接注入转子槽内，并同时铸出端环与风扇叶片，在端环上要留插入永磁体的缺口，铸铝式笼型转子是廉价的做法，图13是一个铸铝式笼型转子。

图13--笼型绕组永磁转子

把转子与定子、机座等部件进行组装，组装成的整机剖视图见图14。

图14--异步起动永磁同步电动机剖视图

异步起动永磁同步电动机可以直接接通三相交流电源使用，方便又节能。