永磁同步电动机的原理与结构详解

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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，其中异步启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。图1是安装在机座内的定⼦铁芯，有24个槽。

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中，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启动，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。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。

图10 电动⼤巴永磁同步电动机异步启动永磁同步电动机

异步启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，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启动旋转，当转速接近旋转磁场时就会跟上同步旋转。这就是异步启动永磁同步电动机，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--异步启动永磁同步电动机剖视图