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。

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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

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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