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永磁电机概述：

永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分。

永磁发电机具有以下优点：

结构简单、可靠性高

永磁发电机省去了励磁绕组、电刷、集电环结构，因此整机结构简单，避免了励磁式发电机励磁绕组易烧毁、断线，电刷、集电环易磨损等故障，使用性能可靠。
2、体积小、功率大

永磁发电机采用简化的转子结构，有并联磁场结构和串联磁场结构两种：并联磁场结构的转子采用铸造压制而成，永磁体嵌放在里面，转速高。串联磁场结构的转子采用钢结构，永磁体嵌放在表面，转子表面磁感应强度强、整体结构牢固可靠。由于转子结构的简化，使得发电机内部结构紧凑，转子转动惯量小，实用转速增加，因此，提高了比功率（功率与体积的比值）。
3、低速发电性能好
   永磁式发电机的低速发电性能好，输出功率高。在怠速运行时，永磁发电机的输出功率比励磁式发电机的输出功率要高一倍。
4、效率高且节能

一般励磁式发电机在1500—6000r/min之间的转速范围内平均效率只有50%左右；而永磁式发电机的平均效率可达75%～80%。因此，永磁式发电机更加节能，比普通电机节能可达到35%左右！

一、永磁电机与普通三相异步电机的区别

永磁电机又称永磁同步电机多是永磁变频电机，由永磁体激磁，无励磁绕组，不存在励磁损耗。

永磁变频电机与普通电机（或者说普通三相异步电动机）相比，不存在电励磁和相应的损耗，永磁转子不发热，电负荷可以选得很高，因而体积小、功率密度高。

随着新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁电机性能得以进一步提升，优势如下：

1、高效节能。因励磁磁场由永磁体提供，永磁转子不需要励磁，效率可高达90%以上。永磁电机与异步电机相比，高效率运行转速范围宽，节能显著。尤其在低转速运行时，优势更加明显。

2、温升低。转子无电励磁意味着无损耗发热，因此，永磁电机一般温升很低。

3、起动性能好。由于永磁电机正常工作时转子绕组不起作用，因而在设计时可使转子绕组*高起动转矩的要求，例如从1.8倍上升到2.5倍，甚至更大。

4、功率因数高。对电网运行的影响在于异步电机要从电网中吸收大量的无功电流，造成电网输变电系统有大量无功电流，进而使电网的品质因数下降，加重输变电设备及发电设备的负荷。同时，无功电流在电网即输变电系统中均要消耗部分电能，造成电力电网运行效率低下，再与异步电机效率低、从电网多吸收电能的情况叠加，电能量损失加剧，电网负荷愈发加重了。永磁电机转子无电励磁、功率因数高的*优势，有助于提高电网的品质因数或使电网中不再需安装补偿器。功率因数提高还可以增加变压器的利用率。

5、功率密度高。由于使用了高性能的永磁材料提供磁场，使得永磁电机的气隙磁场较普通电机大大增强，而永磁电机的体积和重最较普通电机则大大缩小，重量轻。电机可以按普通电机及小一到两个机座号尺寸设计及安装，在节能改造升级方面使用非常方便。

二、永磁同步电机介绍

永磁同步电动机以永磁体提供励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。

永磁同步电动机由定子、转子和端盖等部件构成。定子与普通感应电动机基本相同，采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。转子可做成实心，也可用叠片叠压。电枢绕组可采用集中整距绕组的，也可采用分布短距绕组和非常规绕组。 

中文名：永磁同步电机 

外文名：PMSM（Permanent Magnetic Synchronous Machine）

优 点：结构简单、节约能源等 

称 为：他励发电机 

用 途：发电机或电动机

应 用：工业、农业等实业领域

结构

两种结构形式的表面形式转子的磁路结构

永磁同步电机主要由定子、转子和端盖等部件构成，定子由叠片叠压而成以减少电动机运行时产生的铁耗，其中装有三相交流绕组，称作电枢。转子可以制成实心的形式，也可以由叠片压制而成，其上装有永磁体材料。根据电机转子上永磁材料所处位置的不同，永磁同步电机可以分为突出式与内置式两种结构形式，图1给出相应的示意图。突出式转子的磁路结构简单，制造成本低，但由于其表面无法安装启动绕组，不能实现异步起动。

三种不同形式的内置式转子的磁路结构

内置式转子的磁路结构主要有径向式、切向式和混合式3种，它们之间的区别主要在于永磁体磁化方向与转子旋转方向关系的不同。图2给出3种不同形式的内置式转子的磁路结构。由于永磁体置于转子内部，转子表面便可制成极靴，极靴内置入铜条或铸铝等便可起到启动和阻尼的作用，稳态和动态性能都较好。又由于内置式转子磁路不对称，这样就会在运行中产生磁阻转矩，有助于提高电机本身的功率密度和过载能力，而且这样的结构更易于实现弱磁扩速。

工作原理

当三相电流通入永磁同步电机定子的三相对称绕组中时，电流产生的磁动势合成一个幅值大小不变的旋转磁动势。由于其幅值大小不变，这个旋转磁动势的轨迹便形成一个圆，称为圆形旋转磁动势。其大小正好为单相磁动势幅值的1.5倍，F为圆形旋转磁动势，(T・m)；Fφl为单相磁动势的幅值，(T・m)；k为基波绕组系数；p为电机极对数；N为每一线圈的串联匝数；I为线圈中流过电流的有效值，A由于永磁同步电机的转速恒为同步转速，因此转子主磁场和定子圆形旋转磁动势产生的旋转磁场保持相对静止。两个磁场相互作用，在定子与转子之间的气隙中形成一个合成磁场，它与转子主磁场发生相互作用，产生了一个推动或者阻碍电机旋转的电磁转矩Te，Te为电磁转矩，(N・m)；0为功率角，rad；BR为转子主磁场，T；Bnet为气隙合成磁场，T。由于气隙合成磁场与转子主磁场位置关系的不同，永磁同步电机既可以运行于电动机状态也可以运行于发电机状态，永磁同步电机的三种运行状态如图3所示。当气隙合成磁场滞后于转子主磁场时，产生的电磁转矩与转子旋转方向相反，这时电机处于发电状态；相反，当气隙合成磁场超前于转子主磁场时，产生的电磁转矩与转子旋转方向相同，这时电机处于电动状态。转子主磁场与气隙合成磁场之间的夹角称为功率角。

永磁同步电机概念图

永磁同步电机由两个关键部件组成，即一个多极化永磁转子和带有适当设计绕组的定子。在操作过程中，旋转的多极化永磁转子在转子与定子的气隙形成一个随时间变化的磁通。这个通量在定子绕组端子上产生交流电压，从而形成用于发电的基础。在此处所讨论的永磁同步电机使用一个安装在铁磁芯上的环形永磁铁。内部永磁同步电机不在这里考虑。因磁铁嵌入到一个电镀的铁磁芯内是非常困难的，通过使用适当厚度的磁铁（500μm）以及在转子和定子铁芯的高性能磁材料，气隙可以做得非常大（300~500μm）而没有明显的性能损失，这使得定子绕组在气隙中占据一定的空间，从而大大简化了永磁同步电动机的制造。 

分类

按励磁电流的供给方式分类

永磁同步电机是利用永磁体建立励磁磁场的同步电机，其定子产生旋转磁场，转子用永磁材料制成。同步电机实现能量转换需要一个直流磁场，产生这个磁场的直流电流称为电机的励磁电流。 

他励电机：从其他电源获得励磁电流的电机。

自励电机：从电机本身获得励磁电流的电机。 

按供电频率分类

永磁无刷电机包括永磁无刷直流电机和永磁无刷交流电机两种类型，作为电动机运行时均需变频供电。前者只需要方波型逆变器供电，后者需要正弦波型逆变器供电。 

按气隙磁场分布分类

正弦波永磁同步电机：磁极采用永磁材料，输入三相正弦波电流时，气隙磁场按正弦规律分布，简称为永磁同步电机。

梯形波永磁同步电机：磁极仍为永磁材料，但输入方波电流，气隙磁场呈梯形波分布，性能更接近于直流电机。用梯形波永磁同步电机构成的自控变频同步电机又称为无刷直流电机。 

控制方式

永磁同步电机恒压频比控制方法

永磁同步电机的恒压频比控制方法与交流感应电机的恒压频比控制方法相似，控制电机输入电压的幅值和频率同时变化，从而使电机磁通恒定，恒压频比控制方法可以适应大范围调速系统的要求。

在不反馈电流、电压或位置等物理信号的前提下，仍能达到一定的控制精度，这是恒压频比控制方法的。恒压频比控制方法控制算法简单、硬件成本低廉，在通用变频器领域得到了广泛应用。恒压频比控制方法的缺点也显而易见，由于在控制过程中没有反馈速度、位置或任何其他的信号，所以几乎*不能获得电机的运行状态信息，更无法精确控制转速或电磁转矩，系统性能一般，动态响应较差，尤其在给定目标速度发生变化或者负载突变时，容易产生失步和振荡等问题。显然，该种控制方法不能分别控制转矩和励磁电流，在控制过程中容易存在较大的励磁电流，影响电机的效率。因此，此种控制方法常用于性能需求较低的通用变频器中，如空调、流水线的传送带驱动控制、水泵和风机的节能运行等。

永磁同步电机直接转矩控制技术

直接转矩控制（Direct Self-Control ，DSC）在定子静止坐标系上构建磁链和电磁转矩模型，通过施加不同的电压矢量实现电磁转矩和定子磁链的控制。直接转矩控制方法有着算法简单、转矩响应好等优点，因此，在要求高瞬态转矩响应的场合，此种方法得到了广泛应用。 

由于控制存在固有的缺点使得直接转矩控制方法在速度较低时控制频率低，转矩脉动较大。因此减小低速时的转矩脉动也成了直接转矩控制方法中的研究热点，孙笑辉等通过优化电压矢量作用时间来减小低速时的转矩脉动，效果较好。D.casadei等人基于离散空间矢量调制技术将直接转矩控制方法应用于交流感应电机的控制中，减小了转矩脉动。

永磁同步电机矢量控制技术

矢量控制技术诞生于上世纪 70 年代初，永磁同步电机的矢量控制系统是参照直流电机的控制策略，利用坐标变换将采集到的电机三相定子电流、磁链等矢量按照转子磁链这一旋转矢量的方向分解成两个分量，一个沿着转子磁链方向，称为直轴励磁电流；另一个正交于转子磁链方向，称为交轴转矩电流。根据不同的控制目标调节励磁电流和转矩电流，进而实现对速度和转矩的精确控制，使控制系统获得良好的稳态和动态响应特性。  

根据不同的控制目标，永磁同步电机矢量控制算法可以分为以下几种：id=0控制、转矩/电流控制、弱磁控制等。这些性能指标均可以通过对直轴励磁电流和交轴转矩电流的独立控制来实现。

优点

永磁同步电机可以将电机整体地安装在轮轴上，形成整体直驱系统，即一个轮轴就是一个驱动单元，省去了一个齿轮箱。永磁同步电机的优点如下： 

永磁同步电机本身的功率效率高以及功率因数高；

永磁同步电机发热小，因此电机冷却系统结构简单、体积小、噪声小； 

系统采用全封闭结构，无传动齿轮磨损、无传动齿轮噪声，免润滑油、免维护；

永磁同步电机允许的过载电流大，可靠性显著提高； 

整个传动系统重量轻，簧下重量也比传统的轮轴传动的轻，单位重量的功率大； 

由于没有齿轮箱，可对转向架系统随意设计：如柔式转向架、单轴转向架，使列车动力性能大大提高。

由于采用了永磁材料磁极，特别是采用了稀土金属永磁体(如钕铁硼等)，其磁能积高，可得到较高的气隙磁通密度，因此在容量相同时，电机的体积小、重量轻。

转子没有铜损和铁损，也没有集电环和电刷的摩擦损耗，运行效率高。

转动惯量小，允许的脉冲转矩大，可获得较高的加速度，动态性能好，结构紧凑，运行可靠。 

产品应用