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善道：德国人怎么学电机——浅谈电机模型(十五)：同步电机(二)凸极电机​zhuanlan.zhihu.com

同步电机能够类似直流电机，除了电励磁也可以直接使用永磁体来励磁。这样转子上就不需要设置线圈，恒定的磁场直接由永磁体产生。同步电机不用电励磁而使用永磁体来励磁会有一定好处：

• 略去励磁线圈和励磁装置
• 没有滑环和电刷的摩擦机械损耗
• 体积重量可以更小，则允许更高的动态性能
• 小型电机造价更低，工作效率更高
• 更低的转子损耗，这对机床很重要，允许更低公差带

同样也存在一定问题：

• 无法简单实现弱磁增速的控制
• 由于材料性能有功率限制到50kw
• 同时存在永磁转子边缘退磁的危险
• 高剩磁的永磁体材料十分昂贵

1 永磁同步电机的应用

永磁同步电机往往作为较小尺寸和功率的电动机投入应用。在工业上有用永磁电机作伺服电机，比如机床定位驱动和机器人驱动等需要较高精度的领域。有电动车使用永磁电机，其也可以用在一些小型家用电器里。

如果永磁同步电机是配上整流电源，角编码器以及适合的闭环控制，其工作行为就无异于他励磁直流电机。这种类型的驱动也被称为无刷直流电机(BLDC)。

2 永磁材料特性

永磁体在电机里的工作特性主要由退磁曲线来描述。永磁电机的工作范围必须在边界磁场强度

(16.1)

其中

想要计算永磁体的磁感强度和气隙励磁强度，也可以同之前永磁励磁直流电机里所讲一样，确定磁路的工作直线

(16.2)

永磁强度

(16.3)

由于磁场的无源性，封闭曲面内进出磁通相等。

(16.4)

一般来说，气隙有效面积

(16.5)

解得永磁体工作点

(16.6)

于是也能解得气隙处的磁感强度以及磁场强度

(16.7)

随着定子磁动势

对于高精度要求，以及考虑了铁芯磁饱和的话，只要考虑每极极距，要使用环路定理就会把磁路分割成匀质的小块。如果考虑了电枢反应，每个工作点磁通需要预给，磁场强度在气隙和铁芯里考察。因为基于转子坐标系，定子磁动势与时间无关，而却跟负载大小有关。

3 永磁电机几何结构

永磁电机的永磁体在转子上，可以做成内转子或者外转子电机。而伺服电机一般都是专门做成内转子。定子原则上和电励磁同步电机一致，也采用对称的三相线圈绕组。为了压制齿槽转矩(Nutrastmoment)，分布式绕组的定子槽总会做一个槽宽的倾斜。为了较好冷却以及更高防护等级，定子外壳常常用拉伸铝件，其会在安装时上黑漆。永磁电机里无绕组的转子一般也是做叠片压成，理由也是为了降低涡流影响。此外为了减小转动惯量，还会在转子上开很多大通孔，在定子上开通孔则是为了散热。

对于高动态特性的电动机会用稀土永磁体(NdFeB,SmCo)，相比普通铁氧体磁铁，他们有更大磁能密度，更高矫顽场强和剩磁。从而可做成一种贴片式的薄片磁铁，贴在转子体圆柱表面，并用玻璃纤维胶带固定。

一般贴片转子刚造好时会放入一个特制的磁化极靴上，通过脉冲电流产生极高的磁场强度来磁化转子。使用贴片设计是为了减少由于稀土磁铁超强电导性产生的涡流。使用稀土以后，电动机就能做得更轻更小。

还通过复杂的转子构造，比如把磁体埋入转子，抑或是做成磁通集中得构造，也能显著提升气隙磁感强度，这样电动机功率也可以提升了。

常见的转子构造以及安装永磁体的方式有：嵌入式，贴片式，插入式。

图中，黄色区域为永磁体，蓝色区域为叠片铁芯，灰色区域为非磁性电机轴。如果做成内嵌结构，还可以做成磁阻不均匀，使得dq轴上的电抗分量有

在伺服驱动上，还可以做成不同类型转子长度，有普通的圆柱转子(Zylinderläufer)，还有圆盘转子(Scheibenläufer)和钟形转子(Glockenläufer)。

4 集中式绕组

分布式绕组在创造旋转磁场时很是必要，如果使用双层绕组，比如说用短距绕组，可以改善气隙磁场。一般伺服电机都广泛采用单层绕组。定子绕组采用倾斜绕法，即上下隔一个槽绕，可以以显著改善气隙磁场，降低齿槽转矩。实际上，一般同步电机定子三相绕组接线伸出来绕组头占据长度太多，这是因为使用了分布式绕组。

如果使用集中式绕组(Einzelzahnwicklung)，可以减少约20%的绕组头长度，这样节省了空间，而且会提高铜线填充因数

(16.8)

所以如果铜线填充因数提高，整体铜损是会下降的，节约了能耗。

4.1 分布式绕组和集中式绕组比较

【分布式绕组】

线圈宽度是基本上绕着一极的宽度，这样可以实现很大的定子磁链以及气隙磁场。单层或多层绕组调整可变线圈宽度作短距绕组，可抵消特定磁动势谐波。谐波频谱可以做成窄带。

【集中式绕组】

线圈宽度总的来说会比一极宽度略窄，有确定的线圈宽度。在很多极电机可压制某特定谐波。基本上谐波频谱是宽带。

5 整数槽和分数槽

线圈绕组的槽洞数

(16.9)

其中极对极数

分数槽举例：

一种特殊情况下的分数槽例子：

因为

分数槽的绕线和线圈边的位置可以借助槽势星形图(Nutenspannungsstern)确定。

为什么要使用分数槽呢？对于分布式绕组来说，一个很高的基波分布因数

此外，相比于整数槽绕组，分数槽绕组高次谐波的频谱更加稠密。这之间也会出现极对极数小于

使用了分数槽的表面贴片式的永磁同步电机(PMSM)会有一个，跟异步电机相比而言，较大的有效气隙宽度，这样从定子激发出来的高次谐波磁场就会相对较小。原则上，从永磁体转子上不会产生此生谐波。因为在生成转矩时，只有相同阶数的谐波(转子定子极对极数相等

实际操作时，因为局部铁芯磁路的磁饱和以及集中式绕组降低的漏磁，转矩涟波(摆动转矩)还是会产生，这是视实际电机负载而定。

在鼠笼异步电机里，鼠笼导体会跟所有定子磁场的谐波作用，生成转矩的等阶数条件(

6 线圈因数配置

为了创造转子定子之间足够大的磁场耦合，需要实现一个更大的线圈因数

(16.10)

注意，线圈因数是在假设槽缝无限窄时使用的一个因数。如果想要在基波时达到最大线圈因数(阶数

(16.11)

在集中式绕组里，线圈宽会等于一个槽宽

(16.12)

所以当集中式绕组的总槽数近似等于极数时，可以实现转子定子之间良好的磁场耦合。

6.1 分数槽的绕线配置

6槽2极的双层分布式绕组(a-c)使用双层绕组来调整线圈宽度和极宽的比值，如图中调节，可以得到a图的基波线圈因数

如此便可继续作图，得到3槽2极，3槽4极，9槽8极等常见配置。

6.2 分数槽的谐波频谱

分数槽的阶数为横坐标，对应的线圈因数大小为纵坐标，可以做出类似“频谱”。其中总的绕组因数

这一章初步介绍了永磁同步电机的转子构造，永磁体工作的退磁曲线，以及定子可以采用的分数槽以及集中式绕组的方法。下一章是永磁同步电机最后一章，讨论PMSM输入电流波形的影响。

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