永磁同步電動機

按照永磁體結構分類：表面永磁同步電動機（SPMSM）、內置式永磁同步電動機（IPMSM）。

按照定子繞組感應電勢波形分類：正弦波永磁同步電動機、無刷永磁直流電動機。

永磁同步電動機（英文名稱為permanent mag⁃net synchronous motor，簡稱PMSM）主要是由轉子、端蓋及定子等各部件組成。永磁同步電動機的定子結構與普通的感應電動機的結構非常相似，轉子結構與異步電動機的最大不同是在轉子上放有高質量的永磁體磁極，根據在轉子上安放永磁體的位置的不同，永磁同步電動機通常被分為表面式轉子結構和內置式轉子結構。

永磁體的放置方式對電動機性能影響很大。表面式轉子結構—永磁體位於轉子鐵芯的外表面，這種轉子結構簡單，但產生的異步轉矩很小，僅適合於啓動要求不高的場合，很少應用。內置式轉子結構—永磁體位於鼠籠導條和轉軸之間的鐵芯中，啓動性能好，絕大多數永磁同步電動機都採用這種結構。永磁同步電動機，其結構見圖1。 ^[1] 

永磁同步電動機的啓動和運行是由定子繞組、轉子鼠籠繞組和永磁體這三者產生的磁場的相互作用而形成。電動機靜止時，給定子繞組通入三相對稱電流，產生定子旋轉磁場，定子旋轉磁場相對於轉子旋轉在籠型繞組內產生電流，形成轉子旋轉磁場，定子旋轉磁場與轉子旋轉磁場相互作用產生的異步轉矩使轉子由靜止開始加速轉動。在這個過程中，轉子永磁磁場與定子旋轉磁場轉速不同，會產生交變轉矩。當轉子加速到速度接近同步轉速的時候，轉子永磁磁場與定子旋轉磁場的轉速接近相等，定子旋轉磁場速度稍大於轉子永磁磁場，它們相互作用產生轉矩將轉子牽入到同步運行狀態。在同步運行狀態下，轉子繞組內不再產生電流。此時轉子上只有永磁體產生磁場，它與定子旋轉磁場相互作用，產生驅動轉矩。由此可知，永磁同步電動機是靠轉子繞組的異步轉矩實現啓動的。啓動完成後，轉子繞組不再起作用，由永磁體和定子繞組產生的磁場相互作用產生驅動轉矩。 ^[1] 

發電機獲得勵磁電流的幾種方式

1、直流發電機供電的勵磁方式

這種勵磁方式的發電機具有專用的直流發電機，這種專用的直流發電機稱為直流勵磁機，勵磁機一般與發電機同軸，發電機的勵磁繞組通過裝在大軸上的滑環及固定電刷從勵磁機獲得直流電流。這種勵磁方式具有勵磁電流獨立，工作比較可靠和減少自用電消耗量等優點，是過去幾十年間發電機主要勵磁方式，具有較成熟的運行經驗。缺點是勵磁調節速度較慢，維護工作量大，故在10MW以上的機組中很少採用。

2、交流勵磁機供電的勵磁方式

現代大容量發電機有的採用交流勵磁機提供勵磁電流。交流勵磁機也裝在發電機大軸上，它輸出的交流電流經整流後供給發電機轉子勵磁，此時，發電機的勵磁方式屬他勵磁方式，又由於採用靜止的整流裝置，故又稱為他勵靜止勵磁，交流副勵磁機提供勵磁電流。交流副勵磁機可以是永磁測量裝置機或是具有自勵恆壓裝置的交流發電機。為了提高勵磁調節速度，交流勵磁機通常採用100——200HZ的中頻發電機，而交流副勵磁機則採用400——500HZ的中頻發電機。這種發電機的直流勵磁繞組和三相交流繞組都繞在定子槽內，轉子只有齒與槽而沒有繞組，像個齒輪，因此，它沒有電刷，滑環等轉動接觸部件，具有工作可靠，結構簡單，製造工藝方便等優點。缺點是噪音較大，交流電勢的諧波分量也較大。

3、無勵磁機的勵磁方式

在勵磁方式中不設置專門的勵磁機，而從發電機本身取得勵磁電源，經整流後再供給發電機本身勵磁，稱自勵式靜止勵磁。自勵式靜止勵磁可分為自並勵和自復勵兩種方式。自並勵方式它通過接在發電機出口的整流變壓器取得勵磁電流，經整流後供給發電機勵磁，這種勵磁方式具有結簡單，設備少，投資省和維護工作量少等優點。自復勵磁方式除設有整流變壓外，還設有串聯在發電機定子迴路的大功率電流互感器。這種互感器的作用是在發生短路時，給發電機提供較大的勵磁電流，以彌補整流變壓器輸出的不足。這種勵磁方式具有兩種勵磁電源，通過整流變壓器獲得的電壓電源和通過串聯變壓器獲得的電流源。 ^[2] 

1、損耗低、温升低

由於永磁同步電動機的磁場是由永磁體產生的，從而避免通過勵磁電流來產生磁場而導致的勵磁損耗，即銅耗；轉子運行無電流，顯著降低電動機温升，在相同負載情況下温升低20K以上。

2、功率因數高

永磁同步電動機功率因數高，且與電動機級數無關，電動機滿負載時功率因數接近1，這樣相比異步電動機，其電動機電流更小，相應地電動機的定子銅耗更小，效率也更高。而異步電動機隨着電動機級數的增加，功率因數越來越低。而且，因為永磁同步電動機功率因數高，電動機配套的電源（變壓器）容量理論上是可以降低，同時可以降低配套的開關設備和電纜等規格。

3、效率高

相比異步電動機，永磁同步電動機在輕載時效率值要高很多，其高效運行範圍寬，在25%～120%範圍內效率大於90%，永磁同步電動機額定效率可達現行國標的1級能效要求，這是其在節能方面，相比異步電動機最大的一個優勢。實際運行中，電動機在驅動負載時很少以滿功率運行。其原因是：一方面，設計人員在電動機選型時，一般是依據負載的極限工況來確定電動機功率，而極限工況出現的機會是很少的，同時，為防止在異常工況時燒損電動機，設計時也會進一步給電動機的功率留裕量；另一方面，電動機制造商為保證電動機的可靠性，通常會在用户要求的功率基礎上，進一步留一定的功率裕量。這樣就導致實際運行的電動機，大多數工作在額定功率的70%以下，特別是驅動風機或泵類負載，電動機通常工作在輕載區。對異步電動機來講，其輕載效率很低，而永磁同步電動機在輕載區，仍能保持較高的效率。

4、其它優勢

永磁同步電動機還具有高啓動轉矩、啓動時間較短、高過載能力的優點，可以根據實際軸功率降低設備驅動電動機的裝機容量，節約能源同時減少固定資產的投資。永磁同步電動機控制方便，轉速恆定，不隨負載的波動、電壓的波動而變化，只決定於頻率，運行平穩可靠。由於轉速嚴格同步，動態響應性能好，適合變頻控制。永磁同步電動機的安裝外形尺寸符合IEC標準，可以直接替換三相異步電動機，防護等級可以做到IP54和IP55，個別廠家還生產防爆型永磁同步電動機。 ^[1] 

（1）發佈的永磁同步電動機能效等級國家標準僅為GB30253-2013《永磁同步電動機能效限定值及能效等級》，適用於1140V及以下的0.55～375kW、2～16極的異步起動三相永磁同步電動機。高壓永磁同步電動機的效率，只能參照中國電器工業協會標準CEEIA229-2015《TYC系列（IP23）高效高壓永磁同步電動機技術條件》和CEEIA230-2015《TYCKK系列（IP44）高效高壓永磁同步電動機技術條件》。

（2）永磁同步電動機的啓動電流倍數約為9倍，較異步電動機的啓動電流大10%。

（3）永磁同步電動機不能採用降壓啓動方式。因為在降壓供電條件下，其異步啓動轉矩下降比異步電動機大，會造成啓動困難。

（4）關於永磁同步電動機的自啓動特性和系統短路時的反饋電流，不同設備製造廠的參數差別較大，且由於相關數據獲取較難，永磁同步電動機的應用，對廠用電系統的短路水平和啓動計算校驗帶來一些不確定的因素。 ^[1] 

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