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永磁同步电机的工作原理

时间:2023-06-21 理论教育 版权反馈
【摘要】:永磁同步电机属于交流同步电机的一种,电机定子与异步电机相同,也是三相绕组,转子由铁芯和永久磁铁组成。图4-2所示为丰田混合电动汽车用的两种永磁同步电机。同步电机与异步电机主要的区别在于,异步电机的转子转速永远小于旋转磁场的转速,这两个转速总是不同步的;而同步电机转子转速总是等于旋转磁场的转速,两者保持严格的同步。同步电机的工作原理可用图4-3说明。实际同步电机可能不止一对磁极,但定、转子的磁极对数相同。

永磁同步电机的工作原理

永磁同步电机(permanent magnet synchronotls motor,PMSM)属于交流同步电机的一种,电机定子与异步电机相同,也是三相绕组,转子由铁芯永久磁铁组成。当定子通入三相交流电时也产生旋转磁场,转子永久磁铁的磁场就会被定子磁场吸引而旋转。图4-2所示为丰田混合电动汽车用的两种永磁同步电机。

图4-2(a)为camry车用驱动电机,最大工作电压达650V,最大输出功率为105k W,最大扭矩为270N·m;图4-2(b)为Prius车用驱动电机,最大工作电压达650V,最大功率为60k W,最大扭矩为207N·m。

同步电机与异步电机主要的区别在于,异步电机的转子转速永远小于旋转磁场的转速,这两个转速总是不同步的;而同步电机转子转速总是等于旋转磁场的转速,两者保持严格的同步。旋转磁场同步转速n1与定子交流电频率f1以及定、转子磁极对数p的关系与异步电机相同,见式(4-27)。

同步电机的工作原理可用图4-3说明。

图4-3中,定子A、B、c三相绕组每相只画了一个线圈,即A—X、B—Y、C—Z,当绕组通以三相交流电时,形成的旋转磁场只有一对极。转子也是只有一对极的永久磁铁。实际同步电机可能不止一对磁极,但定、转子的磁极对数相同。由于定、转子磁场互相吸引的结果,若转子不带任何负载,转子磁极应与定子磁极轴线完全对齐,如图4-3(a)所示。当转子带负载运行时,因所带负载的阻力作用,转子磁极轴线将落后于定子磁极轴线一个角度θ,如图4-3(b)所示,口角称为功率角。可以看出,此时气隙中的磁力线被拉伸和扭曲,其结果是产生了电磁转矩。电磁转矩与负载转矩相平衡,并带动转子保持同步旋转。

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图4-2 丰田HEV用的永磁同步电机

(a)Camry车用;(b)Prius车用

图4-3 永磁同步电机原理图

(a)空载时;(b)带负载时

需要指出,如果用普通铁芯将转子做成图4-3所示、具有明显磁极的形状,它也可以带一定的负载。因为磁极形状的铁芯在定子旋转磁场作用下将被磁化而受磁场吸引,若受到负载阻力,转子轴线与定子旋转磁场中心线之间也会拉开一定角度,转子也可以随着旋转磁场同步转,只不过带负载能力比永久磁铁转子要小。这种由磁极形状决定的电磁转矩称为磁阻转矩或凸极转矩,相应地,由永久磁铁产生的电磁转矩称为永磁转矩(或称为基本电磁转矩)。前述图4-1(b)~(d)所示嵌入式和内置式永磁转子除了具有永磁转矩外,还具有磁阻转矩;而图4-1(a)所示表面贴装式永磁转子因铁芯本身是圆柱体形状,没有明显的磁极,所以只有永磁转矩而没有磁阻转矩。

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