永磁同步电机的磁动势分析技术

1.空载情况

对于永磁同步电机，空载是指转子具有永磁体励磁，电枢绕组接三相电源，转子输出转矩为零，以同步转速n1旋转。但是在电机空载时，电枢绕组流过较小的三相交流电流。如果忽略同步电机空载时的电枢电流（定子电流），即I＝0，永磁同步电机只有转子永磁体产生的磁动势称励磁磁动势，用表示。由于转子以同步转速n1旋转，是一个空间相量。转子以同步转速n1相对于定子旋转，所以励磁磁动势相对于定子也以同步转速n1旋转，被称为空载磁动势，如图4-4所示。

由于凸极式同步电机的转子（有明显凸出的磁极）和异步电机转子明显不同，所以磁动势与磁通分析方法有很大的不同。为了方便分析同步电机的磁动势和磁通，需要依照转子设置一个坐标，即把转子一个N极和与其相邻的一个s极的中心线称纵轴（或直轴），或称d轴；与纵轴相距90°空间电角度的地方称横轴（或交轴），或称q轴，如图4-4所示。显然d轴与q轴都随着转子一同旋转。这样励磁磁动势便设定为作用在纵轴方向，产生的磁通如图4-5所示。把由励磁磁动势产生的磁通叫励磁磁通（空载磁通），用表示。显然经过的磁路是依纵轴对称的磁路，并且随着转子一起旋转。定子绕组切割，并在其中感应电势，被称为空载电势，显然定子绕组的空载电势与有关。

2.带载情况

当永磁同步电机负载以后，定子三相对称绕组接到三相对称电源上时，就会产生三相合成旋转磁通势，简称电枢磁通势，用空间相量表示（这点与异步电机相同）。的出现对原空载磁动势产生一定的影响，并使气隙磁场产生显著变化，这就是同步电机的电枢反应。由于同步电机的运行原理是定子绕组.产生的磁极吸引转子磁极转动，那么同步电机的转向亦是旋转磁场的转向，转速为同步转速。同步电机负载以后，其定子磁动势与转子磁动势F0虽然均为同步转速旋转，但是二者在空间上却不一定位置相同，大部分情况是一个在前、一个在后（而且随运行状态而变）。这给分析同步电机的电枢反应带来了困难。

图4-4　凸极式同步电机的空载磁动势与直轴和交轴

图4-5　凸极式同步电机的空载磁通

前面已经分析了空载磁动势作用在纵轴方向，而与的转速虽然相同，但空间位置不同，必然的作用方向不在纵轴上。由于凸极式同步电机沿定子内圆的圆周方向气隙很不均匀，极面下（d轴处）的气隙小，两极之间（q轴处）的气隙较大，这样产生的气隙磁通密度在q轴处较小，在d轴处较大，如图4-6所示。

图4-6　凸极式同步电机的电枢磁动势和磁通密度分布波形

从图4-6可见，由于凸极同步电机气隙不是均匀分布，导致其气隙磁通在空间呈现非正弦分布。这样即使知道了电枢磁通势的大小和位置，求解磁通也非常困难。为此必须寻求一个合适的分析方法，即同步电机的双反应原理。

3.同步电机的双反应原理

由于稳态时电枢磁动势与转子之间无相对运动，当电枢磁动势与励磁磁动势的相对位置已知时，可以人为地把电枢磁通势分成两个正弦分量：一个分量是直轴电枢磁动势，用表示，作用在纵轴方向；另一个分量是交轴电枢磁动势，用表示，作用在横轴方向。即

电枢磁动势及直轴和交轴分量的分布波形如图4-7所示。(www.xing528.com)

图4-7　电枢磁动势及直轴和交轴分量的分布波形

这样可以单独考虑正弦磁动势或Faq在电机主磁路里产生磁通的情况。从图4-7可见，永远作用在纵轴方向，而永远作用在横轴方向，尽管气隙还不是均匀的，但对纵轴或横轴来说，磁路均为对称，这给分析带来了方便。这种处理问题的方法，称为双反应原理。

由直轴电枢磁动势单独在电机的主磁路里产生的磁通，称直轴电枢磁通，用表示，如图4-8（a）所示。而交轴电枢磁动势单独在电机的主磁路里产生的磁通，称为交轴电枢磁通，用表示，如图4-8（b）所示。和都以同步转速旋转。另外，除了和产生的主磁通外，还要产生漏磁通，关于漏磁通的处理方法与异步电机一致。

图4-8　电枢磁通

（a）直轴电枢磁通；（b）交轴电枢磁通

从交流电机电枢绕组的电动势与磁通势的分析可知（7.2节已讲述过的内容），电枢磁动势的大小为

这样直轴电枢磁动势的大小便可以写成

交轴电枢磁动势的大小可写成

根据交流绕组相矢图的基本原理，若转到A相绕组轴线上，idA为最大值；若转到A相绕组轴线上，iqA为最大值，其相位相差90°。而磁动势与产生磁动势的电流同相位，所以与同相位，与同相位。由于三相对称，根据式（4-1）可得如下关系：

根据式（4-5），可以把电枢电流按相量的关系分成两个分量：一个是直轴分量，产生了磁通势；另一个是交轴分量，产生了磁通势。

显然，通过双反应原理的应用，将一个电枢磁动势的电枢反应的复杂问题转化成了直轴电枢磁动势和交轴电枢磁动势两个电枢反应的简单问题。