永磁同步电机转子的绕组分布和转子极数有关系吗

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2018-11-17 06:53 标签： 电机转子

三相交流电动机是用三相交流电產生的旋转磁场来带动电机转子转子旋转的有关的产生原理在前面已作介绍，在这里只介绍电机转子转子是如何在旋转磁场的作用下旋轉的

最简单的方法是在产生旋转磁场的空间放一永久磁铁，该磁铁就会跟着磁场旋转了下图就是这样一个永久磁铁转子。

把永久磁铁轉子放在能产生旋转磁场的定子铁芯中它将会跟随旋转磁场同步旋转，其转速与旋转磁场一致故称之为同步电动机，下图便是一个永磁同步电动机模型的示意图

2--永磁同步电动机模型

下面是该三相交流同步电动机模型的动画截图，为看清线圈与磁力线定子与转子用半透明显示。动画中有输入三相电流的变化波形有旋转磁场与跟着旋转的永磁转子。

3--永磁同步电动机动画截图

请观看永磁转子同步电动机原理模型3D动画 动画格式 .mp4，分辨率900x600

永磁转子同步电动机原理3D动画

这个三相交流同步电动机的旋转磁场只有一对磁极，永磁转子也是一对磁极转速与交流电源相同，用50周的交流电供电时转子转速是每秒50转

实际上的三相交流同步电动机转子多数是电励磁的，转子上有励磁繞组用直流励磁电源产生固定磁场，下图是一个电励磁三相交流同步电动机原理模型旋转动画的截图
4--电励磁三相交流同步电动机模型
請观看三相交流同步电动机原理3D动画， 动画格式 .mp4分辨率900x600。
三相交流同步电动机原理3D动画

该三相交流同步电动机的旋转磁场只有一对磁极电励磁转子也是一对磁极，用50周的交流电供电时转子转速是每秒50转也即每分钟3000转。两极同步电动机的转子一般采用隐极式转子

许多場合需用低转速，大力矩输出的交流同步电动机此时的电机转子多做成大直径的多极电机转子形式，定子绕组产生多对磁极旋转磁场轉子采用多对凸极结构。下图是一个3对磁极同步电动机模型示意图定子有3个3相绕组，转子有3对（6个）凸极转速为每分钟1000转。
5--多极三相茭流同步电动机模型

三相交流同步电动机的起动较麻烦因为三相交流旋转磁场的速度很快，起动时转子不可能立即加速跟上磁场旋转所以是转不起来的。为使三相交流同步电动机起动旋转常用以下三种方法：

选用一台与同步电动机极数相同的小型异步电动机作为起动电動机起动时，先用起动电动机将同步电动机带动到异步转速再将同步电动机接上三相交流电源，这样同步电动机即可起动但这种方法仅适用于空载起动。

先采用变频电源向同步电动机供电调节变频电源使频率从0缓慢升高，旋转磁场转速也从0缓慢升高带动转子缓慢哃步加速，直到额定转速该方法多用于大型同步电动机的起动。

在转子上加上鼠笼或起动绕组使之有异步电动机功能，在起动时励磁繞组不通电相当异步电动机起动，待转速接近磁场转速时再接通励磁电源就进入同步运行。

是全国搭载量最大的一种电机转孓品类它的日渐成功，主要得益于结构简单带来的电控调速的便宜性和显著占优的功率密度

永磁同步电机转子，最基本的组成结构定孓和转子定子与异步电机转子转子类似，由绝缘铜线绕制而成转子包含永磁体，并具备确定的极数建立电机转子的主磁场。

永磁同步电机转子的定子与异步电机转子相同三相绕组间隔120°角，均匀布置。

定子的特征参数包括绕组相数（一般单相，三相和多相）绕组槽数。

绕组槽数的定义定子槽数的一半，除以定子相数与转子极数的乘积按照每个定子槽容纳的绕组线圈数量不同，永磁电机转子可鉯划分成整数槽绕组和分数槽绕组

分数槽绕组，意味着可能有属于不同相的绕组被放置在同一个定子槽里相对于整数槽绕组，分数槽繞组除了绝缘要求比较高以外，其余都是优点

定子铁芯上需要开挖的槽数量减少，节省了空间留给绕组使用同时简化加工过程；每個槽容纳多个极数，减少工作过程中槽与槽之间的过度部分产生的冲击震动，改善励磁波形

转子是永磁同步电机转子自身特点的来源。永磁转子由贴心和永磁体两部分构成

根据永磁体在转子上安放位置的不同，可以划分为表面式、内置式、混合式和爪极式

顾名思义，表面式转子就是把永磁磁片贴在转子表面；而内置式，是在铁芯内部固定永磁铁混合式则前面二者的布置方式结合到一起使用。

爪極式转子两个完全一样的带爪法兰盘，对抓到一起中间固定一定数量的永磁体。这样就形成了一个法兰盘是N极另一个法兰盘是S极的結构形式。法兰盘上的爪子起到极靴的作用。

表面式和内置式除了布置方式不同其产生的磁场也有很大区别。内置式转子输出功率过程中转矩除了电磁转矩分量还包含一个磁阻转矩分量。使得内置式转子的永磁同步电机转子功率密度上具备明显优势

1.3 永磁同步电机转孓的工作过程

永磁同步电机转子，定子通电定子绕组成为一组电磁铁，电磁铁的N极S极，沿着定子内侧均匀分布。永磁体转子本身具有稳定的N极，S极定子与转子之间存在电磁力的作用。

当定子磁场以一定转速旋转时电磁力拉动转子，跟随磁场的运动并尽力保持與磁场同步的趋势。

1.3.1 电动机工作模式

当转子轴端有系统负载系统需要电机转子依靠定子磁场的力量拉动转子转动，使得系统内的电能做功转换成机械能。转子和定子处于下图所示的相对位置

图中所示瞬间，定子磁场上的一对磁极向读者的左手边转动。转子受定子电磁力的拉动也跟着向左侧运动。定子在前转子在后。

这样转子的运动方向与定子和转子之间的电磁力的作用线之间形成一个夹角，被称为矩角

矩角处于0~90°之间，电机转子处于电动机工作模式。

1.3.2 发电机转子工作模式

当转子受到外界机械力的牵引，处于转动状态定子電路通畅，但并未接入电源

转子转动，形成转动的磁场使得静止的定子线圈被动切割磁力线，产生感应电流此时，定子和转子处于丅图所示相对位置

图中所示瞬间，永磁体转子上的一对磁极向读者左手边运动。定子产生的感应电流与转子之间产生电磁力的作用此电磁力的作用线方向与转子的运动方向成一个夹角，即矩角

矩角的取值在90~180°之间，电机转子处于发电机转子工作模式。

1.3.3 发无功工作模式

定子持续通固定频率正弦电流。转子在旋转磁场的作用下跟随磁场同步旋转。转子没有任何负载力矩的作用转子和定子处于下图中嘚相对位置。

定子磁场向读者左手边运动转子跟随同步运动。定子与转子之间力的作用线与转子的运动方向成90°角。

此时电源提供的功率除了克服系统的摩擦阻力矩之外，只有励磁作用电机转子提供的有功功率为0，此时电机转子被称为“无功补偿机”也就是只发无功的电机转子。

在定子励磁频率不变的情况下电机转子输出转矩与转速是不相关的，即所谓特性硬当负载转矩发生波动时，电机转子轉速不会受到影响这就保证了传动系统高质量的稳定性。

与异步电机转子相比永磁同步电机转子的电、磁和力的关系更简单，经过一萣的坐标变换可以实现电流与力矩的解耦。

列举永磁同步电机转子变频调速用到的相关坐标变换。A-B-C 坐标系以定子铁芯的圆心为原点，以定子三相绕组为A、B、C三个方向为轴向轴与轴之间夹角120°。

α-β坐标系，与A-B-C坐标系在同一个平面，共享同一个原点α轴与A轴重合，β轴与α轴成90°角。

d-q坐标系d轴与转子永磁铁磁极N极重合，并跟随转子转动q轴，与d轴在逆时针方向上成90°角。

磁场定向即在d-q坐标系下，电机转子参数中如励磁电流，影响力矩的部分是参数投影到q轴的分量。而投影到d轴上的部分则不必考虑，即通常所说的id=0方法此方法下，电机转子最大输出转速的决定因素是控制器最高供电电压

磁场定向控制策略的局限在于，不能体现励磁电流影响磁场的部分参數变化因此不能进行弱磁控制。

3.3.1 直接转矩控制策略

直接转矩法出发点是想要通过控制转矩公式中的参数去直接对转矩输出值产生影响。选择矩角作为控制对象

以内置式转子永磁同步电机转子为例，说明具体方法

在电源电压和定子磁场频率恒定的情况下，电机转子实時输出转矩与矩角的正弦值成正比。

可以在离线状态下计算每个转矩角对应的电磁转矩值，形成一张矢量表存放在上位机。在电机轉子控制器运行过程中实时观测转矩和转矩角，并提取表格中的原始值进行比对发现与表格的值有出入，则调整电源电压值进行转矩修正。

直接转矩法鲁棒性好，算法简单并且不需要坐标变换，在早期是应用较多的一种控制方法但这种方法在低转速情况下，控淛精度急剧下降因此可以选择仅在基频以下使用。

3.4 最大力矩电流比控制策略

将电流在d-q坐标系下解耦再分别求取每个分量的转矩电流最夶比，目的是获得确定励磁电流下的最大转矩

用求取二阶导数的方式确定极大值的存在性。在调速区间内对转矩电流比求导，二阶导數小于0则转矩电流比最大值存在。

永磁同步电机转子其偏硬的机械特性使它非常适合于需要调速的场合。而电动汽车对功率密度、可操控性等特点的强烈需求也使得永磁同步电机转子特别适合电动汽车的应用场景。如果可以进一步克服高温下永磁体的磁场稳定性问题随着其变频调速技术研究的深入，永磁同步电机转子必将占领更多的电动汽车

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