永磁同步电机学习笔记

1.内功率因数角：定子相电流与空载反电势的夹角，定子相电流超前时为正。

2.功率角（转矩角）：外施相电压超前空载反电势的角度，是表征负载大小的象征。

3.功率因数角：外施相电压与定子相电流的夹角。

4.内功率因数角决定直轴电枢反应是出于增磁还是去磁状态的因素。

5.实际的空载反电势由磁钢产生的空载气隙磁通在电枢绕组中感应产生，当实际反电势大于临界反电势时，电动机将处于去磁工作状态。空载损耗与空载电流是永磁电机出厂试验的两个重要指标，而空载反电势对这两个指标的影响尤其重大。空载反电势变动时空载损耗和空载电流也有一个最小值，空载反电势设计得过大或过小都会导致空载损耗和空载电流的上升，这是因为过大或过小都会导致空载电流中直轴电流分量急剧增大的缘故。还对电动机的动、稳态性能均影响较大。永磁机的尺寸和性能改变时，曲线定子电流I=f(E)是一条V形曲线。（类似于电励磁同步机定子电流和励磁电流的关系曲线）

6.由于永磁同步电动机的直轴同步电抗一般小于交轴同步电抗，磁阻转矩为一负正弦函数，因而矩角特性曲线上最大值所对应的转矩角大于90度，而不像电励磁同步电机那样小于90度。这是一个特点。

7.工作特性曲线：

知道了空载反电势、直轴同步电抗、交轴同步电抗和定子电阻后，给出一系列不同的转矩角，便可以求出相应的输入功率，定子相电

流和功率因数，然后求出电动机在此时的损耗，便可以得到电动机出去功率和效率，从而得到电动机稳态运行性能与输出功率之间的关系曲线，即为电动机工作曲线。

8.铁心损耗：

电动机温度和负载变化导致磁钢工作点改变，定子齿、轭部磁密也随之变化。温度越高，负载越大，定子齿、轭部的磁密越小，铁耗越小。工程上采用与感应电机铁耗类似的公式，然后进行经验修正。

9.计算极弧系数：

气隙磁密平均值与最大值的比值。它的大小决定气隙磁密分布曲线的形状，因而决定励磁磁势分布的形状、空气隙的均匀程度以及磁路的饱和程度。其大小还影响气隙基波磁通与气隙总磁通比值，即磁钢利用率，和气隙中谐波的大小。

10.永磁电机气隙长度：

是非常关键的尺寸。尽管他对于永磁机的无功电流影响不如感应电机敏感，但对于交直轴电抗影响很大，继而影响电动机的其他性能。还对电动机的装配工艺和杂散损耗影响较大。

11.空载漏磁系数：

是很重要的参数，是空载时总磁通与主磁通之比，是个大于1 的数，反映空载时永磁体向外磁路提供的总磁通的有效利用程度。空载漏磁系数以磁导表示的表达式又正好是负载时外磁路应用戴维宁定理进行等效转换的变换系数，同时由于负载情况的不同，电枢磁动势大小不同，磁路的饱和程度也随之改变，气隙磁导、漏磁导

和空载漏磁系数都不是常数。

一方面，空载漏磁系数大表明漏磁导大，磁钢利用率差。

另一方面，空载漏磁系数大表明电枢反映的分流作用大，电枢反应对磁钢的实际作用值就小，磁钢的抗去磁能力强。

它不仅标志着磁钢的利用程度，而且对磁钢材料的抗去磁能力和电动机性能有较大影响，还对弱磁扩速有影响。极弧系数越大，气隙长度越小，点击的极间漏磁系数越小。在正常设计范围内，磁钢磁化方向长度越大，电机的气隙长度却大，磁钢端部漏磁计算系数越大。

12.对调速永磁同步电动机来讲，磁钢去磁最严重的情况是运行中的电动机绕组突然短路。短路电流产生直轴电枢磁动势而对磁钢起去磁作用。

13.计算交直轴电抗时，可不考虑直轴电枢反映电抗的非线性，但是必须考虑交轴磁路的饱和对交轴电枢反映电抗的影响。

14.相对地，直轴电枢反映电抗对永磁机性能影响比交轴电枢反映更加敏感。增加磁钢磁化方向长度以减小直轴电枢反映电抗，可以明显提高电动机的过载能力。为得到较高的功率因数和空载反电势，可增加绕组匝数和铁心长度，但同时会导致直、交轴电枢反映电抗，使得电动机过载能力变小。

15.表面凸出式永磁电机性能类似于隐极，故而交直轴电枢反映磁密的波形系数等于1。

表面式转子磁路结构分为凸出式和插入式。由于永磁材料的相对回

复磁导率接近1，故表面凸出的电磁性能属于隐极转子结构。表面插入式的相邻两永磁磁极间有着磁导率很大的铁磁材料，故在电磁性能上属于凸极转子结构。

16.负载法既可以考虑磁路的饱和，又计及直、交轴磁场的相互影响（共磁路）。

17.磁钢尺寸设计不合理、漏磁系数过小、电枢反映过大、所选用磁钢的内禀矫顽力过低和电动机工作温度过高等因素都可以导致电动机中永磁体的失磁。因此要准确计算和合理设计磁钢的最大去磁工作点。

18.永磁同步机一般设计的即便在轻载运行时功率因数和效率也比较高，是一个非常可贵的优点。

19.设计中可通过增大绕组串联匝数和增加磁钢用量来提高空载反电势。前者只能在电动机起动转矩、最小转矩、失步转矩有裕度的前提下实现；后者要保证电机磁路不能过于饱和及制造成本的问题。

20.较高的空载反电势不仅可以提高稳态运行是功率因数，还可以使得运行于冲击负载下的永磁同步机具有较强的稳定性、高的平均功率因数和平均效率。较高功率因数还使得定子电流变小、铜耗下降、效率提高和温度下降。故而设计高功率因数的永磁机是提高电动机效率的一条重要途径。

21.永磁机杂散损耗比同规格感应机大。前者气隙磁场谐波含量比后者大。极弧系数（磁钢槽及隔磁措施有关）设计不合理，气隙磁场谐波尤其大。采用Y星形接法双层短距或正弦绕组，合理设计极

弧系数，减小槽开口宽或采用闭口槽、磁性槽楔（减小齿磁导谐波导致的杂耗，但漏磁系数和槽漏抗有所增大）。适当加大气隙长度。通常要大于0.01~0.02cm，容量越大大的越多。

22.变频器供电加上转子位置闭环控制系统构成自同步永磁机。反电势和供电波形都是矩形波的电动机叫无刷直流电动机，都是正弦波的叫正弦波永磁同步电动机。

23.矩形波永磁机中磁钢所跨极弧角小于180°时，随着极弧角的增大，电动机的平均转矩也单调增大。但是电动机的纹波转矩含量与极弧角的关系则较为复杂，设计是要同时考虑这两个因素。

24.只有当电流与反电势同向时电动机才能得到单位电流转矩的最大值。（定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交）

25.正弦波永磁同步机的控制运行是与系统中的逆变器密切相关的，其运行性能收逆变器制约。最明显的是电动机的相电压有效值的极限值和相电流的有效极限值要受到逆变器直流侧电压和逆变器的最大输出电流的限制。（当逆变器直流侧电压最大值为U时，Y接的电动机可达到的最大基波相电压有效值U1=U/根号6。在dq轴系统中的电压极限值为u=根号3*U）。

26.电压极限椭圆：

对某一给定转速，电动机稳态运行时候，定子电流矢量不能超过该转速下的椭圆轨迹最多落在椭圆上。随着转速的提高，电压极限椭圆的长轴与短轴与转速成反比相应缩小，形成了一簇椭圆曲线。

27.电流极限圆：定子电流空间矢量既不能超过电动机的电压极限椭

圆，也不能超过电流极限圆。

28.q轴代表永磁转矩，恒转矩曲线上各点是永磁转矩和磁阻转矩的合成。当转矩小时，最大转矩/电流轨迹靠近q轴，表明永磁转矩起主导作用；当转矩增大时，与电流平方成正比的磁阻转矩要比与电流呈线性关系的永磁转矩增加的更快，故会远离q轴。进一步，定子齿的局部饱和将导致定子电流增加时电动机最大转矩/电流轨迹想q轴靠近。

29.矢量控制方法：

1）直轴电流i=0控制。从端口看相当于一台他励直流电动机，定子电流中只有交轴分量，且定子磁动势空间矢量与磁钢磁场空间矢量正交。对表面凸出式转子磁路结构来说，此时单位定子电流获得最大转矩。此时，电动机的最高转速即取决于逆变器可提供的最高电压，也决定于电动机输出转矩。电动机可达到的最高电压越大，输出转矩越小，最高转速越高。

30.一般对于调速永磁机主要的要求是：调速范围宽、转矩和转速平稳、动态响应快速准确、单位电流转矩大。

31.调速永磁同步电动机是与相匹配的功率系统的有关性能密不可分。设计时根据传动系统的应用场合和有关技术经济要求，首先确定电动机的控制策略和逆变器的容量，然后根据电机设计有关知识来设计电动机。

32.PM传动系统的主要特征是它的调速范围和动态响应性能。调速范围分为恒转矩调速区和恒功率调速区。用工作周期来表示电动机的

运行过程。动态响应性能常常以静止加速到额定转速所需要的加速时间来表示（kW 级别的电动机一般仅几十ms ）。最大转矩是额定转矩的3倍左右。

33.调速永磁同步电机的主要尺寸可以由所需的最大转矩和动态响应性能指标确定。当最大电磁转矩指标为max ()T N m ?，则有：

24max 11104

ef i T B L D A δ-=?-----------------------（1） 式中 1B δ ------气隙磁密基波幅值（T ）；

A ----- 定子电负荷有效值（A/cm ），

11dp

mNI K A p τ=-----------------------------------（2）

当选定电动机的电磁负荷后，电动机的主要尺寸

6

2max 11

410i ef T D L P τ?=--------------------------------（3） 动态响应性能指标的要求体现为在最大电磁转矩作用下，电动机在时间b t 内可线性地由静止加速到转折速度（此时的转折速度又称为基本转速）b ω，即 max b b

J J T p t pt ωω?==?--------------------------------（4） 式中 J-------电动机转子和负载的转动惯量（kg.m^2）。

电动机的最大电磁转矩与转动惯量之比

max b b

T J pt ω=------------------------------------（5） 而电动机的转子转动惯量可近似表示为

471()1022

i Fe ef D J L π

ρ-=?-------------------------（6） 将（1）和（6）代入（5）就可以得到定子外径

1i D =（7） 从而确定了定子内径和铁心长度这两个主要尺寸。

定子外径的确定在保证散热的前提下可以为提高电动机效率而增大外径和降低成本而减小外径。

34.永磁体设计

磁钢尺寸连同电动机转子磁路结构，便决定了电动机的磁负荷，而磁负荷则决定着电动机的功率密度和损耗。

表面转子磁路结构，磁钢尺寸近似地： {{2

1R M R M p h B B b δματ=-=-------------------------（8）

35.磁钢磁化方向长度直接决定了电动机直轴电感的大小和永磁磁链的大小。

36.磁钢的磁化方向长度与电动机气隙长度由很大关系，气隙越长，磁钢的磁化方向长度也越大。

37.正弦波永磁同步电动机中磁钢产生的气隙磁密并不呈正弦波分布，因而时必须合理设计电枢绕组以减少转矩纹波。

38.影响PM 停转时定位精度的主要原因是PM 的定位力矩——该力矩力图使电动机转子定位与某一位置。定位力矩主要由转子中的磁钢与定子开槽的相互影响而产生。当磁钢的磁极宽度为整数个定子齿距时，可使得齿磁导谐波引起的定位力矩得到有效的抑制。

39.直轴（d 轴）：主磁极轴线（纵线）；

交轴（q 轴）：转子相临磁极轴线间的中心线为交轴（横轴）。

40.集中绕组的优点：绕组端接部分缩短，导线用量减少，绕组线圈电阻降低，铜耗减少，电机效率提高，成本降低，制造周期缩短。缺点：电机的绕组因数减小，定子磁动势中的谐波含量增加及定子齿槽效应对磁场分布的影响增大，使得

电机的脉动转矩增大。

41.分数槽集中绕组：这种绕组的特点是电机每对极内包含的槽数小于3，是一个分数Q/p小于3，故称为分数槽绕组，但是定子总槽数必须是3的倍数，即Q/3=整数，才能构成三项对称绕组。