交流永磁电动机概述

1. 交流永磁电动机的分类与特点

交流永磁电动机主要包括永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSW）和无刷直流电动机（Brushless DC Motor，BLDCM）两大类，两者最主要的区别在于输入电动机接线端的电压波形和在定子绕组中感应出的电动势波形有所不同。交流永磁电动机采用稀土永磁体励磁，与感应电动机相比不需要励磁电路，具有效率高、功率密度大等特点，在中、小功率的驱动系统中有优势，目前在新能源汽车中得到了一定的应用。

无刷直流电动机的特点是：定子三相绕组为集中转矩绕组，定子电流为方波电流，电动机的反电动势为梯形波，永磁体在气隙中产生的磁场在空间按照矩形分布，采用转子离散位置反馈信号来控制调速或换向。由于永磁无刷直流电动机存在永久磁场，不能采用其他电动机的控制方式来控制磁通量进行调速，而通常采用弱磁调速的技术，在不改变永磁场强度的条件下，通过减小永磁场的磁通量，实现对无刷直流电动机高速运行时的转速和转矩的控制。无刷直流电动机外特性曲线类似于永磁直流电动机，特性较硬，但是由于没有电刷和换向器，所以可以在高速下运行，因此体积和质量可以减小，同时提高了可靠性，而且无刷直流电动机的控制相对简单。但是受绕组电感的影响，造成无刷直流电动机的电流不可能是理想的方波，在换向时会发生相电流的重叠，从而导致转矩产生波动。

永磁同步电动机的特点是：永磁体在气隙中产生的磁场空间上按照正弦分布，定子三相绕组为正弦分布绕组，电动机的反电动势及电动机定子电流均为正弦波，采用转子连续位置反馈信号来控制调速或换向。永磁同步电动机通常采用矢量控制策略，其定子电流的直轴分量为零，其交轴电流在磁场的作用下产生电磁转矩，利用矢量控制算法可以实现宽范围的恒功率弱磁调速。永磁同步电动机有效率高、体积和质量小、控制精度高及转矩脉动小等优点，但是控制器较复杂，因此导致成本偏高。

2. 交流永磁电动机的磁性转子

（1）磁性转子的结构

将永磁磁极按N极和S极顺序排列组成交流永磁电动机的磁性转子。按照永磁体在转子上的安装方式，可以把转子分为表面永磁式和内置永磁式转子。

表面永磁式（Surface Permanent Magnet，SPM）转子，如图2-15所示，永磁体黏附在转子铁芯的外表面，可以有效地利用永磁体的磁通量，具有良好的控制性能和散热性能。

图2-15 典型的SPM转子

内置永磁式（Interior Permanent Magnet，IPM）转子，如图2-16所示，永磁体嵌在转子铁芯内部，有较高的磁显性，可产生额外的磁阻转矩分量；同时可以承受转子高速旋转的离心力作用，并且可以有效抑制高次谐波的作用，但散热效果较差。

图2-16 典型的IPM转子

（a）径向式；（b）切向式；（c）U形混合式

还有一种转子既有永磁体又有励磁绕组，称为混合永磁式转子。永磁励磁分量和励磁磁通分量在气隙中叠加形成气隙磁通，气隙磁通可以通过调节励磁电流来控制。特别是在高速区，可以方便地进行弱磁调节。因此采用这种转子的电动机在宽转速范围内有最佳效率和理想的驱动特性，非常适合用作驱动电机。

三种转子结构的性能比较如表2-1所示。

表2-1 三种转子结构的性能比较

（2）磁极的数量

一般交流感应电动机的磁极数量增大以后，电动机在同样的转速下，工作频率随之增加，定子的铜损耗和铁损耗也相应增加，将导致功率系数急剧下降。而交流永磁电动机的磁极增至一定数量以后，不仅对电动机的性能没有明显的影响，还可以有效地减小电动机的尺寸和质量。

交流永磁电动机的转矩，受转子的极数、转子的直径和有效长度，定子绕组线电流的密度，定子与转子之间气隙的大小和气隙磁通密度的影响。气隙磁通密度主要与永磁材料的性能有关，选用磁能密度高的磁性材料，可以提高气隙磁通密度，减小电动机的质量；提高气隙磁通密度，改进磁路结构，可以提高交流永磁电动机的转矩；另外，在气隙磁通密度相同的条件下，增加磁极的数量，就可以减小电机磁极的横截面积，从而减小转子的铁芯直径和电动机尺寸。

（3）永磁电动机的磁极层数

交流永磁电动机为了增加电动机的转矩，采用增大永磁体中心轴（d轴）与两个永磁体的磁路对称轴（q轴）的磁阻之差，来获得更大的磁阻转矩，因此电动机采用多层的转子结构，有双层、三层或更多层等。转子的层数增加，也增大，一般多采用2～3层结构。

（4）磁性材料

永磁体给电动机提供长久励磁，目前用于电动机的永磁体材料主要有三类：

① 铝镍钴。

铝镍钴材料的主要优点是其高剩余磁通密度和低温度系数。这种材料剩磁Br的温度系数为0.02%/℃，且其最高工作温度为520 ℃。这些优点使很高的气隙密度和高温运行成为可能。但是铝镍钴材料的矫顽力很低，且其退磁曲线呈现高度的非线性。因此铝镍钴材料不仅易于磁化，而且也很容易退磁，这限制了其在电动机中的应用。

② 铁氧体。

与铝镍钴材料相比，铁氧体具有较高的矫顽力，但同时剩磁较低。铁氧体的温度系数相对较高， Br的温度系数为0.20%/℃，矫顽力Hc的温度系数为0.27%/℃，最高工作温度为400 ℃。铁氧体价格低廉，而且其退磁特性几乎是一条直线，是传统永磁电机常用的永磁材料，但由于铁氧体的磁能极低，使得电动机体积相当庞大。

③ 稀土永磁材料。

以钐钴材料成分为基础的第一代稀土永磁材料发明于20世纪60年代，并自70年代初期进入商业化生产。目前，钐钴已经成为一种广泛的硬磁材料，它具有高剩磁、高矫顽力、高磁能积、线性退磁特性和低温度系数等优点，其 Br的温度系数为（0.03～0.45）%/℃，而He的温度系数为（0.14～0.40）%/℃，其工作温度为230 ℃～300 ℃，但其昂贵的价格限制了其在电动机中的应用。

钕铁永磁材料自从1983年被发现以后，由于它具有较高的剩磁和矫顽力，以及相对低的价格，使得其在交流永磁电动机中具有很好的应用前景。不足之处在于温度点低、温度特性差且易于粉化腐蚀，必须通过调整其化学成分和采取表面处理工艺加以改进，才能达到实际应用的要求。典型永磁材料的主要性能参数如表2-2所示。

表2-2 典型永磁材料的主要性能参数

① 1Oe 79.6A/m≈ 。

② 1MGOe 7.96k J/m≈ 3。

永磁材料的特性通常与温度有关，一般永磁体随温度的升高而失去剩磁；如果永磁体的温度超过居里温度，则其剩磁为零。退磁特性曲线也随温度变化，在一定温度范围内，其变化是可逆的，且近似为线性。因此在设计永磁电动机时，必须考虑电动机运行过程中温度的变化范围。