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，转子由铁芯和永久磁铁组成。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。