寫在前面
上(shàng)一節我們介紹的鼠籠電機有沒有一些(xiē)熟悉的感覺？這(zhè)周開(kāi)始，我們就要暫時(shí)告别異步電機，進入同步電機的介紹了(le)~
1）前言
同步電機能(néng)夠類似直流電機，除了(le)電勵磁，也(yě)可以用(yòng)永磁體來(lái)進行勵磁，這(zhè)樣轉子上(shàng)就不需要設置線圈，恒定磁場能(néng)夠帶來(lái)一些(xiē)好(hǎo)處：
· 不需要勵磁線圈和(hé)勵磁裝置
· 沒有電刷産生的機械摩擦損耗
· 體積重量能(néng)夠更小(xiǎo)，動态性能(néng)能(néng)夠更高(gāo)
· 制造成本更低(dī)，工(gōng)作(zuò)效率更高(gāo)
· 更低(dī)的轉子損耗
當然，也(yě)會(huì)有一些(xiē)問題：
· 無法簡單實現(xiàn)弱磁增速的控制
· 通常來(lái)說由于材料性能(néng)的限制，功率不會(huì)超過50kW
· 轉子邊緣有退磁的風(fēng)險
· 高(gāo)性能(néng)的永磁體材料十分昂貴
2）永磁同步電機的應用(yòng)
永磁同步電機往往作(zuò)爲較小(xiǎo)尺寸和(hé)功率的電動機投入應用(yòng)，有很(hěn)多都作(zuò)爲了(le)伺服電機，比如機器人上(shàng)的驅動電機、伺服壓機等，包括有一些(xiē)電動車使用(yòng)的也(yě)是永磁電機
如果把永磁同步電機的電源改成蒸餾電源，角度編碼器，做閉環控制，那麽電機的工(gōng)作(zuò)方式就和(hé)無刷直流電機一樣
3）永磁材料特性
永磁體在電機裏的工(gōng)作(zuò)特性主要通過退磁曲線來(lái)描述
其中
是永磁體初始的剩磁磁感強度，
是永磁體的相對(duì)磁導率
我們可以用(yòng)前面的直流電機一樣的方法來(lái)計(jì)算(suàn)永磁體的磁感強度和(hé)氣隙勵磁強度，确定磁路的工(gōng)作(zuò)直線
和(hé)退磁曲線
的交點。如果氣隙漏磁，定子開(kāi)槽，磁壓壓降都被忽略時(shí)，就可以用(yòng)簡單環路定理(lǐ)
其中
爲永磁強度，
爲永磁體高(gāo)度，
爲氣隙磁場強度，
爲氣隙寬度，氣隙的磁密度爲
由于磁場的無源性，封閉曲面的進出磁通相等
一般來(lái)說，氣隙有效面積會(huì)大(dà)于永磁體表面積，不過通過特殊的轉子形狀設計(jì)，也(yě)能(néng)夠使永磁體的表面積更大(dà)，從(cóng)而起到(dào)提高(gāo)氣隙磁通密度的作(zuò)用(yòng)，我們把公式139和(hé)140代入到(dào)141中，就可以得到(dào)
然後可以計(jì)算(suàn)出氣隙處的磁感強度和(hé)強度
随着定子磁動勢增大(dà)，工(gōng)作(zuò)直線右移，永磁體增磁，反之就永磁體退磁
對(duì)于高(gāo)精度要求，考慮鐵(tiě)芯磁飽和(hé)，可以把磁路用(yòng)環路定理(lǐ)分成每個極距的小(xiǎo)塊
4）永磁電機幾何結構
永磁電機的永磁體在轉子上(shàng)，我們可以做成内轉子和(hé)外(wài)轉子電機，一般的伺服電機都是内轉子電機，定子采用(yòng)對(duì)稱的三相線圈繞組，爲了(le)降低(dī)齒槽轉矩，分布式繞組的定子槽一般會(huì)做成傾斜的，傾斜度爲一個槽寬。定子外(wài)殼一般會(huì)用(yòng)拉伸鋁件，并塗上(shàng)黑漆，爲了(le)降低(dī)渦流影響，轉子一般也(yě)是用(yòng)疊片壓成，同時(shí)爲了(le)減小(xiǎo)轉動慣量，還會(huì)在轉子上(shàng)開(kāi)很(hěn)多大(dà)孔
我們也(yě)經常會(huì)在定子上(shàng)看(kàn)到(dào)一些(xiē)通孔，這(zhè)些(xiē)通孔的主要目的是爲了(le)進行散熱
對(duì)于高(gāo)動态特性的電動機會(huì)用(yòng)稀土永磁體，相較于普通的鐵(tiě)氧磁鐵(tiě)，稀土永磁體有更高(gāo)的磁能(néng)密度和(hé)剩磁
永磁體一般會(huì)做成貼片，使用(yòng)貼片的目的主要是爲了(le)減少渦流，使電動機做得更輕更小(xiǎo)
永磁體也(yě)可以埋入轉子，或者做成磁通集中結構，也(yě)能(néng)夠顯著提升氣隙磁感強度，提升電機功率，常見的轉子構造以及永磁體安裝方式包括嵌入式、貼片式、插入式
5）集中式繞組
之前我們介紹過電機的分布式繞組，比如使用(yòng)短距雙層繞組，可以改善氣隙磁場，而一般伺服電機都會(huì)采用(yòng)單層繞組，定子繞組采用(yòng)傾斜繞法，上(shàng)下(xià)隔一個槽繞，也(yě)可以顯著改善氣隙磁場，降低(dī)齒槽轉矩。實際上(shàng)，我們可以看(kàn)到(dào)，同步電機定子使用(yòng)分布式三相繞組伸出來(lái)的繞組頭占據了(le)不少長度，如果使用(yòng)集中式繞組則會(huì)緊湊不少，大(dà)約可以減少約20%的繞組長度，不僅能(néng)夠節省空(kōng)間，而且會(huì)提高(gāo)銅線填充因數到(dào)約50%
其中
爲一根導線截面面積，
爲繞線槽面積，合計(jì)繞線N匝，線電流密度S，因此在導線上(shàng)的銅損爲
所以如果銅線的填充因數提高(gāo)，整體的銅損就能(néng)夠降低(dī)，降低(dī)能(néng)耗
分布式繞組的線圈寬度基本上(shàng)是一極的寬度，可以實現(xiàn)很(hěn)大(dà)的定子磁鏈和(hé)氣隙磁場，使用(yòng)單層或者多層繞組可以改變線圈寬度，可抵消特定磁動勢諧波，諧波頻譜可以做成窄帶
集中式繞組的線圈寬度一般來(lái)說會(huì)比一極寬度略窄，可以壓制特定諧波，基本上(shàng)諧波頻譜是寬帶
6）整數槽與分數槽
線圈繞組的槽洞數
其中p爲極對(duì)數，m爲相數，Q爲總槽數，如果q爲整數，那麽這(zhè)個繞組就是整數槽繞組，如果q不是整數，那麽這(zhè)個繞組就是分數槽繞組，集中式繞組就是一種分數槽繞組，且q<1
我們來(lái)舉個例子：Q=36, m=3, p=5，那麽q=6/5
那麽，爲什(shén)麽要分數槽呢(ne)？對(duì)于分布式繞組來(lái)說，一個很(hěn)高(gāo)的基波分布因數
需要很(hěn)大(dà)的槽洞數，對(duì)于多極電機來(lái)說，就需要設計(jì)很(hěn)多的槽數，一個q=11的整數槽鎖需要的基波繞組因數和(hé)一個q=11/5的分數槽繞組相等，此外(wài)，相較于整數槽繞組，分數槽繞組的高(gāo)次諧波的頻譜更加稠密使用(yòng)了(le)分數槽的永磁同步電機跟異步電機相較而言，有較大(dà)的氣隙密度，這(zhè)樣定子上(shàng)的高(gāo)次諧波磁場就會(huì)小(xiǎo)一些(xiē)。理(lǐ)論上(shàng)，從(cóng)永磁體轉子上(shàng)不會(huì)有諧波，在線性近似理(lǐ)論下(xià)就不會(huì)有明(míng)顯的擺動轉矩，不過實際上(shàng)，因爲局部鐵(tiě)芯磁路的磁飽和(hé)以及集中式繞組降低(dī)的漏磁，還是會(huì)産生一些(xiē)擺動轉矩
在前面一篇文(wén)章裏面，我們提到(dào)鼠籠異步電機會(huì)跟所有定子磁場的諧波滿足等階條件（
與
相等，因此總是會(huì)生成一些(xiē)擺動轉矩，所以分數槽一般不會(huì)應用(yòng)在異步電機上(shàng)7）線圈因數
爲了(le)使轉子和(hé)定子之間有足夠大(dà)的磁場耦合，我們需要設計(jì)一個更大(dà)的線圈因數
這(zhè)裏線圈因數是在槽縫無限窄的情況下(xià)的因數，如果我們需要獲得一個最大(dà)的基波時(shí)，那麽就會(huì)有線圈邊寬等于極寬，在集中式繞組裏，線圈寬等于槽寬，如果電機直徑爲D，那麽
所以當集中式繞組的總槽數近似等于極數時(shí)，就可以實現(xiàn)轉子與定子之間比較好(hǎo)的磁場耦合
我們可以将階數作(zuò)爲橫坐(zuò)标，線圈因數爲縱坐(zuò)标，做出類似的頻譜
3槽2極
6槽2極
9槽8極
12槽10極
這(zhè)一節我們介紹了(le)永磁同步電機的轉子構造，退磁曲線，以及定子可以采用(yòng)的分數槽以及集中式繞組的方法，祝大(dà)家學習愉快(kuài)！
