永磁材料的主要性能参数
2. 退磁曲线的拐点
• NdFeB永磁的退磁曲线在 室温下为直线，但温度升高 到一定程度时下部会出现弯 曲。退磁曲线上明显发生弯
曲的点称为拐点。
• 如果永磁体的工作点在拐 点以下，会产生磁性能的不
可逆损失。
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永磁同步电机
永磁材料的主要性能参数
3. 温度系数 温度的变化对永磁体的性能有一定影响，其影响可用温度系数表 示。温度系数表征了永磁材料的温度稳定性； 4．居里温度 磁性材料并不是在任何温度下都具有磁性的，存在一个临界温度 Tc，在该温度以上，材料不显示磁性；
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永磁同步电机
定子结构 分数槽集中绕组的优势是 ：
可用专用绕线机 ，取代传统嵌线工艺，提高了劳动生产 率，降低了成本； 减小了定子轭部厚度，提高了电机的功率密度；
铜耗降低，进而提高机效率和降低温升；
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永磁同步电机
转子结构 根据永磁体位置不同，可以把永磁同步电机分为： 表贴式永磁体同步电机 外嵌式永磁体同步电机 内嵌式永磁体同步电机
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表贴式转子结构
永磁体为环形，配置在转子铁心的表面，永磁体多为 径向充磁或异向充磁。
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表贴式转子结构 永磁体设计成半月形不等 厚结构，通常采用平行充 磁或径向充磁，形成的气 隙磁场是为理想的正弦波 磁场。
主要用于大型或高速永磁 电机，为防止离心力造成 永磁体损坏，需要在永磁 体的外周套一非磁性的箍 圈予以加固。
• 等效气隙大、定位转矩小；
• 绕组电感低，电机动态性 能好；
• 电枢反应小、控制简单、 精度高；
• 转矩电流特性线性度高；
永磁交流伺服电机多采 用这种转子结构。
高转速、大转矩、高功率、高效 率、需弱磁控制以及宽调速范围 等指标要求的领域。
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嵌入式永磁体转子磁通路径
永磁同步电机
定位转矩的抑制技术 （2）优化定子侧铁心齿槽磁导的分布 尽可能减小槽口宽度或使用闭口槽；
安装磁性槽楔；增大每极槽数；
合理设计齿槽形状；铁心非均布开槽；
增大气隙；齿面开辅助凹槽；
加辅助齿槽；
降低齿顶饱和程度。
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定位转矩的抑制技术 （3）优化转子侧永磁体磁场分布
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永磁同步电机
直线电动机的工作原理
由定子演变而来的一侧称为初级 由转子演变而来的一侧称为次级
直线电动机可以是短初级长次级，也可以是长初级短 次级，目前一般均采用短初级长次级结构
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永磁同步电机
直线电动机的工作原理 在旋转电机定子绕组中通入三相对称正弦电流后，产生 一个旋转磁场。其旋转速度为：
改变转子侧永磁体磁极的尺寸、形状、极距及充磁 方式等对于定位转矩的波形和幅值都有重要影响。 （4）定子采用分数槽 电机在采用分数槽时，极距不是齿距角的整数倍，不 同极下的齿槽所处磁场位置不同，产生定位转矩相位 不同而相互抵消。
当转子永磁体数一定时，定子采用分数槽提高了定位 转矩基波的频率，可达到减小定位转矩的作用。 上海大学 自动化系 代颖
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永磁同步电机
定位转矩的抑制技术 （1）定子斜槽或转子斜极 将定子槽相对于转子磁极倾斜一个定子齿距可使各极槽 下产生的定位转矩相互抵消。转子磁极相对于定子槽倾 斜一个齿距同样可达到相似效果。
使电机结构趋于复杂，降低电机输出转矩，增加漏感 和杂散损耗，适合应用于每极槽数较多的电机。 上海大学 自动化系 代颖
右边的第1项为永磁体与 q轴电流作用产生的永磁转矩 ；第2项为凸极效应产生的磁阻转矩。
对于IPMSM，由于Ld＜ Lq ，因此 通过流负向的d轴电流 ，使磁阻转矩与永磁转矩相叠加，成为输出转矩的一部 分。
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隐极同步电机的电磁转矩
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永磁同步电机
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永磁同步电机
永磁同步伺服电机
伺服：一词源于希腊语“奴隶”的意思。服从控制 信号的要求而动作。 指执行机构按照控制信号的要求而动作。 广义的伺服系统是精确地跟踪或复现某个给定过程 的控制系统，也可称作随动系统。 狭义伺服系统又称位置随动系统，其被控制量（输 出量）是负载机械空间位置的线位移或角位移，系统 主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化。
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永磁材料的主要性能参数
1．剩磁密度、矫顽力和内察矫顽力 •当磁场强度H为零时，磁感应强度不为零，而是一个较大的值， 称为剩余磁感应强度或剩磁密度，用Br表示，单位为T 。 •当磁感应强度为零时，H不为零，Hc称为磁感应矫顽力，通常简 称为矫顽力，单位为A/m。
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永磁同步电机
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永磁同步电机
插入式转子结构
在转子铁心凹陷部分插入永磁体，永磁 体多采用径向充磁，虽然为表面永磁体 转子结构，却能利用磁阻转矩。
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嵌入式转子结构
永磁体平板形、切向充磁，铁心为扇
形，可以增加永磁体用量，提高气隙
磁密，但需要采用非磁性轴。
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式的初级驱动圆盘次级作
圆周运动
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永磁同步电机
定子结构 每极每相槽数为整数
整数槽绕组
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永磁同步电机
定子结构
每极每相槽数为分数
分数槽绕组
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永磁同步电机
定子结构 整数槽分布绕组的优势是： 反电势比较正弦 适合用于少极数、高转速、大功率的领域。
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永磁同步电机
嵌入式转子结构 永磁体为倒圆弧形 ，配置在整个极距范 围内 ，通过增加永磁体用量来提高气隙 磁密 ，还可以通过确保交轴磁路宽度来 增大磁阻转矩，永磁体为非稀土类。
通过采用多层倒圆弧形永磁体增大磁阻 转矩，永磁体的抗去磁能力强，气隙磁 密高，且波形更接近正弦形。
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同步电机原理与应用
上海大学 机电工程与自动化学院 自动化系 代颖
永磁同步电动机
永磁同步电机的常用转子结构 永磁同步电机的齿槽转矩及抑制方法
永磁材料的主要性能参数和充磁、退磁
永磁同步伺服电机设计特点
牵引用永磁同步电机设计特点
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永磁同步电机
高性能永磁材料的发展
•铝镍钴 •铁氧体 •稀土永磁体 •钐钴 •钐钴 •钕铁硼
Maxwell2DDesign2
3.00
Moving1.Torque [NewtonMeter]
2.00
1.00
0.00
-1.00
-2.00
-3.00
0.00
2.00
4.00
Time [ms]
6.00
8.00
10.00
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永磁同步电机
定位转矩
特点 ：
方向交变，具有周期性，波动频率与转子极数和定子铁心槽数 直接相关； 转矩波动幅值大小与永磁体性能、磁极和齿槽形状、铁心材料 特性有关； 定位转矩的存在与电机绕组是否通电无关 ，但其幅值大小与电 流大小有关联。
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永磁同步电机
按运动方式分：
永磁同步旋转电机 永磁同步直线电机
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永磁同步电机
旋转永磁同步电机 • 定子 主要包括电枢铁心和三相对称电枢绕组，绕组 嵌放在铁心的槽中； • 转子 主要由永磁体、导磁轭和转轴构成。
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永磁同步电机
旋转电机 联轴器 滚珠丝杠 工作台
iu eu i e v v iw ew
定子绕组电阻； 定子绕组自感。
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Lu Lv Lw
永磁同步电机
同步旋转坐标系下的电压方程为：
ud Ra PLd u ωL d q
高效率
功率因 数高 低温升
集成电路和计算机技术的发展
•矢量控制 •DSP
永磁同 步电机
体积小 重量轻
电力电子技术的发展
•半控式晶闸管 •自关断半导体器件 •复合场控器件 •IGBT、SIT、MOS控制的MCT等 •功率集成电路IPM
动态性 能好
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永磁同步电机
按工作方式分：
永磁同步发电机：大型风力发电、便携式移动独立供电电源； 永磁同步电动机：航空航天产品，电动车辆、数控机床，加工 中心，柔性生产线，机器人，计算机、视听产品、医疗器械、 便携式光机电一体化产品，高性能家用电器；
uu iu iv iw 相定子电流； eu ev ew 永磁体磁场在相电枢绕组中感应的电动势
Ra
PM wu uu Ra PLu PM uv u PM R PL PM uv a v vw v PM vw Ra PLw u w PM wu uv uw 相定子电压；
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永磁同步电机
速度和加速度 能耗 精度 价格 难度
“旋转电机+滚珠丝杠”很难提高
直线电机能耗大
直线电机定位精度高 直线电机贵很多
直线电机发热大、可靠性受控制系统稳定性影响， 需要隔磁 上海大学 自动化系 代颖
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直线 电机
旋转 电机 应用 场合
在以下数控装备领域具有优势：高速、超高速、 高加速度和生产批量大、要求定位的运动多、速 度大小和方向频繁变化的场合 但从节能降耗、绿色制造角度及结构自身特点 考虑仍有其广阔的市场空间。 目前，直线电机成为高速/超高速、高档数控 装备中的主流驱动方式，“旋转电机+滚珠丝 杠” 在中档高速数控装备中占主流地位。