同步电动机工作原理，从结构到运行，让你更加了解永磁电机

同步电机是一种交流电机，其工作原理是转子转速恒等于电枢旋转磁场的转速，即转子转速与电枢电流的频率之间存在一种严格不变的关系。

同步电机的基本结构

同步电机在结构上是定子铁心上嵌放三相对称绕组，转子铁心上装置直流励磁绕组。

主磁场的建立

励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。

载流导体

三相对称的电枢绕组充当功率绕组，减速箱成为感应电势或者感应电流的载体。

切割运动

原动机拖动转子旋转(给电机输入机械能)，极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组。

交变电势的产生

由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。

二、同步电机的主要运行方式

1、发电机：是同步电机最主要的运行方式。

2、电动机：是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型锥齿轮减速机的同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。

3、补偿机：同步电机接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。

三、两种同步电动机的比较

1. 无刷直流电动机：其出发点是用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极，将原直流电动机的转子电枢变为定子。有刷直流电动机是依靠机械换向器将直流电流转换为近似梯形波的交流，而BDCM是将方波电流(实际上也是梯形波)直接输入定子，其好处就是省去了机械换向器和电刷，也称为电子换向。为产生恒定电磁转矩，要求系统向BDCM输入三相对称方波电流，同时要求BDCM的每相感应电动势为梯形波，因此也称BDCM为方波电动机;

2. 永磁同步电动机(简称PMSM)：其出发点是用永磁体取代电励磁式同步电动机转子上的励磁绕组，以省去KAF87减速机 的励磁线圈、滑环和电刷。PMSM的定子与电励磁式同步电动机基本相同，要求输入定子的电流仍然是三相正弦的。为产生恒定电磁转矩，要求系统向PMSM输入三相对称正弦电流，同时要求PMSM的每相感应电动势为正弦波，因此也称PMSM为正弦波电动机。

同步电动机的最大优点是调节励磁电流可以改变功率因数。在一定有功功率下，改变可得到同步电动机的U形曲线。过励时从电网吸收超前无功功率，欠励时从电网吸收滞后无功功率。

当改变同步电动机的励磁电流时，能够改变同步电动机的功率因数，这点是三相异步电动机所不具备的。当改变励磁电流时，同步电动机功率因数变化的规律可以分为三种情况，即正常励磁状态、欠励状态和过励状态。同步电动机拖动负载运行时，一般要过励，至少运行在正常励磁状态，不要让它运行在欠励状态。

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永磁同步电机原理——最核心的东西是如何得到旋转磁场

首先，看下永磁同步电机的定义，永磁同步电机中的永磁是指电机的转子是永磁铁，也叫永磁体。同步意思是转子频率和定子频率是一样的，其转速不会因为负载的变化而变化。电机是指将电能转化为机械能的装置，是一种电磁机械装置。

我们再看一下永磁电机是怎么转起来的，其实电机就是利用磁场的异性相吸的原理，如下图，如果蓝灰色的外圈磁铁旋转起来就能吸引让里面的磁铁跟随旋转。

电机用到的磁场原理

那么，怎么才能让外圈这个磁铁旋转起来呢? 我们总不能用一个旋转的东西来带动外圈，然后再得到内部磁铁旋转吧? 如果是这样，那么这最多是一个联轴器了，而不是电机。永磁同步电机是通过电转磁的方式，让外圈磁场旋转起来，而不是让外圈机械式的旋转，这种通过电转磁让定子磁场旋转起来的方式就是永磁同步电机的核心了。

电机的伟大之处就是将无形的电场转化成无形的磁场，而发现这个物理量能互相转化经历几位伟大的物理学家，在这里我们简单介绍下，以方便大家理解永磁同步电机的原理。

1820年7月，丹麦的物理学家奥斯特（H.C.Oersted，1777-1851）发表了一篇文章《关于磁针上电流碰撞的实验》，向科学界宣布了电流的磁效应以来，人们才知道，电和磁有一定关系。

奥斯特指针实验

电学领域的大师安培，反应非常迅速，并敏锐地意识到这个现象一定能挖掘出一个全新的领域。经过一系列的物理实验，和数学推理，仅用了几个月安培就弄清楚了电产生磁的根本原因，并提出了磁场的概念，同时指出磁场是由运动的电荷（即电流）产生的。同时归纳了简单易记的安培法则。

安培法则

这时候那位将人类工业带入电气化的物理学家法拉第站出来了，提出了电磁感应定律，定量描述了电和磁的大小关系，发明了第一个电机模型，并首次实现了磁转电，为后来的交流发电机奠定基础。法拉第的伟大就在于，他不仅通过实现推导出物理理论，还通过实验直接将物理理论直接转化为伟大的发明，可以说法拉第的电机，电动机，交流电理论助推人类工业进入电气化时代。

法拉第第一台电机

法拉第实现了磁转电

再后来洛伦兹，麦克斯韦将电磁理论更加简单化，亲民化。

至此电磁理论就已经健全了，不过这时候的电机还是直流电机，原理如下，让永磁体固定，通电线圈在磁场中通过不断切换电流方向实现线圈的永久旋转。

直流电机应用也非常广，但是它不是我们今天的主角。我们今天只介绍永磁同步电机。

说到永磁同步电机这我们不得不提一个人——尼古拉·特斯拉。特斯拉在前人的基础上，创新性的将交流电用在线圈中，通过线圈里面交流电的相位角差。得到可交替变化的磁场。

下图是一个典型的永磁同步电机的绕组，3相绕组在空间120°电角度布置，绕组里面分别通相位相差120°的三相交流电。

假设我们先给绿色线圈通电，那么它将产生类似条形磁铁的磁场，中间的永磁体转子受力，开始绕中心轴旋转，当旋转到下一个绕组时，刚好下个绕组的磁级和转子中磁极相反，转子继续旋转。就这样外面的定子上绕组周期变化，磁极就旋转起来了。

注意，上面这个图里的条形磁铁只是为了帮助大家理解通电线圈的磁场方向，并不是电机里放置了一个磁铁！转子也不是单纯的一个磁铁，如果这样的话，会因为磁极方向单一导致受力不均匀，所以它一般是将更多个磁铁放在定子上组成定子磁组，这样就形成了一个SN极间隔的永磁转子。

讲到这里，大家应该能明白永磁同步电机的原理了，它的核心就是如何得到旋转磁场。永磁电机汇集了了众多伟大物理学家的理论和实验装置，比如法拉第的交流电，安培的电磁感应等等。但是，所有这些成果和理论最终在永磁同步电机中体现得淋漓尽致，而正是因为特斯拉对永磁同步电机和交流电的执著推广，我们今天才能这么方便地用上不同电压的各类电器设备。

现实中，永磁同步电机和发电机应用非常广，新能源汽车，风力发电中永磁同步电机和发电机都占有非常大的市场份额。我们在介绍这两个行业的时候会再次讨论永磁同步电机的优缺点，欢迎关注。

风电发电机

永磁同步电机结构

有时候仔细想想，安培，法拉第，特斯拉那个时代的物理学家太神了，竟能够发现并找到两种完全看不到的物理量之间的规律，而且能将这种无形的东西转换成看得到的，有规律的机械运动，不禁感慨电机是一个伟大的发明，物理是一个非常有魅力的专业！

最后，给大家布置一个作业。你知道下面的动图是什么类型电机的模型么?它是基于什么原理呢?

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