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所谓电机，顾名思义，是一种电能与机械能的转换装置。机电能量转换的核心是磁场，电机定子和转子之间只有各自磁场的相互作用，而没有电的或者机械的耦合。所以说“磁”是“电”和“机”的媒介，把“电机”叫成“电磁机”更恰当一些。磁场通常是由电激励产生的，如大型发电机定子为电枢，转子上有励磁绕组；异步电动机转子不通电，它的磁场是由定子电流感应产生的所以又称为感应电动机；直流电动机的励磁绕组往往在定子上。永磁材料的发展使得永磁体的磁场足够强，可以用在电机定子或者转子上，提供单边磁场，是为“永磁电机“。

永磁体既可以放到定子上，也可以放到转子上，当然定子转子同时放也不是不行。如果定转子都有永磁体，即使定子无电流，转子转动时与定子的作用力呈“吸-斥”的周期性变化，对正常运行不利，一般场合不用它。永磁直流电动机就是把永磁体放在了定子上，以取消励磁绕组和磁极铁心，在小功率电机和微电机上得到广泛应用；但是没有解决电刷与换向器的摩擦问题，功率较大时与其它类型电机相比优势不足。

所以我们通常把永磁体放到转子上，以避免转子与电源连接。转子磁极作为主磁场，定子绕组通电产生转速与电流频率相关的电枢磁场，两者通过气隙一个牵引一个跟随，同步旋转且保持相对静止，这就是永磁电机的主要类型：永磁同步电机。若定子磁场在前，拉着转子磁场旋转，电机处于电动状态，负载越大，需要的定子电流也越大；反之则是发电状态。所以原则上一台永磁同步电机，既能作为电动机运行，也可以作为发电机使用。

需要注意的是，我国电网频率是50Hz，永磁同步电动机接入电网时定转子磁场转速相差太大，电机本身不具备起动能力。这时可以参考异步电机的工作原理，在转子上放置笼型绕组用于改善起动性能。这就是永磁同步电机的一个分支：异步起动永磁同步电动机。这种电机有很多优点，稍后一并介绍；缺点是由于永磁体的存在，起动性能比异步电机要差，噪声振动较难抑制；且转子内部既有永磁体又有鼠笼条，工艺复杂。作为发电机使用时，需要严格控制转速，以保证发电频率与电网一致。

为了使电机平滑的起动，更为了使电机在不同转速、不同转矩时均能正常运行，外接变频器（又称逆变器、控制器）成为必选项，变频调速永磁同步电动机应运而生。（多说一句，有的公司比如我们，更进一步，把电机和变频器集成到一起，主要产品即是变频调速一体机，一体机的优点我们有机会再说。）从此处开始，在不引起混淆的情况下，我们说的永磁电机，默认是指简化了名称的“变频调速永磁同步电动机”。还有一种“永磁直流无刷电动机”，是相对于前面提到的永磁直流电动机来说的，因为它把永磁体放到了转子上，去掉了电刷。但是，永磁直流无刷电动机需要连接变频电源，输入电机的电压已是交流矩形波，名称中的“直流”是传统叫法，或者对控制器来说，输入是直流。这种电机的结构与变频调速永磁同步电动机大同小异，不再单独介绍了。

永磁电机的定子和传统的异步电机、同步电机基本相同，绕组为对称的三相绕组，定子电流为三相正弦电流。而作为同步电机，电机的极数是由转子极数，即永磁体的周期数决定的，这一点后面会提到。转子结构根据每极下永磁体的空间位置，分为表贴式和内置式。不要看表面意思，表贴式对应传统同步电机的隐极式，是指转子一周任意一个角度，要么是N极，要么是S极，没有中间状态，这样转子各个方向上的磁导都是相等的；内置式对应传统同步电机的凸极式，即圆周上有的位置既不是N极也不是S极，意味着磁极处（直轴，d轴）的磁导与磁极中间（交轴，q轴）的磁导不相等。磁导不相等从而d轴和q轴的电感不相等，这一点很重要。

前文交代，转矩是由定转子磁场相互作用产生的。永磁电机转子磁场建立后，定子磁场的大小由电流和电感（与匝数和磁路有关）决定，所以当电机做好以后，不变部分是气隙磁通和定子线圈的电感（磁通与电感的乘积为磁链），可变部分是电流，永磁转矩为磁链与电流的乘积，所以电流越大，永磁转矩也越大。

除永磁转矩外，对于内置式转子，可以把它等效成没有永磁体的凸极转子，磁力线总是经过交轴，转子也可以跟着定子同步旋转。这是由于直轴、交轴的磁阻之差引起的，故这个转矩称之为磁阻转矩。可以简单理解为，转子铁心是一块铁，它在定子磁场的吸引力下跟着跑。这时的转子磁场除与磁路、线圈有关外，是由定子电流激励产生的，这一点与异步电机类似。

可见，永磁电机的转矩是由永磁转矩和磁阻转矩两部分组成的。为了提高电机的电气性能，多种应用场合需要挖掘磁阻转矩的潜力。如果电机没有永磁体，只靠磁阻结构产生转矩，是为“同步磁阻电机”，总的来说功率密度与异步电机相当；还有一种情况是永磁转矩的占比低于50%，这种可称之为“永磁辅助同步磁阻电机”，是近年来研究的热点之一。

永磁体建立的主磁场大小是恒定的，我们知道电压等于磁通的变化率，因此电机做好后的反电动势只与转速有关，且成正比，这是永磁电机的一大特点。变频器控制时，电机电压基本与反电动势平衡，负载越小两者越接近，空载时可以用读取的电压值近似认为是反电动势。电源电压是固定的，变频器可以使输出电压变小但不能使电压升高；随着电机转速的升高，反电动势终将会超过电源电压，这时就需要“弱磁”了。定子电流产生一部分直轴分量，用于减小永磁体产生的主磁场。

阶段性的总结一下就是，永磁电机输入多大的电流就输出多大的转矩；同时转速越高，需要的电压也越大。电流与电压的乘积是输入功率，转矩与转速的乘积是输出功率。所以只要机械结构、绝缘强度可以满足，永磁电机不考虑发热的短时功率取决于电网或变频器的容量。

根据以上描述，永磁电机的主要特点概括如下：

1、主磁场由永磁体产生，定子不需要励磁电流，定子铜耗小；与异步电机相比，转子几乎无损耗，故永磁电机的效率高。异步电机能达到国标二级能效就比较难了，而永磁电机是比较容易实现的；对于一级能效，目前看只有永磁电机可以实现。

2、由于损耗小，电机发热少，所以永磁电机可以把功率密度做得更大，即体积小、重量轻。同等条件下，永磁电机可以比异步电机小2~3个机座号，在空间要求严格的场合有广泛的应用。

3、由于降低甚至取消了电流的无功分量，永磁电机具有较高的功率因数。根据现场或系统要求设计合适的电机参数，可实现功率因数等于1，乃至电流超前电压。

4、与传统的同步电机和直流电机相比，取消了励磁系统和电刷装置，不但没有励磁损耗，而且更安全可靠、寿命更长。

5、电机的极数由转子决定，故可以实现转子多极定子少槽的分数槽结构，用与极数相当的定子槽数可以达到较好的电气性能，大大简化了工艺，拓展了电机的转速范围；另外定子槽数较少可以做得更小，这是外转子永磁电机发展的机遇。

6、永磁电机转子侧无需励磁且极数确定这一特点，极大的拓展了电机的结构类型，如把定子转子轴向放置，就成为“轴向磁通永磁电机”；把定子展开放到平面上按需要的距离加长，转子沿着平面运动，这就是“直线电机”；再把平面的定子沿中心线卷起来，转子包裹住定子作轴向运动，构成了“圆柱形直线电机”，等等。

7、微特电机领域，因铁氧体永磁的价格较低，永磁电机已得到主流应用；而在中大功率的工业电机领域，以钕铁硼为代表的稀土永磁体的价格较高，永磁电机的成本约为同容量异步电机的1.5倍；即便如此，在节能和对电力传动系统的性能要求越来越高的今天，永磁电机必将得到越来越广泛的应用。

最后对永磁电机的应用领域做一简单介绍。

绝大多数场景下，如工业驱动领域，无论哪种负载类型，如风机水泵、机床轧机、起重电梯等，永磁电机都可以替代异步电机。损耗小效率高，节能空间大；结构更紧凑，占用空间小；转速严格服从于电源频率，控制算法更简单；转子的转动惯量小，加减速响应更快；等等。考虑到永磁体以及转子铁心的防护要求，电机不宜做成开启式的。

在交通工具的驱动系统，永磁电机是理想的选择，如新能源汽车。交通工具的特点有体积重量受限、对续航有要求、控制精度高等，永磁电机完美契合这些要求；为了追求极致的重量和体积，可以设计多极数的永磁电机，用来提高电磁材料的利用率，而多极数的异步电机性能较差。

我们知道电源频率一定时，多极数电机转速较低。利用这一点，可以把定子设计成分数槽绕组，转子极数达数十极甚至上百极，这样电机的额定转速只有数十转，所以省去了减速机，直接驱动负载机械，提高了系统的稳定性和可靠性。这是中大功率永磁电机的重要分类之一，可以驱动皮带、刮板等运输设备，在矿山、港口、钢铁等领域的渗透度越来越高。

进一步地，把分数槽定子放到电机内部，转子与机壳固定到一起的外转子永磁电机，机壳直接连接负载，应用更加广泛。比如机壳直接与皮带传动的电动滚筒，电机放入车轮内部机壳与轮胎配合的轮毂电机（电动自行车的主流方案），机壳上安装风叶装成外转子风机，还有直接通过钢丝绳驱动轿厢的外转子曳引机，每种产品都涉及不同的行业，足以说明外转子永磁电机的适用性。

永磁电机还在风力发电、医疗设备、家用电器、航空航天等领域有各自的应用，可以说，凡是需要动力的地方，就可以用电机；凡是有电机的地方，就可以使用永磁电机。