永磁同步电机反电势的理解

　　1.反电势是如何产生的?

　　其实反电势的产生很好理解，记忆力稍好的同学都应该知道早在初中和高中时就已经接触过，只是当时的叫法是感应电动势，其原理就是导体切割磁感线，只要两者有相对运动就行，可以是磁场不动，导体切割;也可以是导体不动，让磁场动。对于永磁同步电机而言，其线圈固定在定子上(导体)，永磁体固定在转子上(磁场)，当转子转动时，转子上的永磁体产生的磁场就会旋转起来，就会被定子上的线圈进行切割，并在线圈中产生反电势。为什么叫反电势呢?顾名思义，因为反电势E的方向和端电压U方向相反(如图1所示)。

　　2.反电势和端电压有什么关系?

　　从图1中可以看出在负载下反电势和端电压的关系式为：

　　对于反电势的测试，一般是在空载状态下，不通电流，转速为1000rpm条件下测试得出的。一般定义1000rpm数值，反电势系数=反电势平均值/转速，反电势系数是电机比较重要的参数，这里需要注意的是负载下的反电势在转速未稳定之前是不断变化的。通过(1)式可知负载下反电势是小于端电压的，如果反电势大于端电压就成了发电机，对外输出电压。由于实际工作中的电阻和电流较小，因此反电势的值约等于端电压，且受端电压的额定值限制。

　　3.反电势的物理意义

　　设想如果反电势不存在会出现什么样的情况呢?由式(1)可知，没有反电势，整个电机就相当于一个纯电阻，成了一个产热特别严重的器件，这和电机将电能转化为机械能是相违背的。

　　在电能转化关系式中，UIt即为输入电能，比如向电池、电动机或变压器中的输入电能;I2Rt是各电路中的热损失能量，这部分能量是一种热损耗能量，越小越好;输入电能与热损耗电能的差值，就是与反电动势相对应的那部分有用能量，换言之，反电动势是用来产生有用能量，与热损耗呈反相关，热损耗能量越大，可实现的有用能量就越小。

　　客观地讲，反电动势消耗了电路中的电能，但它并不是一种“损耗”，与反电动势相应的那部分电能，将转化为用电设备的有用能量，例如，电动机的机械能、蓄电池的化学能等。

　　由此可见，反电动势的大小，意味着用电设备把输入的总能量向有用能量转化的本领的强弱，反映用电器转化本领的高低。

　　4.反电势的大小和什么有关?

　　先给出反电势的计算公式：

E为线圈电动势、 ψ 为磁链、f为频率、N为匝数、Φ是磁通。

根据上述公式相信大家也大概能说出几点影响反电势大小的因素了，这里引用一篇文章进行总结：

（1）反电势等于磁链的变化率，转速越高变化率越大，反电势越大；

（2）磁链本身等于匝数乘以单匝磁链，因此匝数越高磁链越大，反电势越大；

（3）匝数又和绕组方案有关，星角接，每槽匝数，相数，齿数，并联支路数，整距还是短距方案有关；

（4）单匝磁链等于磁动势除以磁阻，因此磁动势越大，磁链方向上磁阻越小反电势越大；

（5）磁阻又和气隙以及极槽配合有关，气息越大磁阻越大，反电势越小。极槽配合比较复杂要具体分析；

（6）磁动势又和磁钢剩磁和磁钢有效面积有关，剩磁越大反电势越高。有效面积和磁钢充磁方向，尺寸以及摆放位置均有关，需要具体分析；

（7）剩磁又和温度有关，温度越高，反电势越小

综上，反电势影响因素包括转速，每槽匝数，相数，并联支路数，整距短距，电机磁路，气隙长度，极槽配合，磁钢剩磁，磁钢摆放位置和磁钢尺寸，磁钢充磁方向，温度。
 

5.电机设计中反电势大小如何选取？

在电机设计中，反电势E非常重要，我觉得反电势设计的好（大小选择合适，波形畸变率低），这个电机就是好的。反电势对电机的影响主要有几方面：1、反电势大小决定了电机弱磁点，而弱磁点决定了电机效率map图的分布。2、反电势波形畸变率影响了电机纹波转矩，影响了电机运行时转矩输出的平稳性。3、反电势的大小直接决定了电机的转矩系数，反电势系数和转矩系数成正比关系。由此可得出下面电机设计中所面临的矛盾点：

a.反电势做大，电机在低速运行区域能在控制器极限电流下保持高力矩，但是在高转速时无法输出力矩，甚至无法达到预期转速；

b.反电势做小，电机在高速区域仍然有输出能力，但是低速相同控制器电流下转矩达不到。

因此，反电势大小的设计取决于电机的实际需求，例如在小型电机的设计中，如果要求在低速时仍能输出足够的转矩，那么反电势就必须设计的偏大一些。