上次在直流电机那篇我提到了电机的分类，按照工作电流的不同，分为直流电机和交流电机。

其中交流电机又分为同步电机和异步电机（感应电机）。

电机按照工作电流分类

同步电机的分类

之前已经分享了感应电机的工作原理，本来这篇我打算写写同步电机的原理。

但是我发现，其实同步电机还可以继续往下分，有三种不同的同步电机，即磁滞同步电机，磁阻同步电机（步进电机就属于这类电机，下次有机会再聊聊磁阻电机），还有永磁同步电机。

今天我们先来看看磁滞同步电机的工作原理。

一、什么是磁滞

我们知道，当外磁场作用于铁磁材料时，比如铁，材料会被磁化，随着外磁场强度的增加，磁化强度在某一刻（下图中a点）将达到饱和（Saturation）。

外磁场的变化和磁化强度的关系是一条曲线，如下图中的绿色曲线。

磁滞回线

但是，当外磁场又慢慢减小时，铁磁材料磁化强度并不会沿着原来的磁化路径返回，而是像图中蓝色曲线变化，可以看到，当外磁场减为零时，也就是图中b点，铁磁材料中还有剩磁（Retentivity），只有当外磁场反向，并达到一定的强度时，剩余的磁化强度才会被完全抵消（图中c点），而此时的外磁场强度被称为矫顽力（Coercivity）。

如果外磁场强度在反方向继续增大，那么铁磁材料将会在反方向被磁化，直到达到饱和（图中f点），如图中橘色曲线。

而当反方向外磁场又继续减小时，反方向的磁化强度也跟着减小，如图中紫色曲线。但是当外磁场减小为零时，磁化强度还没有减小到零（图中e点），只有当磁场又改变方向，并达到矫顽力时，如图中d点，磁化强度才会被完全抵消。

也就是说，铁磁材料的磁化强度总是比外磁场的变化滞后，这就叫磁滞（Hysteresis）。

图中4条曲线就构成了磁滞回线。

磁滞回线所构成的面积，表示磁滞损耗。

铁磁材料的磁化过程，图中曲线围成的灰色部分的面积，表示磁滞损耗。

不同铁磁材料的矫顽力不同，根据矫顽力的大小，把铁磁材料分为软磁，半硬磁，和硬磁材料。

铁磁材料的分类，及其在不同电机转子中的应用：磁滞电机转子中主要用半硬磁材料，比如钴钢，有部分也用硬磁材料。感应电机转子用软磁材料，永磁电机转子用硬磁材料。

磁滞电机中，转矩与磁滞损耗成正比（T＝pV/2π*∮BdH，p表示定子极对数，V表示磁滞区域的体积，∮BdH表示磁滞面积），因此使用硬磁或半硬磁材料，从而提高转矩能力。

二、磁滞电机的原理

磁滞电机中，定子和感应电机的定子差不多，核心结构是堆叠的硅钢片及缠绕在其上的绕组构成，绕组通入交流电，用来产生旋转磁场。

定子绕组产生旋转磁：忽略图中转子结构，因为这是一个感应电机的转子，但是其定子和磁滞电机定子相同。

而定子则主要由旋转轴及轴外面包裹的铁磁材料构成，当然也包括一些支持轴承，端盖等常规结构。

磁滞电机的结构：定子主要是绕组，转子上没有磁铁，没有线圈，也没有像感应电机那样的鼠笼，而是由内层转轴和外层磁滞材料构成，比如D2工具钢（以后聊聊工具钢）。

磁滞电机的原理：定子的旋转磁场（磁极）通过磁化转子，在转子中产生磁极，定子磁极和转子磁极之间相互吸引，产生转矩，于是转子跟随定子磁场旋转起来。

定子产生旋转磁场，施加在转子铁磁材料上，于是转子被磁化并产生磁极，由于磁滞现象，转子材料中的磁通密度将滞后于旋转磁场。

于是定子磁极吸引转子磁极，转子跟随定子磁场旋转起来。

这就是磁滞电机的工作原理。

其实，用一张图表示的话，就是下面这个。

磁滞电机的原理：图中NS表示定子产生的旋转磁极，ns表示转子磁化出的磁极，Mh表示扭矩。

三、磁滞电机的特性

磁滞电机在启动时，根据电磁感应原理，定子的旋转磁场在转子中会感应出涡流（Eddy Currents），涡流会产生转矩（因为电流在磁场中受力），但是涡流转矩远小于磁滞转矩，此时磁滞电机表现得像感应电机。

磁场相对导体移动时，会在导体中感应出涡流。

当运动导体穿过磁场时，会在导体中感应出涡流，涡流刹车就是用的这个原理，扯远了，只是记录一下感应涡流。

随着速度的提高，电机在磁滞转矩和涡流转矩的双重作用下，慢慢进入同步运行状态。

在同步条件下，定子磁场和转子磁场之间的相对运动消失，因此不再有感应现象，在转子中不会产生涡流，涡流转矩也就消失了。此时仅仅由磁滞转矩驱动，这时转子就像一个永磁体，磁滞电机又表现得像永磁电机。

正常同步运行期间，加速阶段，定子磁场旋转速度比转子快，在转子中感应的磁极将围绕转子外围移动。当转子速度达到定子旋转磁场速度时，转子磁极将占据固定位置，和转子磁场之间保持固定的夹角，称为耦合角。

典型的磁滞电机速度扭矩图，来自www.bodine-electric.com。

磁滞电机中的耦合角不是刚性的，如果负载超出电机的能力，那么转子铁芯外围的磁极将发生偏移，电机打滑，失去同步能力。如果将负载减小到电机容许扭矩内，磁极又将占据固定位置。

四、磁滞电机的优缺点及应用

优点：磁滞电机的主要优点是它是无刷的，并且转子内部没有绕组，所以结构非常简单。另外，它运行安静，操作可靠，可自启动，同步平稳，在启动和运行过程中几乎恒定的电流。

缺点： 转子材料的成本较高，尽管通常转轴由普通钢制成，仅在其上固定硬磁材料制成的空心圆柱体。另外，电机产生的扭矩非常低，如果负载转矩增加到一定极限，则其速度下降，因此不再用作同步电机。最后，因为是磁化出磁极，所以效率较低，适用于小尺寸。

磁滞电机的应用少，这方面的研究也很少。

由于运行安静，因此磁滞电机一般用于定时设备和精密音频设备，因为在进行音频录制时，录制设备的无噪声操作非常重要。

另外，因为可恒速运行，磁滞电机也用于需要恒定速度记录和播放的唱机，录音机，电子钟等。

当然，也有研究者用磁滞电机来驱动并研究磁悬浮平台的精度。

直线磁滞电机用来研究磁悬浮线性平台。

文章来源于：罗罗日记