永磁同步電(diàn)动机有(yǒu)哪些优缺点，还有(yǒu)哪些发展？

摘要与传统感应電(diàn)动机相比，永磁同步電(diàn)动机具(jù)有(yǒu)独特的性能(néng)。主要介绍永磁同步電(diàn)动机的特点，并分(fēn)析了國(guó)内外研究现状及其发展趋势。

引 言

永磁同步電(diàn)机的运行原理(lǐ)与電(diàn)励磁同步電(diàn)机相同，但它以永磁體(tǐ)提供的磁通代替后者的励磁绕组励磁，使電(diàn)机结构更為(wèi)简单。近年来，永磁材料性能(néng)的改善 以及電(diàn)力電(diàn)子技(jì )术的进步，推动了新(xīn)原理(lǐ) 、新(xīn)结构永磁同步電(diàn)机的开发 ，有(yǒu)力地促进了電(diàn)机产(chǎn)品技(jì )术 、品种及功能(néng)的发展，某些永磁同步電(diàn)机已形成系列化产(chǎn)品，其容量从小(xiǎo)到大，目前已达到兆瓦级，应用(yòng)范围越来越广；其地位越来越重要，从军工(gōng)到民(mín)用(yòng)，从特殊到一般迅速扩大，不仅在微特電(diàn)机中(zhōng)占优势，而且在電(diàn)力推进系统中(zhōng)也显示出了强大的生命力 。

1、 特 点

永磁同步電(diàn)机采用(yòng)永磁體(tǐ)励磁，具(jù)有(yǒu)電(diàn)励磁電(diàn)机无可(kě)比拟的优点。

1)效率高：在转子上嵌入永磁材料后，在正常工(gōng)作(zuò)时转子与定子磁场同步运行，转子绕组无感生電(diàn)流，不存在转子電(diàn)阻和磁滞损耗，提高了電(diàn)机效率。

2)功率因数高：永磁同步電(diàn)机转子中(zhōng)无感应電(diàn)流励磁，定子绕组呈现阻性负载，電(diàn)机的功率因数近于 1，减小(xiǎo)了定子電(diàn)流，提高了電(diàn)机的效率。同时功率因数的提高，提高了電(diàn)网品质(zhì)因数，减小(xiǎo)了输变電(diàn)線(xiàn)路的损耗，输变電(diàn)容量也可(kě)降低，节省 了電(diàn)网投资。

3)起动转矩大：在需要大起动转矩的设备(如油田抽油電(diàn)机 )中(zhōng)，可(kě)以用(yòng)较小(xiǎo)容量 的永磁 電(diàn)机替代较大容量的Y 系列電(diàn)机。如果 37 kw 永磁同步電(diàn)机代替45kW ～55 kW 的 Y 系列電(diàn)机，较好地解决了“大马拉小(xiǎo)車(chē)”的现象，节省了设备投入费用(yòng)，提高了系统 的运行效能(néng)。

4)力能(néng)指 标好 ：Y 系列 電(diàn)机在 60％的负荷下工(gōng)作(zuò)时，效率下降 15％，功率因数下降 30％，力能(néng)指标下降40％；而永磁同步電(diàn)机的效率和功率因数下降甚微，当電(diàn)机只有(yǒu) 20％负荷时，其力能(néng)指标仍為(wèi)满负荷的 80％以上。

5)温升低：转子绕组中(zhōng)不存在電(diàn)阻损耗，定子绕组中(zhōng)几乎不存在无功電(diàn)流，因而電(diàn)机温升低。

6)體(tǐ)积小(xiǎo)，重量轻 ，耗材少：同容量 的永磁同步電(diàn)机體(tǐ)积、重量、所用(yòng)材料可(kě)以减小(xiǎo) 30％左右。

7)可(kě)大气隙化，便于构成新(xīn)型磁路。

8 )電(diàn)枢反应小(xiǎo) ，抗过载能(néng)力强。

2 、发展现状

永磁同步電(diàn)机的发展和永磁材料的发展息息相关 。新(xīn)型永磁材料 的出现大大促进了永磁同步電(diàn)机的发展。二十世纪八 十年代钕铁硼稀土永磁材料问世，由于钕资源丰富，以廉价的铁取代昂贵的钴 ，价格相对低廉 。钕铁硼稀 土永磁材料磁性能(néng)好 ，极大地推动了永磁同步電(diàn)机的开发。

2．1 发展成果

我國(guó)十分(fēn) 重视钕铁硼永磁電(diàn)机的研 究开发 ，并列入了國(guó)家“863”攻关计划 。经过多(duō)年的研究开发 ，取得了丰硕成果 ，开发了5种类型22个典 型规格的高性能(néng)永磁同步電(diàn)机样机 。

1)3 种典型规格的高效、高起动转矩永磁 同步電(diàn)动机样机，成功地解决了起动转矩高、节能(néng)效果好、高温不退磁和成本合理(lǐ)这4 项互相制约的矛盾。表 1 给出了我國(guó)开发 的用(yòng)于油 田抽油机的 37 kW 稀土永磁同步電(diàn)机与感应電(diàn)动机的性能(néng)比较 。表 2给出了我國(guó)新(xīn)近开发 的用(yòng)于风机、泵类作(zuò)业 中(zhōng)功率為(wèi) 1120 kW 的稀土永磁同步電(diàn)动机与感应 電(diàn)动机和電(diàn)励磁同步電(diàn)动机的性能(néng)对 比 。

2) 化纤机械用(yòng)高效高牵入同步钕铁硼永磁同步電(diàn)动机(6 个规格)。与现有(yǒu)電(diàn)机相比，所： 开发電(diàn)机的功率因数、效率和最大转矩倍数都有(yǒu)不同程度的提高，失步转矩是原有(yǒu)的3．59倍，牵^转矩提高了3倍。

3)机床主轴用(yòng)7．5 kW 高恒功率调速比钕铁硼永磁同步電(diàn)动机和驱动系统。开发的永磁同步電(diàn)动机调速系统 的调速范 围為(wèi) 0．4 r／r a in ～9 000 r／min(國(guó)内同规格的主轴感应電(diàn)动机的调速范围仅為(wèi) 8 r／min ～8 000 r／r e_in)，恒功率调速比达到 1：6。

4 )電(diàn)动汽 車(chē)用(yòng)永磁同步電(diàn)动机和驱动系统。开发的 7．5 kW 轻微型電(diàn)动客車(chē)用(yòng)永磁同步 電(diàn)动机系统 ，電(diàn)机重量為(wèi) 45 kg ，磁體(tǐ)用(yòng)量為(wèi) 0．92 kg，额定转速為(wèi) 3 000 r／m in ，最高转速 5 500 r／m in。样机系统整體(tǐ)额定效率达 89．1％ ，1 h 持续转矩密度為(wèi) 0．74 N ·m ／kg(风冷 )，15 m in 持续转矩 密度為(wèi)1．123 N ·m ／kg( 日本A ISIMAW样机1 h 持续转矩密度為(wèi)0．78 N ·m／kg)(油冷)，15 min 持续转矩密度為(wèi) 1．178 N ·m／kg。

5)高起动能(néng)力钕铁硼永磁起动机電(diàn)机(4 个规格样机)。所开发的電(diàn)机把原来永磁磁极的一部分(fēn)换為(wèi)廉价的软铁辅助磁极 ，节省钕铁硼永磁材料约 30％。

2．2 存在问题

在开发高性能(néng)永磁同步電(diàn)机过程中(zhōng)，取得 上述成果的同时 ，也 得到 了一些 问题 ，有(yǒu)待 于更深入地研究和探索。

1)不可(kě)逆退磁问题。如果设计或使用(yòng)不当，永磁同步電(diàn)机在过高(钕铁硼永磁)或过低(铁氧體(tǐ)永磁)温度 时，在 冲击 電(diàn)流产(chǎn)生 的 電(diàn)枢 反应作(zuò) 用(yòng)下 ，或在剧烈的机械振动时有(yǒu)可(kě) 能(néng)产(chǎn) 生不可(kě)逆退磁，或叫失磁，使電(diàn)机性能(néng)下降，甚至无法使用(yòng)。

因此，既要研究开发适用(yòng)于電(diàn)机制造厂使用(yòng)的检查永磁材料热稳定性的方法和装(zhuāng)置，又(yòu)要分(fēn)析各种不同结构型式的抗去磁能(néng)力，以便设计和制造时，采用(yòng)相应措施保证永磁同步電(diàn)机不失磁。

2)成本 问题 。铁 氧體(tǐ)永 磁同步 電(diàn)机 由于结构工(gōng)艺简单、质(zhì)量减轻，总成本一般比電(diàn)励磁電(diàn)机低 ，因而得到了广泛应用(yòng)。 由于稀 土永磁 目前 的价格还比较贵 ，稀土永磁 電(diàn)机的成本一般 比電(diàn)励磁 電(diàn)机高 ，这需要用(yòng)它 的高性 能(néng)和运行费用(yòng) 的节省来补偿。在设计时既需要根据具(jù)體(tǐ)使用(yòng)场合和要求进行性能(néng)、价格的比较后取舍，又(yòu)要进行结构工(gōng)艺的创新(xīn)和设计优化，以降低成本。

3 )控制 问题 。永磁同步電(diàn)机不需外界能(néng)量即可(kě)维持其磁场，但这也造成从外部调节、控制其磁场极為(wèi)困难。但是随着 M OSFET、IGBT 等電(diàn)力電(diàn)子器件和控制技(jì )术的发展，大多(duō)数永磁同步電(diàn)机在应用(yòng) 中(zhōng)，可(kě) 以不进行磁 场控制而只进行 電(diàn)枢控制。设计时需把永磁 材料、電(diàn)力 電(diàn)子器件 和微机控制三项新(xīn)技(jì )术结合起来，使永磁同步電(diàn)机在崭新(xīn)的工(gōng)况下运行。此外，以永磁同步電(diàn)机作(zuò)為(wèi)执行元件 的永磁交 流伺 服系统 ，由于永磁同步電(diàn)机本身是具(jù)有(yǒu)一定 非線(xiàn)性、强耦合性 和时变性 的系统，同时其伺服对象也存在较强的不确定性和非線(xiàn)性 ，加之系统运行时易受到不 同程度 的干扰 ，因此采用(yòng)先进控制 策略、先进 的控制 系统实现方式(如基于 DSP 控制)，从整體(tǐ)上提高系统的智能(néng)化和数字化水平，这应是当前发展高性能(néng)永磁同步電(diàn)机伺服系统的一个主要突破口。

3 、发展趋势

永磁同步電(diàn)机以其效率高、比功率大、结构简单 、节能(néng)效果显著 等一 系列优点在工(gōng)业生 产(chǎn)和日常生活中(zhōng)逐步得到广泛应用(yòng)。尤其是近年来高耐热性、高磁性能(néng)钕铁硼永磁體(tǐ)的成功开发以及電(diàn)力電(diàn)子元件的进一步发展和改进，稀土永磁 同步 電(diàn)机的研究 开发在國(guó)内外又(yòu)进人 了一个新(xīn) 的时期 ，在理(lǐ)论研究和应用(yòng)领域都将产(chǎn)生质(zhì)的飞跃 ，目前正向超高速、高转矩、大功率、微型化、高功能(néng)化方 向发展。

3．1 超高速電(diàn)机

永磁同步電(diàn)机不需要励磁绕组 ，结构比较简单 ，磁场部分(fēn)没有(yǒu)发热源，不需要冷却装(zhuāng)置，材料的矫顽力高，气隙長(cháng)度可(kě)以取较大值从而使大幅度提高转速成為(wèi)可(kě)能(néng)。目前已制成 (2 ～3 ) X 10 r／r ain的電(diàn)机，如美國(guó)通用(yòng)電(diàn)气公(gōng) 司研制 的150 kW 、23 000 r／min 的径向气隙型转子结构航空用(yòng)稀土永磁发電(diàn)机，外转子型用(yòng)于 電(diàn)动車(chē)的7．2 kW 、27 000 r／r ain 的 電(diàn)机。目前正在研制每分(fēn)钟几十万转的電(diàn)机。

3．2 高转矩大功率電(diàn)机

耐热、高磁性能(néng)钕铁硼永磁材料的开发成功将使其在大功率永磁 同步電(diàn)机中(zhōng)获得重要应用(yòng)。运输业和工(gōng)业中(zhōng)诸如電(diàn)动汽車(chē)、混合型(内燃机与電(diàn)动机并用(yòng) )动力汽車(chē)、列車(chē)、電(diàn)梯、机床、机器人等，对大功率電(diàn)动机的需求正在增長(cháng)。

船舶推动電(diàn)机要求低速大转矩。德(dé)國(guó)西门子公(gōng)司于 1986 年研制 1 095 kW 、230 r／r a in 的六相永磁同步電(diàn)动机，用(yòng)于舰船的推进，与过去使用(yòng)的直流電(diàn)动机相比，體(tǐ)积可(kě)减小(xiǎo) 60％左右，损耗可(kě)降低 20％左右 。另外 1 760 kW 永磁同步推进電(diàn)机装(zhuāng)于 U．212 潜艇试用(yòng)，其長(cháng)度和有(yǒu)效體(tǐ)积与传统的直流推进電(diàn)机相比减少 40％。瑞士 A BB 公(gōng)司已经建造了超过 300艘的電(diàn)力推进船舶最大安(ān)装(zhuāng)容量达到了2 X 19 MW ，其研制的400 kW 到3 MW 永磁同步電(diàn)机用(yòng)于：“Com-paet A~ipod”吊舱式電(diàn)力推进系统。法國(guó)热蒙工(gōng)业公(gōng)司1987 年研制的400 kW 、500 r／r a in 永磁電(diàn)机样机与直流電(diàn)机相比，體(tǐ)积也减少了40％。1996 年，12相、1 800 kW 、180 r／r a in 永磁推进電(diàn)机及控制装(zhuāng)置已完成研制及所有(yǒu)的实船试验。同年，英國(guó)展出了“海航”号轻型隐身护卫舰设计模型。该舰装(zhuāng)有(yǒu)两台21MW 永磁同步電(diàn)机在巡航或隐身时直接驱动螺旋桨。

3．3 微型化

由于钕铁硼永磁 的最大磁能(néng)积很(hěn)高 ，特别是能(néng)制成超薄型的永磁體(tǐ)，从而使过去难以制作(zuò)的超微型和低 惯量 電(diàn)动机得 以实现 。目前 已开发 出直径几毫米以下的超小(xiǎo)型電(diàn)动机用(yòng)作(zuò)医(yī)疗微型机器、眼球手术用(yòng)机器人手臂或管道检 查用(yòng)机器人等场 合 的驱 动 源。现 已制 成 外 径 0．8 m m 、長(cháng)1．2 m ln 的世界上最小(xiǎo)的永磁電(diàn)动机。

3．4 高功能(néng)化

在高温、高真空度或空间狭小(xiǎo)等特殊场合难以使用(yòng)传统電(diàn)机 ，而稀土永磁 電(diàn)机可(kě) 以耐高温 (指钐钴或高耐热性钕铁硼磁體(tǐ))，且體(tǐ)积小(xiǎo)，正好能(néng)满足这些特 殊要求。宇航 设备 中(zhōng)的机械手 、原 子能(néng)设备的检查机器人和半导體(tǐ)制造装(zhuāng)置等特殊环境下工(gōng)作(zuò)的電(diàn)动机，需要使用(yòng)高温電(diàn)动机和高真空電(diàn)动机。已开发的有(yǒu) 150 W 、3 000 r／m in，工(gōng)作(zuò)在 200oC ～300oC 高温和 133.3 X 10 Pa 真空度环境下的三 相四极永磁電(diàn)动机 ，直 径 105mm 、長(cháng)145mm ，采用(yòng)高温特性好的Sm 2Co 永磁體(tǐ)。

4 、结 语

21世纪，科(kē)學(xué)技(jì )术飞速发展，高新(xīn)技(jì )术不断涌现，节電(diàn)、环保意识 日益增强，使得永磁同步電(diàn)机发展的前途一片光明，尤其是高性能(néng)稀土永磁同步電(diàn)机及其伺服系统，随其技(jì )术的快速发展和日渐成熟，结 构 型式将日趋多(duō)样化，也将会赢得更為(wèi)广泛的发展空间，获得更加广泛的应用(yòng)。

本文(wén)章转自空压机网

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