永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor，簡(jiǎn)稱PMSM），即永磁同步馬達(dá)，是一種通過永磁體勵(lì)磁產(chǎn)生同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的電機(jī)，其轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵替代傳統(tǒng)勵(lì)磁繞組。相比于其他電機(jī)具有體積小、效率高、高效區(qū)域?qū)挕⑥D(zhuǎn)矩和功率密度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，還可以通過弱磁控制應(yīng)用于各種變頻變速領(lǐng)域，具有寬調(diào)速范圍和快速響應(yīng)能力。
1831年，世界上出現(xiàn)的第一臺(tái)電機(jī)是由Barlow發(fā)明的永磁電機(jī)。到20世紀(jì)20年代，美國(guó)通用電氣利用鐵氧體磁鋼研制出一系列微型永磁同步電動(dòng)機(jī)。到了20世紀(jì) 60～70 年代，第一代和第二代稀土釤鈷永磁材料 SmCo5,SmCo17相繼問世。1978 年，法國(guó) CEM 公司推出 ISOSYN 系列 0.55～18.5kW 稀土鈷永磁同步電動(dòng)機(jī)，效率比一般異步電動(dòng)機(jī)高 2%～8%，功率因數(shù)提高 0.05～0.15，但因當(dāng)時(shí)采用釤鈷永磁體成本太高，未能推廣應(yīng)用。1980年，中國(guó)沈陽工業(yè)大學(xué)在國(guó)內(nèi)率先從事高效永磁電動(dòng)機(jī)的研制，開發(fā)出中國(guó)第一臺(tái)稀土鈷永磁同步電動(dòng)機(jī)(4kW 4極)和第一臺(tái)釹鐵硼永磁同步電動(dòng)機(jī)(1.1kW 6極)。1986 年，Tomy Sebastian 發(fā)表了永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）建模的文章。1987 年，Tomy Sebastian 又發(fā)表了關(guān)于永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)建模的文章。1987年，中國(guó)沈陽工業(yè)大學(xué)特種電機(jī)研究所又在機(jī)械工業(yè)技術(shù)發(fā)展基金資助下，研制成功3kW、4極永磁同步電動(dòng)機(jī)。
永磁同步電動(dòng)機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和端蓋等部件構(gòu)成。轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)是永磁同步電動(dòng)機(jī)與其它電動(dòng)機(jī)最主要的區(qū)別，轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同。永磁同步電動(dòng)機(jī)可依磁通方式分為徑向、軸向或是橫向幾種，依其元件的布局而定，各種的永磁同步電動(dòng)機(jī)在效率、體積、重量及工作速度都有不同的表現(xiàn)。按照永磁體在轉(zhuǎn)子上位置的不同，永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)一般可分為三種：表面式、內(nèi)置式（嵌入式）和爪極式。應(yīng)用領(lǐng)域遍布工業(yè)設(shè)備、交通運(yùn)輸、航空航天、醫(yī)療器械、家用電器等各行各業(yè)。
發(fā)展歷程
1831 年，世界上出現(xiàn)的第一臺(tái)電機(jī)是由 Barlow 發(fā)明的永磁電機(jī)，但是，由于當(dāng)時(shí)采用的天然磁鐵磁性能太差，電機(jī)的磁能積很低，制成的電機(jī)體積龐大而容量很小，很快被電勵(lì)磁電機(jī)所取代。到二十世紀(jì) 20 年代，美國(guó) GE 公司利用鐵氧體磁鋼研制出一系列微型永磁同步電動(dòng)機(jī)。到了二十世紀(jì) 60～70 年代，第一代和第二代稀土釤鈷永磁材料 SmCo5,SmCo17 相繼問世，其優(yōu)異的磁性能使得永磁電機(jī)的發(fā)展呈現(xiàn)出新的、繁榮的生機(jī)。
1978 年，法國(guó) CEM 公司推出 ISOSYN 系列 0.55～18.5kW 稀土鈷永磁同步電動(dòng)機(jī)，效率比一般異步電動(dòng)機(jī)高 2%～8%，功率因數(shù)提高 0.05～0.15，但因當(dāng)時(shí)采用釤鈷永磁體成本太高，未能推廣應(yīng)用。
1983 年，日本住友特殊金屬公司、通用汽車汽車公司分別研制成功稀土釹鐵硼永磁材料，國(guó)際上稱為第三代稀土永磁材料。NdFeB 磁鋼磁能積高，性能優(yōu)越，而且原材料豐富，價(jià)格較便宜。從 1984 年起，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相研制高性能永磁電機(jī)。
1980年，中國(guó)沈陽工業(yè)大學(xué)在國(guó)內(nèi)率先從事高效永磁電動(dòng)機(jī)的研制，開發(fā)出中國(guó)第一臺(tái)稀土鈷永磁同步電動(dòng)機(jī)(4kW 4極)和第一臺(tái)釹鐵硼永磁同步電動(dòng)機(jī)(1.1kW 6極)。1986 年，Tomy Sebastian 發(fā)表了永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）建模的文章。1987 年，Tomy Sebastian 又發(fā)表了關(guān)于永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)建模的文章。1987年，中國(guó)沈陽工業(yè)大學(xué)特種電機(jī)研究所又在機(jī)械工業(yè)技術(shù)發(fā)展基金資助下，研制成功3kW、4極永磁同步電動(dòng)機(jī)，效率比Y系列電動(dòng)機(jī)高3.8%，功率因數(shù)比Y系列電機(jī)高0.12。
工作原理
永磁同步電機(jī)的起動(dòng)和運(yùn)行是由定子繞組、轉(zhuǎn)子籠型繞組和永磁體這三者產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而實(shí)現(xiàn)的。電機(jī)靜止時(shí)，給定子繞組通入三相對(duì)稱電流，產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)在籠型繞組內(nèi)產(chǎn)生電流，形成轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子由靜止開始加速轉(zhuǎn)動(dòng)。在這個(gè)過程中，轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速不同，會(huì)產(chǎn)生交變轉(zhuǎn)矩。當(dāng)轉(zhuǎn)子加速到速度接近同步轉(zhuǎn)速的時(shí)候，轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速接近相等，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度稍大于轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)，它們相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩將轉(zhuǎn)子牽人同步運(yùn)行狀態(tài)。在同步運(yùn)行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)不再產(chǎn)生電流。此時(shí)轉(zhuǎn)子上只有永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)，它與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由此可知，永磁同步電機(jī)是靠轉(zhuǎn)子繞組的異步轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)起動(dòng)的。起動(dòng)完成后，轉(zhuǎn)子繞組不再起作用，由永磁體和定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。
基本構(gòu)造
永磁同步電機(jī)主要由機(jī)殼、定子和轉(zhuǎn)子組成。定子包括定子鐵芯和定子繞組，定子繞組鑲嵌在定子鐵芯中，繞組的作用是通電時(shí)可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，鐵芯的作用是可以提高磁導(dǎo)率。永磁同步電機(jī)定子結(jié)構(gòu)和工作原理與交流異步電機(jī)一樣，多為4極形式，三相繞組按3相4極布置，通電產(chǎn)生4極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。
永磁同步電機(jī)與普通三相交流異步電機(jī)的不同是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上安裝有永磁體磁極。永磁體磁極外凸鑲嵌在轉(zhuǎn)子鐵芯外側(cè)，組成若干對(duì)磁極。一塊永磁體有一個(gè)N極和一個(gè)S極。若干個(gè)永磁體和鐵芯共同構(gòu)成了若干條磁路，磁力線方向從N極到S極。將轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)軸做成一體，兩端用軸承安裝在機(jī)殼上，轉(zhuǎn)子前端安裝有散熱風(fēng)扇隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
在定子繞組不斷通電產(chǎn)生的磁場(chǎng)吸引下，轉(zhuǎn)子即隨定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。
基本分類
永磁同步電機(jī)主要由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成，其中定子由對(duì)稱三相繞組和電樞鐵芯組成，轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)軸、永磁體及導(dǎo)磁軛鐵構(gòu)成。當(dāng)三相正弦電流作用于定子時(shí)，在定子和轉(zhuǎn)子空隙中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相同形狀的磁通勢(shì)，定子磁通量和轉(zhuǎn)子磁通的交互作用使永磁同步電機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。
根據(jù)轉(zhuǎn)子中永磁體位置不同，永磁同步電機(jī)可分為面裝式、內(nèi)插式和內(nèi)埋式。面裝式永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由永磁體在轉(zhuǎn)軸表面簡(jiǎn)單結(jié)合的，故該結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度有限，但從磁性的角度看，該結(jié)構(gòu)具有一定優(yōu)勢(shì)，主要是因?yàn)榭諝夂?a href="/hebeideji/7237922213759565883.html">磁鐵幾乎有相同的磁導(dǎo)率，永磁同步電機(jī)直軸和交軸電感相等，故轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和定子磁場(chǎng)的交互不會(huì)產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。
內(nèi)插式和內(nèi)埋式電機(jī)，磁鐵被嵌裝于轉(zhuǎn)子內(nèi)，該結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度，并且使得電機(jī)易于實(shí)現(xiàn)弱磁控制，比較適合高速的運(yùn)行。但該結(jié)構(gòu)電機(jī)的主要缺點(diǎn)是有磁阻轉(zhuǎn)矩，增加了電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的復(fù)雜度，且安裝制造工藝復(fù)雜。
特點(diǎn)
相對(duì)于感應(yīng)電機(jī)，永磁同步電機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)：
（1）永磁同步電機(jī)能夠提供較高的功率密度比，與相同功率的感應(yīng)電機(jī)相比體積小，重量要輕；
（2）永磁同步電機(jī)具有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，易于應(yīng)用于對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)領(lǐng)域；
（3）永磁同步電機(jī)無滑環(huán)和電刷，使其魯棒性增強(qiáng)、可靠性得到提高，更易應(yīng)用于高速、超高速場(chǎng)合；
（4）永磁同步電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁，具有電勵(lì)磁電機(jī)無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。
由此可知：永磁同步電機(jī)相對(duì)于感應(yīng)電機(jī)具有高功率密度、高效率、高可靠性及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。
性能指標(biāo)
以額定功率為2W的永磁同步電動(dòng)機(jī)為例，其主要技術(shù)參數(shù)如下。
關(guān)鍵技術(shù)
永磁同步電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)可以分為兩大類：一類是以電機(jī)本身作為主體的關(guān)鍵技術(shù)，包括水磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)、制造及永磁材料的研究等，這類關(guān)鍵技術(shù)，更加關(guān)注永磁同步電機(jī)本身的特性和性能、制造工藝及新型永磁材料在電機(jī)制造中的應(yīng)用及發(fā)展；另一類是以電機(jī)為被控對(duì)象的關(guān)鍵技術(shù)，主要著力于電機(jī)的控制性能如電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性、電機(jī)的運(yùn)行效率、電機(jī)的帶載能力、特殊場(chǎng)合下的特殊應(yīng)用等，這類關(guān)鍵技術(shù)主要解決如何保證永磁同步電機(jī)高效、可靠啟動(dòng)和運(yùn)行的問題。論文主要討論第二類永磁同步電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)中的無速度傳感器向量控制技術(shù)，下面先簡(jiǎn)要介紹永磁同步電機(jī)的相關(guān)控制技術(shù)。
恒壓頻比控制
VVVF是一種開環(huán)的、相對(duì)簡(jiǎn)單的控制方法，并且被較早地應(yīng)用于異步電機(jī)控制中，在水磁同步電機(jī)恒壓頻比控制中,保持電機(jī)磁通量的恒定,是通過改變逆變器輸出電壓和頻率來實(shí)現(xiàn)。控制過程中，保持V/F-C，隨著輸出頻率的加快，逆變器輸出電壓也隨之增加，但是電壓頻率的比值保持恒定，這就使得定子磁通維持恒定，并且在整個(gè)過程中可以保持電機(jī)的運(yùn)行效率和功率因數(shù)。在低速階段，可以通過電壓抬升的方法來補(bǔ)償定子阻抗產(chǎn)生的壓降，使電機(jī)具有較好的啟動(dòng)能力。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，由于輸出電壓達(dá)到逆變器的額定輸出并保持不變，這時(shí)氣隙磁通與頻率為反比關(guān)系，即實(shí)現(xiàn)了弱磁運(yùn)行。
VVVF控制實(shí)質(zhì)上屬于開環(huán)控制，因?yàn)橄到y(tǒng)中無需電流、電壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速及電機(jī)位置等閉環(huán)控制所需要的反饋信號(hào)，這使得系統(tǒng)控制容易實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的成本不高。在實(shí)際應(yīng)用中，大量應(yīng)用于一些不需要很高控制性能的調(diào)速及傳動(dòng)場(chǎng)合，也是通用變頻器中應(yīng)用最多的控制方式。VVVF控制的缺點(diǎn)是系統(tǒng)的跟蹤性能差，對(duì)于出現(xiàn)負(fù)載突變的情況其動(dòng)態(tài)性能沒有閉環(huán)控制好，主要適用于風(fēng)機(jī)、水泵類對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性要求不高的場(chǎng)合。
矢量控制
矢量控制也被稱為磁場(chǎng)定向控制，根據(jù)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)定向方式有不同的分類，其中轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向是在控制系統(tǒng)中被大量應(yīng)用的定向方式,因?yàn)檫@種定向方式能夠較好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)之間的解耦問題。其實(shí)現(xiàn)方式是將定子電流用兩個(gè)正交的獨(dú)立控制分量表示，通過控制這樣的兩個(gè)獨(dú)立分量可以獨(dú)立控制電機(jī)的勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩的成功解耦，使得水磁同步電機(jī)的控制能夠像直流電機(jī)一樣有較好的動(dòng)態(tài)性能。
根據(jù)永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)要求的不同，向量控制可以分為：id=0控制、cosφ=1控制、最大轉(zhuǎn)矩電流比控制、弱磁控制等。
id=0控制：在控制過程中保持定子電流的勵(lì)磁分量為0，將永磁同步電機(jī)等效為他勵(lì)直流電機(jī)，這種控制方法，控制簡(jiǎn)單，電機(jī)運(yùn)行效率高損耗低。
最大轉(zhuǎn)矩電流比控制：通過控制定子電流，實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩最大，即轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)需求電流最小，這種方法主要基于電磁轉(zhuǎn)矩與電流之間的特殊關(guān)系達(dá)到單位電流能夠產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩的目的。
cosφ=1控制：通過對(duì)電機(jī)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的控制來保持功率因數(shù)為1,這種控制方法，電機(jī)損耗較小，能夠最大限度利用逆變器的容量，但其輸出轉(zhuǎn)矩較小。
弱磁控制：在很多應(yīng)用場(chǎng)合要求電機(jī)能夠在基速以上運(yùn)行，而當(dāng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，逆變器的輸出電壓達(dá)到了最大，這時(shí)要繼續(xù)提高電機(jī)轉(zhuǎn)速就需要減小電機(jī)氣隙磁通量，也就是需要弱磁運(yùn)行。保持電壓不變，控制磁通的減弱，以達(dá)到控制同步電機(jī)在基速以上運(yùn)行的目的。
直接轉(zhuǎn)矩控制
直接轉(zhuǎn)矩控制是基于定子磁場(chǎng)定向，通過控制定子磁鏈達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的，這種方法不需要反饋轉(zhuǎn)子位置信息，也不需要實(shí)時(shí)辨識(shí)電機(jī)參數(shù)，受電機(jī)參數(shù)影響較小。該控制方式主要通過已經(jīng)設(shè)計(jì)好的電壓向量表來選擇合適的矢量電壓,從而控制定子磁鏈按照正六邊形或者接近圓形軌跡運(yùn)行，最終控制轉(zhuǎn)矩的目的。其解決了矢量控制中一些無法解決的問題，但是其帶載能力有限并且低速性能較差等問題，限制了這種控制方法的應(yīng)用。
無速度傳感器控制
由于閉環(huán)控制需要反饋轉(zhuǎn)速信號(hào)及轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，因此在一般場(chǎng)合下，電機(jī)需要安裝測(cè)速傳感器，但是傳感器的安裝既加大了系統(tǒng)的投入，又對(duì)環(huán)境及應(yīng)用工況有較高要求，這樣無速度傳感器控制策略就引起了學(xué)者們的關(guān)注與研究。永磁同步電機(jī)無速度控制系統(tǒng)中，需要通過控制算法來可靠估算電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置。目前無速度傳感器控制技術(shù)主要有三類，一類是開環(huán)方法如直接計(jì)算法、反電動(dòng)勢(shì)法等，這類方法基于電機(jī)的理想數(shù)學(xué)模型；第二類是基于各種觀測(cè)器的閉環(huán)控制方法如滑膜觀測(cè)器、模型參考自適應(yīng)、擴(kuò)展卡爾曼法等；第三類為非理想特性控制方法如高頻注入法、低頻注入法、INFORM法等。
應(yīng)用領(lǐng)域
高性能、較高性價(jià)比的永磁材料的出現(xiàn),為永磁同步電機(jī)的研制和應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。近年來，永磁同步電機(jī)發(fā)展迅速，已在航空航天、石油機(jī)械、工程機(jī)械、國(guó)防等領(lǐng)域得到應(yīng)用，功率從幾kW到數(shù)MW。
高精度伺服控制系統(tǒng)
隨著研究力度的加大，各種先進(jìn)的控制思想和控制策略被不斷提出，核心處理芯片也越來越高速化、高效化，使得高精度伺服系統(tǒng)能夠被應(yīng)用于更多的不同領(lǐng)域，如伺服系統(tǒng)、智能機(jī)器人、生產(chǎn)自動(dòng)化、武器隨動(dòng)系統(tǒng)、船舶推進(jìn)系統(tǒng)及機(jī)車牽引等。經(jīng)過不斷的發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)替代直流伺服系統(tǒng)已成為趨勢(shì)。作為交流伺服系統(tǒng)中的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)的交流伺服電機(jī)應(yīng)當(dāng)具有小體積、輕重量、大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)要能快速、有效、精確地完成指令要求。永磁同步電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定、較高的控制精度、迅速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、并且電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小等優(yōu)勢(shì)，這些都有利于其在精密控制伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用。
在實(shí)際運(yùn)行中，永磁同步電機(jī)能夠帶載直接啟動(dòng)在低速情況下，能夠輸出大轉(zhuǎn)矩并且穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)對(duì)工作環(huán)境要求低耐性好，因此，其在各種伺服系統(tǒng)特別是在中小型的電力傳動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛地應(yīng)用。目前，由永磁同步電機(jī)構(gòu)成的交流伺服系統(tǒng)因新型控制策略的提出及電機(jī)制造技術(shù)發(fā)展，可以在全速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度控制，且具有較好的動(dòng)態(tài)特性，更加延伸了交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。隨著新型永磁材料性能的不斷提升和價(jià)格的逐漸降低，其在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中的應(yīng)用將更加廣泛。
電動(dòng)汽車
受到全球能源危機(jī)的影響以及世界各國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視程度的提高,采用綠色環(huán)保能源的fcv的研發(fā)制造成為了全球各大企業(yè)和科研單位的研究熱點(diǎn)，并得到了廣泛關(guān)注。電動(dòng)汽車具有以下特點(diǎn)：效率高，其能源使用效率是傳統(tǒng)燃油汽車的1.5倍；噪聲低，其啟動(dòng)和運(yùn)行過程中的噪聲僅為傳統(tǒng)汽車的25%；無尾氣排放，由于使用的是綠色環(huán)保能源，因此相對(duì)于燃油汽車而言，沒有尾氣的排放，避免了對(duì)環(huán)境造成的污染；排放的廢熱少，對(duì)避免工業(yè)城市的高溫天氣有一定作用；由于整個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程在電能與機(jī)械能之間，避免了燃燒能源過程中的能量利用不足造成的能量損失，可回收利用的能量多；可以改善能源結(jié)構(gòu)，逐步解決化石燃料在動(dòng)力系統(tǒng)中所占的比重，為解決汽車的能源替代問題提供途徑；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境要求低，使用維護(hù)方便等。在各種電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)中，永磁同步電機(jī)是較好的解決方向之一。電動(dòng)汽車由于車體空間限制和整車布局的考慮，對(duì)其驅(qū)動(dòng)電機(jī)的使用效率、尺寸、電機(jī)質(zhì)量都提出較高的要求。永磁同步電機(jī)由于具有較高的效率、轉(zhuǎn)矩密度較大、控制精度較高、能實(shí)現(xiàn)寬調(diào)速范圍、噪聲低等特點(diǎn)，通過對(duì)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，能達(dá)到較高的弱磁特性及磁阻轉(zhuǎn)矩的高效利用，使其在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特別是高檔電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
風(fēng)力發(fā)電
永磁同步電機(jī)由于其具備的多方面優(yōu)點(diǎn)也被大量應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。目前市場(chǎng)上主流的應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要有兩種機(jī)型：雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。
永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用的是風(fēng)輪直接驅(qū)動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)。通過功率變流器將電能變換后并入電網(wǎng),這樣就避免了在雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的價(jià)格昂貴且故障率較高的齒輪箱系統(tǒng)。傳動(dòng)系統(tǒng)元部件的減少大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，同時(shí)提高了系統(tǒng)的能量的轉(zhuǎn)換效率，降低了系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用及維護(hù)難度，并使系統(tǒng)能夠更加穩(wěn)定地運(yùn)行，提高了整機(jī)的生產(chǎn)效率。其次，由于轉(zhuǎn)子為永磁體，不需要進(jìn)行外部勵(lì)磁，從而使得發(fā)電機(jī)運(yùn)行效率高，沒有滑環(huán)和電刷能降低了系統(tǒng)成本，增加了機(jī)組使用壽命和可靠性；第三，發(fā)電機(jī)通過全功率變流裝置接入電網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)有功功率、無功功率在機(jī)側(cè)功率變流器和網(wǎng)側(cè)功率變流器的靈活控制：并且發(fā)電機(jī)定子不與電網(wǎng)有直接接觸，使由發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間直接接觸造成的相互影響減少，在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)組的影響降到最低，有效地保護(hù)了機(jī)組。這些優(yōu)點(diǎn)使永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到廣泛推廣，并且成為了風(fēng)力發(fā)領(lǐng)域的一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。
電梯曳引系統(tǒng)
在早期的電梯曳引系統(tǒng)中，帶有齒輪間接驅(qū)動(dòng)的異步電機(jī)加減速機(jī)構(gòu)電梯曳引系統(tǒng)被長(zhǎng)期廣泛采用。這種有齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在使用過程中存在材料消耗大、運(yùn)行效率不高以及維護(hù)繁雜，并且噪聲大的缺點(diǎn)。以永磁同步電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電梯系統(tǒng)具有使用空間小、控制簡(jiǎn)單高效，控制精度高，且系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)大負(fù)載的低速直接驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，避免了齒輪箱結(jié)構(gòu)，電梯的啟停過程平穩(wěn)無震蕩，具有整體運(yùn)行噪聲低，運(yùn)行舒適性高等優(yōu)點(diǎn)。永磁同步電機(jī)應(yīng)用于電梯曳引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，一般采用多極結(jié)構(gòu)、有利于實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩的性能。異步電動(dòng)機(jī)采用多極結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)使其功率因數(shù)和效率因極數(shù)增加而降低，而永磁同步電機(jī)不論極數(shù)多少，都能具備較高的功率因數(shù)和效率。永磁同步電機(jī)較之異步電機(jī)具有更好的抗擾動(dòng)能力，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變時(shí)，只需調(diào)整電機(jī)的功率因數(shù)角就能快速跟蹤負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化。
船舶電力推進(jìn)
傳統(tǒng)船舶推進(jìn)系統(tǒng)中采用的是由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳推動(dòng)船舶前進(jìn)的推進(jìn)系統(tǒng)，而柴油機(jī)的運(yùn)行要根據(jù)艦船的航行速度決定其運(yùn)轉(zhuǎn)速度，這就使得柴油機(jī)一般工作于低速狀態(tài)，大大降低了其工作效率。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及可靠電力電子裝置的誕生，應(yīng)用于船舶推進(jìn)系統(tǒng)的柴電綜合推進(jìn)系統(tǒng)、船舶綜合電推進(jìn)系統(tǒng)得到大力發(fā)展和應(yīng)用，其主要特點(diǎn)是：較高的運(yùn)行效率；電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)體積小結(jié)構(gòu)緊湊；占用船體空問小；能源消耗低；運(yùn)行范圍寬；系統(tǒng)運(yùn)行帶來的噪聲小振動(dòng)低，大大提高了艦船整體利用效率和布局靈活性。另外，電力推進(jìn)船舶具有建造周期短、維護(hù)簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。在電力推進(jìn)系統(tǒng)的研究和開發(fā)領(lǐng)域中，永磁同步電機(jī)由于具備體積小、重量輕、效率高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了艦船的作戰(zhàn)能力及續(xù)航能力，各國(guó)船舶設(shè)計(jì)人員及艦船推進(jìn)開發(fā)人員都對(duì)其展開了深入研究。
發(fā)展趨勢(shì)
國(guó)內(nèi)外近階段，在永磁同步電機(jī)本體基礎(chǔ)上涌現(xiàn)了不少高端電機(jī)，六相永磁同步電動(dòng)機(jī)為典型代表，應(yīng)用于艦船動(dòng)力的提供，相比傳統(tǒng)的直流電機(jī)，體積縮小了60%左右，損耗也大約減少20%；在艦船推進(jìn)使用的永磁同步電機(jī)安裝容量最大功率可達(dá)38MW；中國(guó)目前已經(jīng)成功研制了功率達(dá)到3MW的高速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)。調(diào)速范圍變得更大及進(jìn)一步提高精度控制是永磁同步電機(jī)目前發(fā)展趨勢(shì)，具備高性能的永磁材料自然引起廣泛重視。
技術(shù)挑戰(zhàn)
目前，永磁同步電機(jī)的技術(shù)研究變得日益成熟，正朝高速度，大轉(zhuǎn)矩、大功率、高效率以及微型化、智能化趨勢(shì)發(fā)展。永磁同步電機(jī)還有一些技術(shù)瓶頸依然無法突破：
(1)控制問題，永磁發(fā)電機(jī)要通過外部來調(diào)節(jié)改變其輸出電壓及功率因數(shù)是非常困難的，永磁直流電動(dòng)機(jī)不能再用改變勵(lì)磁的辦法來調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。
(2)退磁問題，稀土永磁電機(jī)對(duì)于工作環(huán)境要求比較苛刻，如果溫度超過180℃的稀土永磁材料將發(fā)生不可逆的退磁及失效；劇烈振動(dòng)或較大溫差易產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象；材料也易受到氧化腐蝕，需要表面涂裝；同時(shí)不耐受過載，一旦發(fā)生將發(fā)生退磁。因此，既要研究開發(fā)適用于電機(jī)制造廠使用的檢查永磁材料熱穩(wěn)定性的方法和裝置，又要分析各種不同結(jié)構(gòu)型式的抗去磁能力，以便設(shè)計(jì)和制造時(shí)，采用相應(yīng)措施保證永磁同步電機(jī)不失磁。
(3)成本問題，稀土永磁價(jià)格相對(duì)比較昂貴，成本通常高電勵(lì)磁電機(jī)，必須通過發(fā)揮它的高性能及節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用方法來得以補(bǔ)償，故永磁電機(jī)在小功率的方面應(yīng)用比較適合。比如，想解決此類問題，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的升級(jí)及廣泛應(yīng)用，國(guó)家還必須鼎力扶持和投入足夠量的科研經(jīng)費(fèi)。
應(yīng)用前景
大功率機(jī)械設(shè)備
研究朝著列車、新能源汽車、電梯、機(jī)器人等機(jī)械設(shè)備方向發(fā)展。當(dāng)前中國(guó)新能源客車大部分使用交流異步電機(jī)，而新能源乘用車基本使用永磁同步電機(jī)。以往一部分企業(yè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)曾經(jīng)使用的是開關(guān)磁阻電機(jī)，目前次項(xiàng)技術(shù)已漸被市場(chǎng)淘汰，中國(guó)未來在新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇上，主流是采用永磁同步電機(jī)。
航空領(lǐng)域
稀土永磁雙凸極結(jié)構(gòu)電機(jī)是基于開關(guān)磁阻電機(jī)而研發(fā)出來的一種新型的電機(jī)，由于定子或轉(zhuǎn)子被植入了稀土永磁體，使其擁有更大的輸出轉(zhuǎn)矩，且存在著高度的可靠性和容錯(cuò)性，所以能夠在航空領(lǐng)域中顯示出良好的應(yīng)用前景，特別是稀土永磁電機(jī)。除此之外，稀土永磁具備了無刷直流電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，如高度可靠性、體積重量變小及具有大功率等，顯著提高了在航空領(lǐng)域上的應(yīng)用速度，功能及性能均朝著更為高級(jí)方向發(fā)展。
宇航設(shè)備
磁同步電機(jī)所用材料因有耐高溫的特性，同時(shí)體積小，故非常適應(yīng)高溫、真空等特殊環(huán)境需求。適合應(yīng)用于宇航設(shè)備的機(jī)械中，成為將來技術(shù)重要的一個(gè)研究方向。
醫(yī)療器械
由于永磁同步電機(jī)壽命長(zhǎng)、噪音低和體積小的特性，很適合延伸應(yīng)用到手術(shù)用機(jī)器人及微型醫(yī)療機(jī)器等醫(yī)療設(shè)備方面，也成為該電機(jī)的一個(gè)技術(shù)研究的重要方向。近階段，隨著醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，對(duì)于醫(yī)療器械用的永磁電機(jī)產(chǎn)品市場(chǎng)需求量顯著增加，其市場(chǎng)發(fā)展受益匪淺。
國(guó)防軍工
應(yīng)用于軍用通信設(shè)備方面有激光測(cè)距儀設(shè)備、雷達(dá)和戰(zhàn)車制造及軍用彈道計(jì)算機(jī)等，應(yīng)用于武器制造方面有火炮、導(dǎo)彈、載人飛船、人造衛(wèi)星、飛機(jī)、坦克、艦艇及火箭等。在將來較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，中國(guó)的軍費(fèi)預(yù)算將維持比較快增速，永磁電機(jī)具備的壽命長(zhǎng)、高速、高效及耐沖擊等特性，未來在國(guó)防軍工領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛應(yīng)用，前景十分廣闊。
金融機(jī)具
多見的有ATM機(jī)及紙幣售貨機(jī)等自動(dòng)機(jī)器，還有一些高精尖的銀行點(diǎn)鈔機(jī)和捆鈔機(jī)等設(shè)備。金融機(jī)具在金融信息化中存在不可替代作用，由于內(nèi)涵及外延的持續(xù)擴(kuò)大延伸，它的地位同樣持續(xù)提升，應(yīng)用市場(chǎng)的發(fā)展勢(shì)頭也能夠得到良好保持。
參考資料 >