詳細剖析永磁同步電動機的優(yōu)劣

摘要與傳統(tǒng)感應電動機相比，永磁同步電動機具有獨特的性能。主要介紹永磁同步電動機的特點，并分析了國內外研究現狀及其發(fā)展趨勢。

引 言

永磁同步 電機 的運行 原理與 電勵磁 同步電機相同 ，但它以永磁體提供的磁通代替后者的勵磁繞組勵磁，使電機結構更為簡單。近年來，永磁材料性能 的改善 以及 電力 電子技 術 的進步 ，推動了新原理 、新 結構永磁同步 電機 的開發(fā) ，有力地促進了電機產 品技術 、品種及功 能的發(fā)展 ，某些永磁同步電機已形成系列化產品，其容量從小到大，目前 已達到兆瓦級，應用范圍越來越廣；其地位越來越重要，從軍工到民用，從特殊到一般迅速擴大，不僅在微特電機中占優(yōu)勢，而且在電力推進系統(tǒng)中也顯示出了強大的生命力 。

1、 特 點

永磁同步電機采用永磁體勵磁，具有電勵磁電機無可比擬的優(yōu)點。

1)效率高：在轉子上嵌入永磁材料后，在正常工作時轉子與定子磁場同步運行，轉子繞組無感生電流，不存在轉子電阻和磁滯損耗，提高了電機效率。

2)功率因數高：永磁同步電機轉子中無感應電流勵磁，定子繞組呈現阻性負載，電機的功率因數近于 1，減小了定子電流，提高了電機的效率。同時功率因數的提高，提高了電網品質因數，減小了輸變電線路的損耗，輸變電容量也可降低，節(jié)省 了電網投資。

3)起動轉矩大：在需要大起動轉矩的設備(如油田抽油電機 )中，可以用較小容量 的永磁 電機替代較大容量的Y 系列電機。如果 37 kw 永磁同步電機代替45kW ～55 kW 的 Y 系列電機，較好地解決了“大馬拉小車”的現象，節(jié)省了設備投入費用，提高了系統(tǒng) 的運行效能。

4)力能指 標好 ：Y 系列 電機在 60％的負荷下工作時，效率下降 15％，功率因數下降 30％，力能指標下降40％；而永磁同步電機的效率和功率因數下降甚微，當電機只有 20％負荷時，其力能指標仍為滿負荷的 80％以上。

5)溫升低：轉子繞組中不存在電阻損耗，定子繞組中幾乎不存在無功電流，因而電機溫升低。

6 )體積小，重量輕 ，耗材少：同容量 的永磁同步電機體積、重量、所用材料可以減小 30％左右。

7)可大氣隙化，便于構成新型磁路。

8 )電樞反應小 ，抗過載能力強。

2 、發(fā)展現狀

永磁同步 電機 的發(fā)展 和永 磁材料 的發(fā)展息息相關 。新型永磁材料 的出現大 大促進 了永磁 同步電機的發(fā)展。二十世紀八 十年代釹鐵硼稀土永磁材料問世，由于釹資源豐富，以廉價的鐵取代昂貴的鈷 ，價格相對低廉 。釹鐵硼稀 土永磁材料磁性能好 ，極大地推動了永磁同步電機的開發(fā)。

2．1 發(fā)展成果

我國十分 重視釹鐵硼永磁電機的研 究開發(fā) ，并列入了國家“863”攻關計劃 。經過多年的研究開發(fā) ，取得了豐碩成果 ，開發(fā)了 5 種類型 22 個典 型規(guī)格的高性能永磁同步電機樣機 。

1)3 種典型規(guī)格的高效、高起動轉矩永磁 同步電動機樣機，成功地解決了起動轉矩高、節(jié)能效果好、高溫不退磁和成本合理這4 項互相制約的矛盾。表 1 給出了我國開發(fā) 的用于油 田抽油機的 37 kW 稀土永磁同步電機與感應電動機的性能比較 。表 2給出了我國新近開發(fā) 的用于風機、泵類作業(yè) 中功率為 1120 kW 的稀土永磁同步電動機與感應 電動機和電勵磁同步電動機的性能對 比 。

2) 化纖機械用高效高牽入同步釹鐵硼永磁同步電動機(6 個規(guī)格)。與現有電機相比，所： 開發(fā)電機的功率因數、效率和最大轉矩倍數都有不同程度的提高，失步轉矩是原有的3．59倍，牽^轉矩提高了3倍。

3)機床主軸用7．5 kW 高恒功率調速比釹鐵硼永磁同步電動機和驅動系統(tǒng)。開發(fā)的永磁同步電動機調速系統(tǒng) 的調速范 圍為 0．4 r／r a in ～9 000 r／min(國內同規(guī)格的主軸感應電動機的調速范圍僅為 8 r／min ～8 000 r／r e_in)，恒功率調速比達到 1：6。

4 )電動汽 車用永 磁 同步 電動機 和驅動 系統(tǒng)。開發(fā)的 7．5 kW 輕微型電動客車用永磁同步 電動機系統(tǒng) ，電機重量為 45 kg ，磁體用量為 0．92 kg，額定轉速為 3 000 r／m in ，最高轉速 5 500 r／m in。樣機系統(tǒng)整體額定效率達 89．1％ ，1 h 持續(xù)轉矩密度為 0．74 N ·m ／kg(風冷 )，15 m in 持續(xù)轉矩 密度為1．123 N ·m ／kg( 日本 A ISIM AW 樣機 1 h 持續(xù)轉矩密度為0．78 N ·m／kg)(油冷)，15 min 持續(xù)轉矩密度為 1．178 N ·m／kg。

5)高起動能力釹鐵硼永磁起動機電機(4 個規(guī)格樣機)。所開發(fā)的電機把原來永磁磁極的一部分換為廉價的軟鐵輔助磁極 ，節(jié)省釹鐵硼永磁材料約 30％。

2．2 存在問題

在開發(fā)高性能永磁 同步 電機過程 中，取得 上述成果的同時 ，也 得到 了一些 問題 ，有待 于更深入地研究和探索。

1)不可逆退磁問題。如果設計或使用不當，永磁同步電機在過高(釹鐵硼永磁)或過低(鐵氧體永磁)溫度 時，在 沖擊 電流產生 的 電樞 反應作 用下 ，或在劇烈的機械振動時有可 能產 生不可逆退磁，或叫失磁，使電機性能下降，甚至無法使用。

因此，既要研究開發(fā)適用于電機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構型式的抗去磁能力，以便設計和制造時，采用相應措施保證永磁同步電機不失磁。

2)成本 問題 。鐵 氧體永 磁同步 電機 由于結構工藝簡單、質量減輕，總成本一般比電勵磁電機低 ，因而得到了廣泛應用。 由于稀 土永磁 目前 的價格還比較貴 ，稀土永磁 電機的成本一般 比電勵磁 電機高 ，這需要用它 的高性 能和運行費用 的節(jié)省來補償。在設計時既需要根據具體使用場合和要求進行性能、價格的比較后取舍，又要進行結構工藝的創(chuàng)新和設計優(yōu)化，以降低成本。

3 )控制 問題 。永磁 同步電機不需外界能量 即可維持其磁場，但這也造成從外部調節(jié)、控制其磁場極為困難。但是隨著 M OSFET、IGBT 等電力電子器件和控制技術的發(fā)展，大多數永磁同步電機在應用 中，可 以不進行磁 場控制而只進行 電樞控制。設計時需把永磁 材料、電力 電子器件 和微機控制三項新技術結合起來，使永磁同步電機在嶄新的工況下運行。此外，以永磁同步電機作為執(zhí)行元件 的永磁交 流伺 服系統(tǒng) ，由于永磁同步電機本身是具有一定 非線性、強耦合性 和時變性 的系統(tǒng)，同時其伺服對象也存在較強的不確定性和非線性 ，加之系統(tǒng)運行時易受到不 同程度 的干擾 ，因此采用先進控制 策略、先進 的控制 系統(tǒng)實現方式(如基于 DSP 控制)，從整體上提高系統(tǒng)的智能化和數字化水平，這應是當前發(fā)展高性能永磁同步電機伺服系統(tǒng)的一個主要突破口。

3 、發(fā)展趨勢

永磁同步電機以其效率高、比功率大、結構簡單 、節(jié)能效果顯著 等一 系列優(yōu)點在工業(yè)生 產和日常生活中逐步得到廣泛應用。尤其是近年來高耐熱性、高磁性能釹鐵硼永磁體的成功開發(fā)以及電力電子元件的進一步發(fā)展和改進，稀土永磁 同步 電機的研究 開發(fā)在國內外 又進人 了一個新 的時期 ，在理論研 究和應 用 領域都 將產 生 質 的飛躍 ，目前正向超高速、高轉矩、大功率、微型化、高功能化方 向發(fā)展。

3．1 超高速電機

永磁同步電機不需要勵磁繞組 ，結構比較簡單 ，磁場部分沒有發(fā)熱源，不需要冷卻裝置，材料的矯頑力高，氣隙長度可以取較大值從而使大幅度提高轉速成為可能。目前已制成 (2 ～3 ) X 10 r／r ain的電機，如美國通用電氣公 司研制 的150 kW 、23 000 r／min 的徑向氣隙型轉子結構航空用稀土永磁發(fā)電機，外轉子型用于 電動車的7．2 kW 、27 000 r／r ain 的 電機。目前正在研制每分鐘幾十萬轉的電機。

3．2 高轉矩大功率電機

耐熱、高磁性能釹鐵硼永磁材料的開發(fā)成功將使其在大功率永磁 同步電機中獲得重要應用。運輸業(yè)和工業(yè)中諸如電動汽車、混合型(內燃機與電動機并用 )動力汽車、列車、電梯、機床、機器人等，對大功率電動機的需求正在增長。

船舶推動電機要求低速大轉矩。德國西門子公司于 1986 年研制 1 095 kW 、230 r／r a in 的六相永磁同步電動機，用于艦船的推進，與過去使用的直流電動機相比，體積可減小 60％左右，損耗可降低 20％左右 。另外 1 760 kW 永磁同步推進電機裝于 U．212 潛艇試用，其長度和有效體積與傳統(tǒng)的直流推進電機相比減少 40％。瑞士 A BB 公司已經建造了超過 300艘的電力推進船舶最大安裝容量達到了2 X 19 MW ，其研制的400 kW 到3 MW 永磁同步電機用于：“Com-paet A~ipod”吊艙式電力推進系統(tǒng)。法國熱蒙工業(yè)公司1987 年研制的400 kW 、500 r／r a in 永磁電機樣機與直流電機相比，體積也減少了40％。1996 年，12相、1 800 kW 、180 r／r a in 永磁推進電機及控制裝置已完成研制及所有的實船試驗。同年，英國展出了“海航”號輕型隱身護衛(wèi)艦設計模型。該艦裝有兩臺21MW 永磁同步電機在巡航或隱身時直接驅動螺旋槳。

3．3 微型化

由于釹鐵硼永磁 的最大磁能積很高 ，特別是能制成超薄型的永磁體，從而使過去難以制作的超微型和低 慣量 電動機得 以實現 。目前 已開發(fā) 出直徑幾毫米以下的超小型電動機用作醫(yī)療微型機器、眼球手術用機器人手臂或管道檢 查用機器人等場 合 的驅 動 源?，F 已制 成 外 徑 0．8 m m 、長1．2 m ln 的世界上最小的永磁電動機。

3．4 高功能化

在高溫、高真空度或空間狹小等特殊場合難以使用傳統(tǒng)電機 ，而稀土永磁 電機可 以耐高溫 (指釤鈷或高耐熱性釹鐵硼磁體)，且體積小，正好能滿足這些特 殊要求。宇航 設備 中的機械手 、原 子能設備的檢查機器人和半導體制造裝置等特殊環(huán)境下工作的電動機，需要使用高溫電動機和高真空電動機。已開發(fā)的有 150 W 、3 000 r／m in，工作在 200oC ～300oC 高溫和 133.3 X 10 Pa 真空度環(huán)境下的三 相四極永磁電動機 ，直 徑 105mm 、長145mm ，采用高溫特性好的Sm 2Co 永磁體。

4 、結 語

21世紀，科學技術飛速發(fā)展，高新技術不斷涌現，節(jié)電、環(huán)保意識 日益增強，使得永磁同步電機發(fā)展的前途一片光明，尤其是高性能稀土永磁同步電機及其伺服系統(tǒng)，隨其技術的快速發(fā)展和日漸成熟，結 構 型式將日趨多樣化，也將會贏得更為廣泛的發(fā)展空間，獲得更加廣泛的應用。