【探討】永磁同步電機，今后發展方向

隨著 20 世紀 70 年代稀土永磁材料的發展，稀土永磁電機應運而生。永磁電機利用稀土永磁體勵磁，永磁體充磁后能夠產生永久磁場。它的勵磁性能優異，因在穩定性、質量、降低損耗等方面都優于電勵磁電機而動搖了傳統的電機市場。

近年來，隨著現代科學技術的快速發展，電磁材料，特別是稀土電磁材料的性能及工藝逐漸得到提高和改善，再加上電力電子與電力傳動技術、自動控制技術的高速發展，永磁同步電機的性能越來越好。

再者，永磁同步電動機具有質量輕、結構較簡單、體積小、特性好、功率密度大等優點，很多科研機構、企業都在努力積極開展永磁同步電機的研發工作，其應用領域將進一步擴大。

下面就讓我們來了解下永磁同步電動機的發展研究現狀、現階段技術、發展趨勢等方面的知識。

發展及研究現狀

1 永磁同步電機的發展基礎

1、高性能稀土永磁材料的應用

稀土永磁材料經歷了SmCo5、Sm2Co17、Nd2Fe14B 三個階段。現在以釹鐵硼為代表的永磁材料因其在磁學性能上表現優異成為應用最廣泛的一類稀土永磁材料。永磁材料的發展帶動了永磁電機的發展。

與傳統的電勵磁三相感應電機相比，永磁體替代了電激磁磁極，簡化了結構，消除了轉子的滑環、電刷，實現了無刷結構，縮小了轉子體積。這提高了電機的功率密度、轉矩密度和工作效率，且使電機體積變小，質量減輕，使其應用領域進一步擴大，促使電動機向更大功率方向發展。

2、新型控制理論的應用

近年來，控制算法發展很快，其中，矢量控制算法從原理上解決了交流電機的驅動策略問題，使得交流電機具有良好的控制性能。直接轉矩控制的出現使控制結構更加簡單，并且具有對參數變化電路棒性能強和轉矩動態響應速度快的特點。間接轉矩控制技術解決了直接轉矩在低速時轉矩脈動大的問題，提高了電動機的轉速和控制精度。

3、高性能電力電子器件和處理器的應用

現代電力電子技術是信息產業與傳統產業間重要的接口，是弱電與被控強電之間的橋梁。電力電子技術的發展使驅動控制策略得以實現。

比如20世紀 70 年代出現了通用變頻器的系列產品，它們能將工頻電源轉換成頻率連續可調的變頻電源，如此就為交流電的變頻調速創造了條件。這些變頻器在頻率設定后具有軟啟動能力，頻率能以一定的速率從零上升到設定的頻率，并且上升速率在很大范圍內可連續調整，解決了同步電動機的啟動問題。

2 國內外永磁同步電機的發展現狀

歷史上第一臺電機是永磁電機。當時，永磁材料性能比較差，永磁體矯頑力和剩磁都太低，不久就被電勵磁電機取代了。

到了20世紀70年代，以釹鐵硼為代表的稀土永磁材料擁有很大的矯頑力、剩磁，退磁能力強和較大的磁能積使大功率永磁同步電機登上歷史的舞臺。現在，關于永磁同步電機的研究日趨成熟，正朝向高速度、大轉矩、大功率、高效率，以及微型化、智能化發展。

近年來，在永磁同步電機本體上出現了很多高端電機，比如1986年德國西門子公司開發的230r/min、1095kW的六相永磁同步電動機。用它為艦船提供動力，其體積比傳統的直流電機小近60%，損耗降低近20%. 瑞士ABB公司建造的用于艦船推進的永磁同步電動機最大安裝容量達38MW。

我國對永磁電機的研究起步晚，隨著國內學者和政府的大力投入，它發展得很快。目前，我國已經研制生產出3MW 高速度永磁風力發電機，南車株洲公司也在研制更大功率的永磁電機。

隨著微型計算機技術及自動控制技術的發展，永磁同步電動機在各領域得到了廣泛的應用。現在由于社會的進步，人們對永磁同步電機的要求更加苛刻，促使永磁電動機向著擁有更大的調速范圍和更高的精度控制發展。

由于現在生產工藝的提高，具有高性能的永磁材料得到進一步的發展。這使其成本大大降低，逐漸被應用于生活的各個領域。

現階段技術

1 永磁同步電機設計技術

與普通電勵磁電機相比，永磁同步電動機由于沒有電勵磁繞組、集電環和勵磁柜，不僅穩定性、可靠性大大提高，而且效率也有很大改善。

其中，內置式永磁電機具有效率高、功率因數大、單位功率密度大、弱磁擴速能力強和動態響應速度快等優點，成為驅動電機的理想選擇。

永磁體提供永磁電機的全部勵磁磁場，齒槽轉矩會加大電機運行時的震動和噪聲。過大的齒槽轉矩會使電機速度控制系統的低速性能及位置控制系統的高精度定位受到影響，所以在電機設計時，應盡量通過電機優化來減小齒槽轉矩。

經研究，減小齒槽轉矩的一般方法有改變極弧系數，減小定子的槽口寬度，斜槽、極槽配合，改變磁極位置、尺寸和形狀等。但應該注意，在減小齒槽轉矩時，可能會對電機的其他性能造成影響，比如電磁轉矩可能會隨之變小。所以在設計時，要盡量平衡好各種因素，使電機性能達到最好。

2 永磁同步電機仿真技術

永磁電機中永磁體的存在給設計人員計算參數帶來了難度，比如空載漏磁系數的設計、極弧系數的設計。一般利用有限元分析軟件計算優化永磁電機各項參數。有限元分析軟件能使電機參數計算得很精確，且利用它分析電機參數對性能的影響是非常可信的。

有限元計算方法使我們計算及分析電機電磁場更方便、更快速、更準確。這是一種數值的方法，是在差分法的基礎上發展而來的，現已被廣泛運用于科學和工程領域。用數學方法把一些連續的求解域離散成一組組單元，再在每個單元內分片插值。這樣就形成了一個線性插值函數，即近似函數利用有限元進行仿真分析，它可以讓我們直觀地觀察電機內部磁場磁力線走向和磁通密度的分布。

3 永磁同步電機控制技術

提高電機驅動系統性能對工業控制領域的發展同樣具有重要意義，它使系統處于最佳的性能驅動，其基本特點體現在速度較小方面，尤其是在快速啟動、靜止加速等情況下，能夠輸出較大轉矩；而在高速行駛時，可以實現大范圍內的恒功率調速控制。表1為幾種主要電機性能的比較。

從表 1 中可以看出，永磁電機有很好的可靠性，且調速范圍寬，效率較高。如果以相應的控制方法配合，能使電機的整個系統發揮最好的性能。因此，要選合適的控制算法來達到高效調速，從而使電機的驅動系統在相對較寬的調速區域、恒功率區間運行。

矢量控制方法在永磁電機調速控制算法中使用較廣，它有調速范圍廣、效率高、可靠性高、穩定性好、經濟效益好等優點，被廣泛應用于電機驅動、軌道交通及機床伺服等領域中。由于用途不同，所采用的電流矢量控制策略也是不相同的。

特點與分類

1 永磁同步電機的特點

永磁同步電動機自身結構簡單，損耗低，功率因數高。與電勵磁電機相比，因為沒有電刷、換向器等裝置，不需要無功勵磁電流，因此定子電流、電阻損耗都較小，效率更高，勵磁轉矩更大，能控性能更好。但存在成本高、啟動困難等不足。由于現在控制技術在電機上的應用，特別是矢量控制系統的應用，永磁同步電機能實現大范圍調速、快速動態響應和高精度定位控制，所以永磁同步電機將會吸引更多的人進行廣泛的研究。

2 永磁同步電動機的分類

1、按轉子磁場形成波形的不同劃分

由于永磁同步電動機轉子磁鋼形狀不一樣，轉子磁場在空間分布形成的波形也有所不同，習慣上分為正弦型永磁同步電機調速系統（轉子在定子上產生的反電動勢是正弦波）和永磁無刷直流電動機BLDCM（轉子在定子上產生的反電動勢是梯形波）。

2、按永磁體在轉子空間結構的不同劃分

永磁同步電動機因永磁體在轉子空間結構的不同分為表貼式和內置式。表貼式永磁同步電動機永磁體的形狀通常呈瓦片形，緊貼在轉子鐵芯的外表面。表貼式永磁電機的特點是直軸和交軸的電感相等。

內置式永磁電機的永磁體在轉子鐵芯內部，永磁體外表面與定子鐵芯內圓之間有鐵磁物質制成的極靴。極靴起聚磁作用，可以提高氣隙磁密，還可以改善空載氣隙磁場波形。這種永磁電機的重要特點是直、交軸磁路不對稱。

這兩種電機的性能有所不同，與表面式永磁電機相比，內置式永磁電機具有弱磁擴速能力強、動態響應快、齒槽轉矩小等優點。

永磁同步電動機發展趨勢

1 永磁無刷直流電動機（BLDCM）

自20世紀80年代起，控制技術，尤其是控制理論策略發展很快，其中一些先進的控制策略，比如滑模控制、變結構控制等正在被引入永磁無刷電動機的控制器中。這為推動高性能向智能化、柔性化、全數字化的發展開辟了新途徑。現在人們生活水平越來越高，保護生存環境的意識不斷增強，使用高性能的電機系統成為電機產業發展的必然趨勢，并且將來也會在電動車、家用電器等小電機行業中得到更廣泛的應用。

2 PMSM 的發展趨勢

PMSM 伺服系統因其自身技術和應用領域，將會朝著2個方向發展：

• 辦公自動化設備、簡易數控機床、計算機外圍設備、家用電器及對性能要求不高的工業運動控制等領域的簡易、低成本伺服系統；

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• 高精度數控機床、機器人、特種加工設備精細進給驅動，以及航空、航天用的高性能全數字化、智能化、柔性化的伺服系統。后者更能充分體現伺服系統的優點，它將是今后發展的主要方向。

永磁同步電動機的設計方法分類

1 磁路法

電機中分布不勻的交變磁場可等效成相應的磁路，使磁場計算轉化為磁路計算。由于等效磁路計算中采用較多修正系數，因此無法通過理論計算出其精確值。一般使用經驗數據。如果初步設計出來的方案不滿足設計需要，設計者必須重新選定修正值再次計算。

2 有限元法

為使計算準確，需對電磁場進行分析，比如永磁磁極形狀與尺寸、局部退磁現象等。用有限元分析軟件對電磁場數值計算分析，節省了產品的開發成本，為電機的優化設計提供了準確的依據。

計算機性能的提高使得電磁場數值計算理論的各種分析方法得以發展。有限元法實質是將問題轉化成適合數值求解的結構性問題，它將無限個自由度的連續系統理想化成有限多個自由度單元集合。目前，最常用的有限元仿真軟件是ansoft，它能對整個電機系統進行聯合仿真。

3 場路結合法

磁路法計算速度雖快，但是精確度不高，計算機計算精確度高，但計算較慢且對計算機要求較高。因此，將有限元法與傳統的磁路法相結合應用到電機電磁的數值計算中，不僅可以提高計算效率，還可以提升精度。這對電機參數設計有很大的實用價值。場路結合法的基本思路是先參考磁路計算結果，初步建立幾何模型，然后通過有限元進行磁場分析，準確計算出等效磁路法中需要修正的系數。