摘要與傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)具有獨(dú)特的性能。主要介紹永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，并分析了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)。

引 言

永磁同步 電機(jī) 的運(yùn)行 原理與 電勵(lì)磁 同步電機(jī)相同 ，但它以永磁體提供的磁通代替后者的勵(lì)磁繞組勵(lì)磁，使電機(jī)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。近年來(lái)，永磁材料性能 的改善 以及 電力 電子技 術(shù) 的進(jìn)步 ，推動(dòng)了新原理 、新 結(jié)構(gòu)永磁同步 電機(jī) 的開(kāi)發(fā) ，有力地促進(jìn)了電機(jī)產(chǎn) 品技術(shù) 、品種及功 能的發(fā)展 ，某些永磁同步電機(jī)已形成系列化產(chǎn)品，其容量從小到大，目前 已達(dá)到兆瓦級(jí)，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣；其地位越來(lái)越重要，從軍工到民用，從特殊到一般迅速擴(kuò)大，不僅在微特電機(jī)中占優(yōu)勢(shì)，而且在電力推進(jìn)系統(tǒng)中也顯示出了強(qiáng)大的生命力 。

1、 特 點(diǎn)

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(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

1)效率高：在轉(zhuǎn)子上嵌入永磁材料后，在正常工作時(shí)轉(zhuǎn)子與定子磁場(chǎng)同步運(yùn)行，轉(zhuǎn)子繞組無(wú)感生電流，不存在轉(zhuǎn)子電阻和磁滯損耗，提高了電機(jī)效率。

2)功率因數(shù)高：永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子中無(wú)感應(yīng)電流勵(lì)磁，定子繞組呈現(xiàn)阻性負(fù)載，電機(jī)的功率因數(shù)近于 1，減小了定子電流，提高了電機(jī)的效率。同時(shí)功率因數(shù)的提高，提高了電網(wǎng)品質(zhì)因數(shù)，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(wǎng)投資。

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

4)力能指 標(biāo)好 ：Y 系列 電機(jī)在 60％的負(fù)荷下工作時(shí)，效率下降 15％，功率因數(shù)下降 30％，力能指標(biāo)下降40％；而永磁同步電機(jī)的效率和功率因數(shù)下降甚微，當(dāng)電機(jī)只有 20％負(fù)荷時(shí)，其力能指標(biāo)仍為滿負(fù)荷的 80％以上。

5)溫升低：轉(zhuǎn)子繞組中不存在電阻損耗，定子繞組中幾乎不存在無(wú)功電流，因而電機(jī)溫升低。

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

7)可大氣隙化，便于構(gòu)成新型磁路。

8 )電樞反應(yīng)小 ，抗過(guò)載能力強(qiáng)。

2 、發(fā)展現(xiàn)狀

永磁同步 電機(jī) 的發(fā)展 和永 磁材料 的發(fā)展息息相關(guān) 。新型永磁材料 的出現(xiàn)大 大促進(jìn) 了永磁 同步電機(jī)的發(fā)展。二十世紀(jì)八 十年代釹鐵硼稀土永磁材料問(wèn)世，由于釹資源豐富，以廉價(jià)的鐵取代昂貴的鈷 ，價(jià)格相對(duì)低廉 。釹鐵硼稀 土永磁材料磁性能好 ，極大地推動(dòng)了永磁同步電機(jī)的開(kāi)發(fā)。

2．1 發(fā)展成果

我國(guó)十分 重視釹鐵硼永磁電機(jī)的研 究開(kāi)發(fā) ，并列入了國(guó)家“863”攻關(guān)計(jì)劃 。經(jīng)過(guò)多年的研究開(kāi)發(fā) ，取得了豐碩成果 ，開(kāi)發(fā)了 5 種類型 22 個(gè)典 型規(guī)格的高性能永磁同步電機(jī)樣機(jī) 。

1)3 種典型規(guī)格的高效、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩永磁 同步電動(dòng)機(jī)樣機(jī)，成功地解決了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高、節(jié)能效果好、高溫不退磁和成本合理這4 項(xiàng)互相制約的矛盾。表 1 給出了我國(guó)開(kāi)發(fā) 的用于油 田抽油機(jī)的 37 kW 稀土永磁同步電機(jī)與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的性能比較 。表 2給出了我國(guó)新近開(kāi)發(fā) 的用于風(fēng)機(jī)、泵類作業(yè) 中功率為 1120 kW 的稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)與感應(yīng) 電動(dòng)機(jī)和電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的性能對(duì) 比 。

2) 化纖機(jī)械用高效高牽入同步釹鐵硼永磁同步電動(dòng)機(jī)(6 個(gè)規(guī)格)。與現(xiàn)有電機(jī)相比，所： 開(kāi)發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)、效率和最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)都有不同程度的提高，失步轉(zhuǎn)矩是原有的3．59倍，牽^轉(zhuǎn)矩提高了3倍。

3)機(jī)床主軸用7．5 kW 高恒功率調(diào)速比釹鐵硼永磁同步電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)的永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 的調(diào)速范 圍為 0．4 r／r a in ～9 000 r／min(國(guó)內(nèi)同規(guī)格的主軸感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍僅為 8 r／min ～8 000 r／r e_in)，恒功率調(diào)速比達(dá)到 1：6。

4 )電動(dòng)汽 車用永 磁 同步 電動(dòng)機(jī) 和驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)的 7．5 kW 輕微型電動(dòng)客車用永磁同步 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) ，電機(jī)重量為 45 kg ，磁體用量為 0．92 kg，額定轉(zhuǎn)速為 3 000 r／m in ，最高轉(zhuǎn)速 5 500 r／m in。樣機(jī)系統(tǒng)整體額定效率達(dá) 89．1％ ，1 h 持續(xù)轉(zhuǎn)矩密度為 0．74 N ·m ／kg(風(fēng)冷 )，15 m in 持續(xù)轉(zhuǎn)矩 密度為1．123 N ·m ／kg( 日本 A ISIM AW 樣機(jī) 1 h 持續(xù)轉(zhuǎn)矩密度為0．78 N ·m／kg)(油冷)，15 min 持續(xù)轉(zhuǎn)矩密度為 1．178 N ·m／kg。

5)高起動(dòng)能力釹鐵硼永磁起動(dòng)機(jī)電機(jī)(4 個(gè)規(guī)格樣機(jī))。所開(kāi)發(fā)的電機(jī)把原來(lái)永磁磁極的一部分換為廉價(jià)的軟鐵輔助磁極 ，節(jié)省釹鐵硼永磁材料約 30％。

2．2 存在問(wèn)題

在開(kāi)發(fā)高性能永磁 同步 電機(jī)過(guò)程 中，取得 上述成果的同時(shí) ，也 得到 了一些 問(wèn)題 ，有待 于更深入地研究和探索。

1)不可逆退磁問(wèn)題。如果設(shè)計(jì)或使用不當(dāng)，永磁同步電機(jī)在過(guò)高(釹鐵硼永磁)或過(guò)低(鐵氧體永磁)溫度 時(shí)，在 沖擊 電流產(chǎn)生 的 電樞 反應(yīng)作 用下 ，或在劇烈的機(jī)械振動(dòng)時(shí)有可 能產(chǎn) 生不可逆退磁，或叫失磁，使電機(jī)性能下降，甚至無(wú)法使用。

因此，既要研究開(kāi)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。

2)成本 問(wèn)題 。鐵 氧體永 磁同步 電機(jī) 由于結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單、質(zhì)量減輕，總成本一般比電勵(lì)磁電機(jī)低 ，因而得到了廣泛應(yīng)用。 由于稀 土永磁 目前 的價(jià)格還比較貴 ，稀土永磁 電機(jī)的成本一般 比電勵(lì)磁 電機(jī)高 ，這需要用它 的高性 能和運(yùn)行費(fèi)用 的節(jié)省來(lái)補(bǔ)償。在設(shè)計(jì)時(shí)既需要根據(jù)具體使用場(chǎng)合和要求進(jìn)行性能、價(jià)格的比較后取舍，又要進(jìn)行結(jié)構(gòu)工藝的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)優(yōu)化，以降低成本。

3 )控制 問(wèn)題 。永磁 同步電機(jī)不需外界能量 即可維持其磁場(chǎng)，但這也造成從外部調(diào)節(jié)、控制其磁場(chǎng)極為困難。但是隨著 M OSFET、IGBT 等電力電子器件和控制技術(shù)的發(fā)展，大多數(shù)永磁同步電機(jī)在應(yīng)用 中，可 以不進(jìn)行磁 場(chǎng)控制而只進(jìn)行 電樞控制。設(shè)計(jì)時(shí)需把永磁 材料、電力 電子器件 和微機(jī)控制三項(xiàng)新技術(shù)結(jié)合起來(lái)，使永磁同步電機(jī)在嶄新的工況下運(yùn)行。此外，以永磁同步電機(jī)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(jī)本身是具有一定 非線性、強(qiáng)耦合性 和時(shí)變性 的系統(tǒng)，同時(shí)其伺服對(duì)象也存在較強(qiáng)的不確定性和非線性 ，加之系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)易受到不 同程度 的干擾 ，因此采用先進(jìn)控制 策略、先進(jìn) 的控制 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式(如基于 DSP 控制)，從整體上提高系統(tǒng)的智能化和數(shù)字化水平，這應(yīng)是當(dāng)前發(fā)展高性能永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的一個(gè)主要突破口。

3 、發(fā)展趨勢(shì)

永磁同步電機(jī)以其效率高、比功率大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、節(jié)能效果顯著 等一 系列優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)生 產(chǎn)和日常生活中逐步得到廣泛應(yīng)用。尤其是近年來(lái)高耐熱性、高磁性能釹鐵硼永磁體的成功開(kāi)發(fā)以及電力電子元件的進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)，稀土永磁 同步 電機(jī)的研究 開(kāi)發(fā)在國(guó)內(nèi)外 又進(jìn)人 了一個(gè)新 的時(shí)期 ，在理論研 究和應(yīng) 用 領(lǐng)域都 將產(chǎn) 生 質(zhì) 的飛躍 ，目前正向超高速、高轉(zhuǎn)矩、大功率、微型化、高功能化方 向發(fā)展。

3．1 超高速電機(jī)

永磁同步電機(jī)不需要?jiǎng)?lì)磁繞組 ，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單 ，磁場(chǎng)部分沒(méi)有發(fā)熱源，不需要冷卻裝置，材料的矯頑力高，氣隙長(zhǎng)度可以取較大值從而使大幅度提高轉(zhuǎn)速成為可能。目前已制成 (2 ～3 ) X 10 r／r ain的電機(jī)，如美國(guó)通用電氣公 司研制 的150 kW 、23 000 r／min 的徑向氣隙型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)航空用稀土永磁發(fā)電機(jī)，外轉(zhuǎn)子型用于 電動(dòng)車的7．2 kW 、27 000 r／r ain 的 電機(jī)。目前正在研制每分鐘幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)的電機(jī)。

3．2 高轉(zhuǎn)矩大功率電機(jī)

耐熱、高磁性能釹鐵硼永磁材料的開(kāi)發(fā)成功將使其在大功率永磁 同步電機(jī)中獲得重要應(yīng)用。運(yùn)輸業(yè)和工業(yè)中諸如電動(dòng)汽車、混合型(內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)并用 )動(dòng)力汽車、列車、電梯、機(jī)床、機(jī)器人等，對(duì)大功率電動(dòng)機(jī)的需求正在增長(zhǎng)。

船舶推動(dòng)電機(jī)要求低速大轉(zhuǎn)矩。德國(guó)西門(mén)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(dòng)機(jī)，用于艦船的推進(jìn)，與過(guò)去使用的直流電動(dòng)機(jī)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(jìn)電機(jī)裝于 U．212 潛艇試用，其長(zhǎng)度和有效體積與傳統(tǒng)的直流推進(jìn)電機(jī)相比減少 40％。瑞士 A BB 公司已經(jīng)建造了超過(guò) 300艘的電力推進(jìn)船舶最大安裝容量達(dá)到了2 X 19 MW ，其研制的400 kW 到3 MW 永磁同步電機(jī)用于：“Com-paet A~ipod”吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)。法國(guó)熱蒙工業(yè)公司1987 年研制的400 kW 、500 r／r a in 永磁電機(jī)樣機(jī)與直流電機(jī)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(jìn)電機(jī)及控制裝置已完成研制及所有的實(shí)船試驗(yàn)。同年，英國(guó)展出了“海航”號(hào)輕型隱身護(hù)衛(wèi)艦設(shè)計(jì)模型。該艦裝有兩臺(tái)21MW 永磁同步電機(jī)在巡航或隱身時(shí)直接驅(qū)動(dòng)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(guò)去難以制作的超微型和低 慣量 電動(dòng)機(jī)得 以實(shí)現(xiàn) 。目前 已開(kāi)發(fā) 出直徑幾毫米以下的超小型電動(dòng)機(jī)用作醫(yī)療微型機(jī)器、眼球手術(shù)用機(jī)器人手臂或管道檢 查用機(jī)器人等場(chǎng) 合 的驅(qū) 動(dòng) 源。現(xiàn) 已制 成 外 徑 0．8 m m 、長(zhǎng)1．2 m ln 的世界上最小的永磁電動(dòng)機(jī)。

3．4 高功能化

在高溫、高真空度或空間狹小等特殊場(chǎng)合難以使用傳統(tǒng)電機(jī) ，而稀土永磁 電機(jī)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(shè)備 中的機(jī)械手 、原 子能設(shè)備的檢查機(jī)器人和半導(dǎo)體制造裝置等特殊環(huán)境下工作的電動(dòng)機(jī)，需要使用高溫電動(dòng)機(jī)和高真空電動(dòng)機(jī)。已開(kāi)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(dòng)機(jī) ，直 徑 105mm 、長(zhǎng)145mm ，采用高溫特性好的Sm 2Co 永磁體。

4 、結(jié) 語(yǔ)

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