【壓縮機網】摘要與傳統感應電動機相比，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 ，有力地促進了電機產 品技術 、品種及功 能的發展 ，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勢，而且在電力推進系統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，節省了設備投入費用，提高了系統 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 、發展現狀

 

　　永磁同步 電機 的發展 和永 磁材料 的發展息息相關 。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。

 

　　2．1 發展成果

 

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

 

　　1)3 種典型規格的高效、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 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 的用于風機、泵類作業 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 個規格)。與現有電機相比，所： 開發電機的功率因數、效率和z*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。開發的永磁同步電動機調速系統 的調速范 圍為 0．4 r／r a in ～9 000 r／min(國內同規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。開發的 7．5 kW 輕微型電動客車用永磁同步 電動機系統 ，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 ，z*高轉速 5 500 r／m in。樣機系統整體額定效率達 89．1％ ，1 h 持續轉矩密度為 0．74 N ·m ／kg(風冷 )，15 m in 持續轉矩 密度為1．123 N ·m ／kg( 日本 A ISIM AW 樣機 1 h 持續轉矩密度為0．78 N ·m／kg)(油冷)，15 min 持續轉矩密度為 1．178 N ·m／kg。

 

　　5)高起動能力釹鐵硼永磁起動機電機(4 個規格樣機)。所開發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 ，節省釹鐵硼永磁材料約 30％。

 

　　2．2 存在問題

 

　　在開發高性能永磁 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，既要研究開發適用于電機制造廠使用的檢查永磁材料熱穩定性的方法和裝置，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新和設計優化，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、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行元件 的永磁交 流伺 服系統 ，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，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 系統實現方式(如基于 DSP 控制)，從整體上提高系統的智能化和數字化水平，這應是當前發展高性能永磁同步電機伺服系統的一個主要突破口。

 

　　3 、發展趨勢

 

　　永磁同步電機以其效率高、比功率大、結構簡單 、節能效果顯著 等一 系列優點在工業生 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以及電力電子元件的進一步發展和改進，稀土永磁 同步 電機的研究 開發在國內外 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。運輸業和工業中諸如電動汽車、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z*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。法國熱蒙工業公司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z*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 出直徑幾毫米以下的超小型電動機用作醫療微型機器、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。現 已制 成 外 徑 0．8 m m 、長1．2 m ln 的世界上z*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，科學技術飛速發展，高新技術不斷涌現，節電、環保意識 日益增強，使得永磁同步電機發展的前途一片光明，尤其是高性能稀土永磁同步電機及其伺服系統，隨其技術的快速發展和日漸成熟，結 構 型式將日趨多樣化，也將會贏得更為廣泛的發展空間，獲得更加廣泛的應用。