机电传动永磁同步电动机

1、新型特种电机及其发展趋势新型特种电机及其发展趋势永磁同步电机永磁同步电机一一 概概 述述一一 概概 述述过去的电力拖动中，很少采用同步电动机，其过去的电力拖动中，很少采用同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。人们亦知道变频电源可解决同步电动转矩为零。人们亦知道变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题，但在机的起动和调速问题，但在7070年代以前，变频电年代以前，变频电源是可想而不可得的设备。所以，过去的电力拖源是可想而不可得的设备。所以，过去

2、的电力拖动中，很少看到用同步电动机作原动机。在大功动中，很少看到用同步电动机作原动机。在大功率范围内，偶尔也有同步电动机运行的例子，但率范围内，偶尔也有同步电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。它往往是用来改善大企业的电网功率因数。随着科学技术的进步随着科学技术的进步, ,新技术新材料的不断涌新技术新材料的不断涌现现, ,使得永磁同步电机的研究和开发成为可能使得永磁同步电机的研究和开发成为可能, ,永永磁同步电机具有以下特点磁同步电机具有以下特点: : (1) (1)永磁同步电机（永磁同步电机（PMSMPMSM）可以用一个与电源）可以用一个与电源频率同步的恒定速度进行旋转，

3、而不受负载和线频率同步的恒定速度进行旋转，而不受负载和线路电压的影响。电机运行可以保持恒定的，与电路电压的影响。电机运行可以保持恒定的，与电源频率同步的速度，只要转矩不超过电机的极限源频率同步的速度，只要转矩不超过电机的极限运行值。因此，运行值。因此，PMSM PMSM 是高精度定速驱动的理想选是高精度定速驱动的理想选择。三相择。三相PMSM PMSM 是一种永励电机。它能产生非常高是一种永励电机。它能产生非常高的功率密度、非常高的效率和极好的响应，所以的功率密度、非常高的效率和极好的响应，所以能适应机械工程领域中最复杂的应用。能适应机械工程领域中最复杂的应用。一一 概概 述述(2)(2)它还

4、具有很强的过载能力。它还具有很强的过载能力。PMSM PMSM 基本上基本上不需要维护，因此可以确保最高效的运行。高精不需要维护，因此可以确保最高效的运行。高精确的速度规定使确的速度规定使PMSM PMSM 成为特定工业过程的理想选成为特定工业过程的理想选择。择。PMSM PMSM 的速度的速度/ /转矩特性非常适用于直接驱动转矩特性非常适用于直接驱动大马力、低转速的负载。大马力、低转速的负载。 (3) PMSM (3) PMSM 舍弃了励磁线圈，而且转子的转速舍弃了励磁线圈，而且转子的转速与定子磁场的转速相同。与定子磁场的转速相同。PMSM PMSM 的这种设计可以消的这种设计可以消除转子铜

5、损，与传统的感应电机相比可以产生极除转子铜损，与传统的感应电机相比可以产生极高的效率峰值。高的效率峰值。PMSMPMSM的功率重量比也高于感应电的功率重量比也高于感应电机。机。一一 概概 述述但永磁同步电机存在最大转矩受永磁体去磁约但永磁同步电机存在最大转矩受永磁体去磁约束、抗震能力差、高转速受限制、功率较小、转束、抗震能力差、高转速受限制、功率较小、转矩脉动的大、成本高和起动困难等缺点。针对永矩脉动的大、成本高和起动困难等缺点。针对永磁同步电动机的一些缺点，尤其是其去磁、转矩磁同步电动机的一些缺点，尤其是其去磁、转矩脉动、起动困难等问题，脉动、起动困难等问题，国内外的学者做了大量国内外的学者

6、做了大量的研究，并取得了一定的成果！的研究，并取得了一定的成果！一一 概概 述述8080年代初钕铁硼稀土永磁材料具有高的剩磁年代初钕铁硼稀土永磁材料具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。与电磁式同步电动机相特别适合在电机中使用。与电磁式同步电动机相比较，稀土永磁同步电动机具有以下优点：比较，稀土永磁同步电动机具有以下优点：（1 1）稀土永磁同步电动机无需电流励磁）稀土永磁同步电动机无需电流励磁, ,不设不设电刷和滑环电刷和滑环, ,因此结构简单、使用方便、可靠性高。因此结构简单、使用方便、可靠性高。使得稀土永磁同步

7、电动机转子上无励磁损耗，无使得稀土永磁同步电动机转子上无励磁损耗，无电刷和滑环之间的磨擦损耗和接触电损耗。因此，电刷和滑环之间的磨擦损耗和接触电损耗。因此，稀土永磁同步电动机的效率比电磁式同步电动机稀土永磁同步电动机的效率比电磁式同步电动机要高，并且其功率因数可以设计在要高，并且其功率因数可以设计在1.01.0附近。附近。一一 概概 述述( (2 2) )稀土永磁同步电动机转子结构多样稀土永磁同步电动机转子结构多样性，结性，结构灵活，而且不同的转子结构往往带来自身性能构灵活，而且不同的转子结构往往带来自身性能上的特点，因而稀土永磁同步电动机可根据使用上的特点，因而稀土永磁同步电动机可根据使用需

8、要选择不同的转子结构形式。需要选择不同的转子结构形式。( (3 3) )稀土永磁同步电动机在一定功率范围内，稀土永磁同步电动机在一定功率范围内，可以比电磁式同步电动机具有更小的体积和重量。可以比电磁式同步电动机具有更小的体积和重量。一一 概概 述述二结构和工作原理二结构和工作原理二二 结构和工作原理结构和工作原理1. 1. 结构结构永磁同步电动机由定子，转子和端盖等部件构永磁同步电动机由定子，转子和端盖等部件构成。定子与普通同步电机基本相同，转子由永磁成。定子与普通同步电机基本相同，转子由永磁体构成，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷。按体构成，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷。按照永磁体在转子上位

9、置的不同，常用的永磁同步照永磁体在转子上位置的不同，常用的永磁同步电机的转子磁路结构一般可以分为三种：凸装式、电机的转子磁路结构一般可以分为三种：凸装式、嵌入式和内埋式。凸装式（图嵌入式和内埋式。凸装式（图 1a1a）转子磁路中，）转子磁路中，永磁体呈瓦片形，安装在转子外表面上，提供径永磁体呈瓦片形，安装在转子外表面上，提供径向磁通。嵌入式向磁通。嵌入式( (图图1b)1b)转子结构将永磁体嵌在转转子结构将永磁体嵌在转子表面下面。内埋式子表面下面。内埋式( (图图1c)1c)转子结构永磁体埋装转子结构永磁体埋装在转子铁芯内部。在转子铁芯内部。图图1 1 永磁同步电机基本结构永磁同步电机基本结构

10、永磁材料的磁导率与空气几乎相等，所以凸出永磁材料的磁导率与空气几乎相等，所以凸出式转子结构在电磁性能上属于隐极转子结构，而式转子结构在电磁性能上属于隐极转子结构，而嵌入式转子的相邻两磁极之间有磁导率很大的铁嵌入式转子的相邻两磁极之间有磁导率很大的铁磁材料，因此在电磁性能上属于凸极转子结构。磁材料，因此在电磁性能上属于凸极转子结构。二二 结构和工作原理结构和工作原理2 2 工作原理工作原理（1 1）永磁同步发电机，在原理上就是在同步永磁同步发电机，在原理上就是在同步发电机中用永磁体取代传统的电激磁磁极。三相发电机中用永磁体取代传统的电激磁磁极。三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或对称的

11、电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。原动机拖动转子旋转（给电者感应电流的载体。原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的永磁磁场随轴一起机输入机械能），极性相间的永磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割永磁磁场）。由于电枢绕组与主磁场体反向切割永磁磁场）。由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。过引出线，即可提供交流电源。二二

12、 结构和工作原理结构和工作原理每相感应电势的有效值为：每相感应电势的有效值为：感应电势的频率决定于同步电机的转速感应电势的频率决定于同步电机的转速n n和极和极数数p p ，即：，即： 交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。性，保证了感应电势的三相对称性。二二 结构和工作原理结构和工作原理（2 2）永磁同步电动机，在原理上就是在同步永磁同步电动机，在原理上就是在同步电动机中用永磁体取代传统的电激磁磁极。三相电动机中用永磁体取代传统的电激磁磁极

13、。三相对称的电枢绕组通入对称三相交流电流，产生一对称的电枢绕组通入对称三相交流电流，产生一个同步速度旋转的旋转磁场，该旋转磁场拉着转个同步速度旋转的旋转磁场，该旋转磁场拉着转子磁极一起以同步速度旋转。子磁极一起以同步速度旋转。（3 3）永磁同步电机的启动问题。如果在永磁）永磁同步电机的启动问题。如果在永磁同步电动机的定子上直接加上额定频率的交流电同步电动机的定子上直接加上额定频率的交流电流，无法直接启动。可以采用软启动和异步启动流，无法直接启动。可以采用软启动和异步启动方法。方法。二二 结构和工作原理结构和工作原理三发展与现状三发展与现状三发展与现状三发展与现状科学技术的发展极大地推动了同步电

14、动机的科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用，主要的原因有：发展和应用，主要的原因有：1 1 高性能永磁材料的发展高性能永磁材料的发展永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一类钐钴类钐钴1 1：5 5，第二类钐钴，第二类钐钴2 2：1717和第三类钕铁硼。和第三类钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永磁材料，铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力低，抗退磁能力差

15、，而且要用贵重的但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足限制了它在电机中的金属钴，成本高，这些不足限制了它在电机中的应用。应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。钐稀土

16、材料价格较高。8080年代初钕铁硼稀土永磁年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。使用。三发展与现状三发展与现状三发展与现状三发展与现状 下表是各种永磁材料性能比较。下表是各种永磁材料性能比较。2 2 电力电子技术的发展大大促进了永磁同步电动机的开发应用。电力电子技术的发展大大促进了永磁同步电动机的开发应用。半导体开关器件性能不断提高，容量迅速增大，成本大降低，半导体开关器件性能不断提高，容量迅速增大，成本大降低，控制电路日趋完美，它极大地推

17、动了各类电机的控制。控制电路日趋完美，它极大地推动了各类电机的控制。7070年代出年代出现了通用变频器的系列产品，可将工频电源转变为频率连续可调现了通用变频器的系列产品，可将工频电源转变为频率连续可调的变频电源，这就为交流电机的变频调速创造了条件。这些变频的变频电源，这就为交流电机的变频调速创造了条件。这些变频器在频率设定后都有软起动功能，频率会以一定速率从零上升设器在频率设定后都有软起动功能，频率会以一定速率从零上升设定的频率，而且此上升速率可以在很大的范围任意调整，这对同定的频率，而且此上升速率可以在很大的范围任意调整，这对同步电动机而言就是解决了起动问题。对最新的自同步永磁同步电步电动机

18、而言就是解决了起动问题。对最新的自同步永磁同步电动机，高性能电力半导体开关组成的逆变电路是其控制系统的必动机，高性能电力半导体开关组成的逆变电路是其控制系统的必不可少的功率环节。不可少的功率环节。三发展与现状三发展与现状3 3. . 规模集成电路和计算机技术的发展完全改观了现规模集成电路和计算机技术的发展完全改观了现代永磁同步电动机的控制代永磁同步电动机的控制集成电路和计算机技术是电子技术发展的代表，集成电路和计算机技术是电子技术发展的代表，它不仅是高新电子信息产业的核心，又是不少传统产它不仅是高新电子信息产业的核心，又是不少传统产业的改造基础。它们的飞速发展促进了电机控制技术业的改造基础。它

19、们的飞速发展促进了电机控制技术的发展与创新。的发展与创新。 70 70年代人们对交流电机提出了矢量控制的概念。年代人们对交流电机提出了矢量控制的概念。将交流电动机模拟成直流电动机来控制，可获得与直将交流电动机模拟成直流电动机来控制，可获得与直流电动机一样良好的动态调速特性，近年来各种集成流电动机一样良好的动态调速特性，近年来各种集成化的数字信号处理器发展很快，性能不断改善，出现化的数字信号处理器发展很快，性能不断改善，出现了专门用于电机控制的高性能、低价位的了专门用于电机控制的高性能、低价位的DSPDSP。三发展与现状三发展与现状四发展趋势四发展趋势四发展趋势四发展趋势与无刷直流电机相同与无刷

20、直流电机相同五应五应 用用五应五应 用用现代工农业中的驱动电机常用的有交流异步电现代工农业中的驱动电机常用的有交流异步电动机、有刷直流电动机和永磁同步电动机（包括动机、有刷直流电动机和永磁同步电动机（包括无刷直流电动机）三大类，它们的综合特性比较无刷直流电动机）三大类，它们的综合特性比较见下表。见下表。三大类电动机的综合特性比较表三大类电动机的综合特性比较表1 1 定速驱动定速驱动工农业生产中有大量的生产机械要求连续地工农业生产中有大量的生产机械要求连续地以大致不变的速度单方向运行，例如风机、泵、以大致不变的速度单方向运行，例如风机、泵、压缩机、普通机床等。对这类机械以往大多采压缩机、普通机床

21、等。对这类机械以往大多采用三相或单相异步电动机来驱动。用三相或单相异步电动机来驱动。2 2 调速驱动调速驱动有相当多的工作机械，其运行速度需要任意有相当多的工作机械，其运行速度需要任意设定和调节，但速度控制精度要求并不非常高。设定和调节，但速度控制精度要求并不非常高。这类驱动系统在包装机械、食品机械、印刷机这类驱动系统在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆中有械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆中有大量应用。大量应用。五应五应 用用在这类调速应用领域最初用的最多的是直流在这类调速应用领域最初用的最多的是直流电动机调速系统电动机调速系统 ，7070年代后随电力电子技术和年代后随电力电子技术和控制技术的发展，异步电动机的变频调速迅速控制技术的发展，异步电动机的变频调速迅速渗透到原来的直流调速系统的应用领域。渗透到原来的直流调速系统的应用领域。交流永磁同步电动机由于其体积小、重量轻、交流永磁同步电动机由于其体积小、重量轻、高效节能等一系列优点，越来越引起人们重视，高效节能等一系列优点，越来越引起人们重