永永磁电机综述及退磁分析

1、永永磁电机综述及退磁分析能源的重要可再生能源研究现状及发展趋势能源是当今社会存在和发展的基础，随着人们生活水平的提高和社会的发展，人类对能源的需求正在逐渐增大，而能源的短缺正成为制约社会发展的重要因素。对传统能源的开发利用不仅受到资源有限的限制， 而且在能源使用的过程中还会产生温室效应和环境污染等全球性问题。因此， 通过对新型能源的开发，实现资源的持续利用和人类社会可持续发展具有重要作用。目前可以对新型能源进行开发利用的主要有光伏发电、风力发电、潮汐能发电以及生物能和水力能发电等。近年来，随着电力电子技术的发展，风力发电的利用及其优势开始显现，它是可再生能源中技术最成熟、发展速度最快、最具有商

2、业发展潜力的新能源之一；光伏发电技术具有对环境影响小的优点，但是太阳能光伏电池板和逆变器的高成本限制了其在光照强度不强的地区的应用；潮汐能发电具有对地理位置要求高，发电设备需安装在海底，稳定性差等缺点，因此很难进行大规模开发利用；生物能和水能的利用同样受到地域、成本以及环境的影响，因此对生物能和水能的开发利用也较难。全球可再生能源研究现状及趋势进入 21 世纪，世界各国都加大对风能、光伏等可再生能源的研究利用。发展可再生能源己经成为许多国家对能源进行研究和开发的主要内容。2006 年 3 月，欧盟首脑会议确定到2020 年风能、光伏等新型能源消费总量要占到传统能源消费总量的20%； 2011

3、年美国提出到2030 年全美20%的电力供应由风力发电提供，生物燃料消费量要占汽车燃料消耗量的30%以上；印度在2009 年风电装机容量已达到1100 万千瓦时，装机总容量排在世界第5 位；巴西通过利用甘蔗等本地资源大力发展生物能，到2008 年底生物燃料总产量已达两千多万吨，并且计划到2030 年底生物能年产能达到750 亿升，从而将生物能的生产作为巴西经贸的主要资源。目前，全球己有60 多个国家制定了相关的法律、法规或行动计划，通过立法的强制性手段保障可再生能源战略目标的实现。到2009 年底，全球风能和太阳能等可再生能源总共约贡献了1.7%的发电量，占全球能源消费总量的0.7%。风力发电

4、总装机容量增长了31%，生物燃料发电量增长了8%，太阳能发电总装机容量也已达到10000 兆瓦以上。总之，目前可再生能源的发展正朝着生产技术逐渐成熟、项目规模逐渐增大、建设快速逐渐加快、投资渠道逐渐增多、生产设备效率逐渐提高、设备维护逐渐便利的方向发展。我国新能源发展现状及趋势可再生能源是我国能源资源的重要组成部分，它在环境污染治理、经济社会发展、能源供应和能源结构改造等方面发挥了重大作用。由于政府的大力引导和支持以及市场需求的推动，我国可再生能源的发展具有良好的内外部条件，我国可再生能源开始进入快速发展。2009 年， 我国新能源年年产能值相当于2.6亿吨煤的产能，占到我国能源消费总量的8.

5、34%。 到 2011 年底，我国水力发电总装机容量1.97 亿千瓦时，居世界第一；风力发电总装机容量达2730 万千瓦时，新增装机容量居世界第一，总装机容量居世界第三；太阳能光伏电池年产量达4 千兆瓦时，为全球份额的40%，太阳能热水器总超过1.45 亿平方米居世界第一。尽管我国新能源行业各方面发展迅速但其规模化和产业化发展仍然面临诸多问题，主要有：市场机制成不够熟，使得新能源产业很难和传统能源产业竞争；能源政策和配套措施不完善，对可再生能源 企业扶持力度不够；企业对新能源的战略地位认识不够，以及对对能源企业发展的衔接性和科学性认识 不足；企业和政府对新能源的研发投入不足；整个产业链体系较薄

6、弱，利润率较低；对我国新能源 产业评估不深入，不利于新能源的产业化发展。总之，新能源产品市场竞争力低、成本价格高是我国可再生能源产业发展面临的主要问题，解决问题的根本途径是大力推进可再生能源的产业化、规模化发展1。能源紧张是影响我国国民经济发展的一个重要问题，也是全世界共同关心的阔题。节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，也是当前一项极为紧迫的任务。据国际电工委员会（IEC）统计，工业用电动机消耗全世界发电量的3040，我国电机系统用电量约占全国用电量的60%，其中风机、泵类、压缩机和空调制冷机的用电量分别占全国用电量的10.4%、 20.9%、 9.4%和 6%。电机系统量大面广，节电

7、潜力巨大。改善整个驱动系统（电动机和调速传动）和应用技术（或工艺技术）的效率对节能关系重大，系统优化总的节能潜力可达到30%60%。据行业协会统计，全国现有各类电机系统总装机容量约7亿kW,运行效率普遍比国外先进水平低1020个百分点，相当于每年浪费电能约1500亿kWh。为此国家发改委在“十大重点节能工程实施意见”中提出：要推广高效节能电动机、稀土永磁电动机；同时推广变频调速、永磁电动机调速等先进电机调速技术，改善风机、泵类电机系统调节方式，逐步淘汰闸板、阀门等机械节流调节方式。并建议在以下领域推广应用稀土永磁电动机和调速系统：电力：用变频、永磁电动机改造风机、水泵系统，重点是20 万 kW

8、 以上火力发电机组。冶金：鼓风机、除尘风机、冷却水泵；加热炉风机、铸造除鳞水泵等设备的变频、永磁电动机调速。机电：研发制造节能型电机、电机系统及配套设备。轻工：注塑机、液压油泵的变频、永磁调速。其他：企业空调和通风、楼宇集中空调的永磁电机系统改造等。据国际能源机构（IEA） 2006 年 7月的工作报告，通过改善电动机效率结合变频调速可以节约大约7%的电能，其中大致有1/41/3是靠提高电动机效率来获得的，其余部分则来自系统的改进。目前，美、欧、日、澳大利亚、巴西等国都纷纷制订电动机效率限值，并强制执行。为协调各国能效分级标准，2006 年 IEC 制定一项新的能效标准IEC60034 30。

9、 该标准将一般用途电动机效率水平分为IE（l InternationalEfficiency ，简称IE）、IE2、 IE3 和 IE4 四级，其中IEl 为标准效率，相当于我国目前生产的普通系列感应电动枫的效率水平；IE2 为高效率，比普通电机的效率平均提高2.75个百分点，损耗平均下降20左右；IE3 为超高效率，即效率再提高1.5 一 2 个百分点，损耗平均再降低15左右；IE4 为超超高效率，损耗预计再下降20左右，需要进行全新的电机设计，建也新的体系结构（新的电机极数、速度范围），采用更高性能的材料。众所周知，永磁电动机采用永磁体励磁，不需要无功励磁电流，所以显著提高功率因数，减小了

10、定子电流和定子电阻损耗；而且在稳定运行时没有转子电阻损耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇（小容量电机甚至可以去掉风扇）和相应的风摩耗，从而使其效率和功率因数比同规格感应电动机高。而且在轻载时仍可保持较高的效率和功率因数，使轻载运行时节能效果更为显著。因此，永磁电动机较容易做到高效率，既达到1E2级的效率值。如果进一步优化设计，采用高性硅钢片和先进工艺，在降低一个机座号或者缩短铁心的情况下，可以达到超高效，既IE3级的效率值；在不降低机座号或适当增加铁心的情况下，部分规格有可能达到超超高效，既IE4级的效率值2。我国稀土资源丰富，钕铁硼永磁材料的年产量已居世界第一，国内高品质的钕铁硼永磁体已能批

11、量生产，世界磁性材料的中心已转移到中国，这为发展我国稀土永磁电机产业打下了良好的基础大力发展稀土永磁电机和稀土永磁材料，将资源优势变为经济优势，将极大地推动我国稀土产业的发展。同时为节能降耗、保护环境、实现国民经济持续发展做出重大贡献。. 永磁电机的特点与传统的电励磁电机相比，稀土永磁电机具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗小、效率高、电机的形状和尺寸灵活多样等显著优点。因此稀土永磁电机的应用范围极为广泛，遍及航空、航天、国防、 装备制造、工农业生产和日常生活的各个领域。它包括永磁同步电动机、永磁发电机、直流电动机、无刷直流电动机、交流永磁伺服电动机、永磁直线电机、特种永磁电机及相关的

12、控制系统。种类几乎覆盖了整个电机行业。（ 1 ）稀土永磁电机结构简单体积小，重量轻，耗材少，同容量的永磁同步电机体积、重量、所用材料可以减小30%左右。永磁同步发电机与传统的发电机相比，不需要集电环和电刷装置，结构简单，降低了故障率。采用稀土永磁后还可以增大气隙磁密，并把电机转速调整到最佳值，提高功率质量比。现代航空、航天用发电机几乎全部采用稀土永磁发电机。永磁发电机也用作大型汽轮发电机的副励磁机。目前，独立电源用的内燃机驱动小型发电机、车用永磁发电机、风轮直接驱动的小型永磁风力发电机正在逐步推广。随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善、价格的逐步降低以及

13、电力电子器件的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，在大力推广和应用已有研究成果，使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等各个方面获得越来越广泛的应用的同时，稀土永磁电机的研究开发也进入了一个新阶段，正向大功率化（高转速、高转矩）、高功能化和微型化方向发展。目前，稀土永磁电机的单台容量已超过1000kW,最高转速已超过 300000r/min,最低转速低于 0.01 r/min ,最小电机外径只有 0.8mm,长 1.2mm。（ 2）稀土永磁电机轻型化采用稀土永磁体可以明显减轻电机重量，缩小体积。例如10kW 发电机，常规发电机重量为220kg，而永磁发电机重量仅为92kg,相当于常

14、规发电机重量的45.8%。计算机磁盘驱动器在 20世纪60年代采用铁氧体尺寸为14 英寸，而采用钕铁硼后只有3.5 英寸，现在己达到2.5 英寸。德国制成的六相变频电源供电的1095kW、 230r/min 稀土永磁电动机，用于舰船的推进，与过去使用的直流电动机相比，体积减少60%左右，总损耗降低20%左右，并省去了电刷和换向器，维护方便。荷兰飞利浦公司用70W 微电机作比较，稀土永磁电机体积是电流励磁电机的1/4，是铁氧体励磁电机的1/2。（ 3）稀土永磁电机高性能化高性能化也是稀土永磁电机的突出优点，有例如， 数控机床用稀土永磁伺服电机，调速比高达1： 10000。稀土永磁电机可以实现精密

15、控制驱动，转速控制精度可达到0.1%。在机械特性方面，稀土永磁电机可以实现低速大转矩运行，可在负载转矩下直接起动。此外，稀土永磁电机还具有运行精度高（如计算机硬盘 驱动器的摆动电机端面与磁盘之间的跳动量要求达到0.1科0.3科）、运行噪声小、平稳性好、过载能力大等特点。（ 4）稀土永磁电机高效节能稀土永磁电机又是一种高效节能产品，平均节电率高达10%以上， 专用稀土永磁电机的节电率可高达15%20%。 美国 GM 公司研制的钕铁硼永磁起动电机与老式串激直流起动电机相比，不仅重量由原来的6.21 kg降低到4.2 kg,体积减少了 1/3,而且效率提高了 45%。在水泵、风机、压缩机需要无级变频

16、调速的场合， 异步变频调速可节电25%左右，而永磁变频调速节电率高达30%以上。电机节能是一项系统工程，应该从多个方面寻求降低电能消耗的方法。系统输入功率包括配电电源、电动机的控制、电动机自身、电动机与负载的连接以及最终被驱动的负载匹配。国际电机节能的先进水平是风机、水泵自身运行效率一般在85%以上，系统运行效率在80%左右。而目前我国国产设备的本体设计效率为75%，系统运行效率不到30%，电源浪费十分严重。这种状况目前尚未改变。电动机的节能有两个方法。一个是改进异步电动机的结构，提高其效率和其他性能。另一个是发展永磁同步电动机，可以取得更高的节电效果【 3】 。永磁同步电动机的分类及特点永磁

17、同步电动机的基本性能特点1 ）效率高一是由于磁路系统的小型化，绕组亦趋小，从而减少了电机的铜损和铁损，效率提高；二是在转子上嵌入稀土永磁材料后，在正常工作时转子与定子磁场同步运行，转子绕组无感生电流，不存在转子电阻和磁滞损耗；三是定子电流中无励磁电流分量，功率因数高，定子电流小，定子侧铜损下降，提高了电机效率。有人曾分析过，一台 20000r/min以上的高速有刷电动机，输出功率316W,效率69%,即损耗为31%。其中，励磁铜损6%，励磁铁损3%，电枢铜损3%，电刷损耗8%，电枢铁损8%，机械损耗 2%，杂散损耗1%。大量使用的感应电动机，如冰箱压缩机、空调、洗衣机、风扇等用的电动机，若输出

18、功率118.4W， 效率 83%， 其损耗 17%， 包括初级绕组铜损6%， 铁损 7%， 次级铜损和杂散损耗共占4%；当输出功率为420W、效率85%时，损耗15%,它包括初级绕组铜损 6%,铁损4%,次级铜损和杂散损耗 5%。如果使用永磁体产生磁场（作转子），不使用电刷整流子，构成永磁电动机（无刷电动机），损耗就只有 24 J 电枢绕组的铜损、电枢铁心的铁损和机械损耗。因此， 有刷电动机特有的电刷损耗、有刷电动机和感应电动机中由初级电流励磁引起的次级铜损都可以消除，从而会大大提高电动机的效率。2）功率因数高在稀土永磁电机转子中无感应电流励磁，定子绕组呈现阻性负载，电机的功率因数近于 1；减

19、小了定子电流，进一步提高了电机的效率。同时功率因数的提高，提高了电网的品质因数，减少了输变电线路的损耗，输变电容量也可降低，节省电网投资。(3)起动力矩大在需要大启动转矩的设备(如油田抽油机电机)中，可以用较小容量的稀土永磁电机替代较大容量的 Y系列电机，如用 37kW永磁电机代替4555kW的Y系列电机，较好地解决了 “大 马拉小车”的现象，节省了设备的投入费用，提高了系统的运行效能。(4)力能指标好异步电动机在低负载率(即不在额定点运行)的情况下，效率和功率因数下降严重。Y系列电机在60%的负荷下工作时，效率下降15%,功率因数下降30%,力能指标下降 40%。而永磁电机的效率和功率因数下

20、降甚微，当电机只有20%负荷时，其力能指标仍为满负荷的80%以上。永磁电动机的效率在较大的负载变化范围平坦变化，保持高效率，节能效果突出。尤其对油田抽油机类启动负 载大、运行负载小的电机，节能效果更好。(5)温升低 转子绕组中不存在铜损，定子绕组中几乎不存在无功电流，这样电机温升低。电励磁 电机由绕组提供励磁电流，因受到励磁线圈温升的限制，励磁绕组占据空间较大，而高性能的稀土永磁体 励磁可以缩小励磁空间和提供较高的气隙平均磁密，因而在相同的体积情况下可以提高电机的出力。(6)可大气隙化，便于构成新型磁路。(7)电枢反应小，抗过载能力强。2.2永磁同步电动机的分类永磁同步电动机的转子磁钢的几何形

21、状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两 种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种：一种为正弦波；另一种为梯形波。这 样就造成两种同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交 流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机(PMSM)调速系统；而由梯形波(方波)永磁同步电动机组成的调速系统，在原理和控制方法上与直流电动机系统类 似，故称这种系统为无刷直流电动机( BLDCM )调速系统。图1正弦波永磁同步电动机的基本组成框图山山张动电路HI Au位置传感器控制电U图2永磁无刷直流电动机的系统组

22、成永磁同步电动机转子磁路结构不同，则电动机的运行特性、控制系统等也不同。根据永磁体在转子上 的位置的不同，永磁同步电动机主要可分为：表面式和内置式。在表面式永磁同步电动机中，永磁体通常 呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，这种电机的重要特点是直、交轴的主电感相等；而内置式永磁同 步电机的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，可以保护永磁 体。这种永磁电机的重要特点是直、交轴的主电感不相等。因此，这两种电机的性能有所不同图3正弦波表面永磁 PMSM表面永磁同步电动机的特点：(1)永磁体粘接到转子铁心表面，转子转速低；(2)有效气隙较大，则同步电抗小，电枢反应小；

23、(3)气隙均匀，呈现隐极式同步电机的特点，即Ld Lq LS。电压平衡方程式与相量图：U EoRaiajXsIa图4表面永磁同步电动机向量图图5内置永磁同步电动机的转子结构示意图内置永磁同步电动机的特点：(1)永磁体被牢牢地镶嵌在转子铁心内部，适用于高速运行场合；(2)有效气隙较小，d轴和q轴的同步电抗均较大，电枢反应磁势较大，从而存在相当大的弱磁空(3)直轴的有效气隙比交轴的大(一般直轴的有效气隙是交轴的几倍)，因此，直轴同步电抗小于交 轴同步电抗，即Xd Xq。q电压平衡方程式与相量图:UEojXdIdjXqlqRaia图6正弦波内置永磁同步电动机的时空相量图无刷直流电动机的特点总结：(1

24、)定子三相绕组由电子式逆变器供电，供电频率和换流时刻取决于转子位置传感器同步的需要；(2)定子电枢绕组磁势与转子永磁体产生的磁势均以同步速旋转，两者保持相对静止且空间相互垂 直一一 最大转矩的需要；(3)电机本体为交流永磁同步电动机。2.3永磁无刷直流电动机与正弦波永磁同步电动机的比较：(1)从结构上看：对于永磁无刷直流电机，其定子三相采用集中、整矩绕组，而转子永磁体则采用表面瓦片式结构，永 磁体厚度均匀；对于正弦波永磁 PMSM,其定子三相则采用分布、正弦绕组，转子永磁体主要有两大类： 一类是表面永磁结构；另一种为内置永磁体结构，这两种结构均可确保气隙磁密的波形接近正弦。(2)从转子位置传感

25、器上看：对于永磁无刷直流电机，仅需提供六个(通常为三个)离散的转子位置反馈信息即可；对于正弦波永 磁PMSM ,需要提供连续的转子位置反馈信息。(3)从所产生的电磁转矩看：永磁无刷直流电机存在一定的转矩脉动；正弦波永磁PMSM所产生的电磁转矩基本上是恒定的。(4)从体积和重量角度看：永磁无刷直流电动机的功率密度是永磁同步电动机的1.15倍。3永磁电机发展历史世界上第一台电机就是永磁电机，所以利用永磁体来制造电机已有很悠久的历史。由于当时永磁材料 的磁性能低，制成的电机非常笨重，即被电励磁电机所取代。40年代以后，具有较高剩磁的铝馍钻和具有较高矫顽力的铁氧体永磁材料相继出现，永磁电机又获得生机，

26、在微特电机领城里占有重要位置。但铝馍钴永磁矫顽力较低、易退磁；铁氧体永磁的剩磁较低，使用范围受到一定限制。至六十年代后期第一代稀土永磁合金（SmCo5）和十年代第二代稀土永磁合金（Sm2co17）的出现，虽然原料钞与钻价格昂贵，但磁体磁性能好，使永磁电机有了较大的发展。八十年代钕铁硼稀土永磁问世，1983 年被列为世界十大重要科技成果，举世瞩目。由于钕资源丰富，以廉价的铁取代昂贵的钴，价格相对低廉，钕铁硼稀土永磁磁性能好，极大地推动了永磁电机的开发。稀土永磁磁性能优异，兼有铝镍钴和铁氧体永磁的优点，具有很高的剩磁和矫顽力，以及很大的磁能积。稀土永磁的最大磁能积比铝镍钴的大58 倍；比铁氧体的大

27、1015倍；在同样的有效体积条件下，比电励磁的大58 倍，仅次于超导励磁。且退磁曲线几乎是一条直线，回复曲线与退磁曲线基本重合，抗退磁能力强，热稳定性好（钐钴永磁），用于电机，可使电机体积缩小，重量减轻，输出功率大，效率显著提高，与电励磁电机相比，比功率（单位重量电机输出功率）大40%以上。稀土永磁连同功率电子器件和微型计算机已被公认为促进电机发展的三大支柱。稀土永磁电机的发展与应用前景广阔，大有可为。在永磁电机产品结构方面，在过去一段时间里，铝镍钴和铁氧体永磁几乎各占一半市场。今后将遵循材料互代性和竞争性原则，钕铁硼则以优异的磁性得到迅速发展。铁氧体永磁则以廉价的优势占据低档电机的市场。铝镍

28、钴应用市场将相对减少，最后大部分将被钕铁硼所取代。但由于铝镍钴温度稳定性高，在高精度测速电机等信号类微电机中仍然会占有一席之地。永磁电机的发展同永磁材料的发展密切相关。我国是世界上最早发现永磁材料的磁特性并把它应用于实践的国家，多年前，我国利用永磁材料的磁特性制成了指南针，在航海、军事等领域发挥了巨大的作用，成为我国古代四大发明之一 2。随着各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的发明，人们对永磁材料的机理、构成和制造技术进行了深入研究，相继发现了碳钢、钨钢、钴钢等多种永磁材料。特别是20 世纪 30 年代出现的铝镍钴永磁和 50 年代出现的铁氧体永磁，磁性能有了很大提高，各种微型和小型电机又纷纷

29、使用永磁体励磁。永磁电机的功率小至数毫瓦，大至几十，在军事、工农业生产和日常生活中得到广泛应用，产量急剧增加。相应地，这段时期在永磁电机的设计理论、计算方法、充磁和制造技术等方面也都取得了突破性进展，形成了以永磁体工作图图解法为代表的一套分析研究方法。但是，铝镍钴永磁的矫顽力偏低，铁氧体永磁的剩磁密度不高，限制了它们在电机中的应用范围。一直到20 世纪 60 年代和 80 年代，稀土钻永磁和钕铁硼永磁二者统称稀土永磁相继问世，它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合于制造电机，从而使永磁电机的发展进入一个新的历史时期。稀土永磁材料的发展大致分为三个阶段。1967

30、年美国教授发现的钐钴永磁为第一代稀土永磁，其化学式可表示成Rco 5，简称 1： 5型稀土永磁，产品的最大磁能积超过199 KJ / m3。 1973 年又出现了磁性能更好的第二代稀土永磁，其化学式为R2co17 。简称2： 17 型稀土永磁，产品的最大磁能积达到258.6 KJ /m3。 1983 年日本住友特种金属公司和美国通用汽车公司各自研制成功钕铁硼永磁，称为第三代稀土永磁。由于钕铁硼永磁的磁性能高于其他永磁材料，价格又低于稀土钻永磁材料，在稀土矿中钕的含量是钐的十几倍，而且不含战略物质钴，因而引起了国内外磁学界和电机界的极大关注，纷纷投入大量人力物力进行研究开发。目前正在研究新的更高

31、性能的永磁材料，如钐铁氮永磁、纳米复合稀土永磁等，希望能有新的更大的突破。与此相对应，稀土永磁电机的研究和开发大致可以分成三个阶段。第一阶段20 世纪 60 年代后期和70 年代，由于稀土钴永磁价格昂贵，研究开发重点是航空、航天用电机和要求高性能而价格不是主要因素的高科技领域。第二阶段20 世纪 80 年代，特别是1983 年出现价格相对较低的钕铁硼永磁后，国内外的研究开发重点转移到工业和民用电机上。稀土永磁的优异磁性能，加上电力电子器件和微机技术的迅猛发展，不仅使许多传统的电励磁电机纷纷用稀土永磁电机来替代，而且可以实现传统的电励磁电机所难以达到的高能。第三阶段进入20 世纪 90 年代，随

32、着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，除了大力推广和应用已有研究成果，使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等各个方面获得越来越广泛的应用外，稀土永磁电机的研究开发进入一个新阶段。一方面，正向大功率化高转速、高转矩、高功能化和微型化方向发展。另一方面，促使永磁电机的设计理论、计算方法、结构工艺和控制技术等方面的研究工作出现崭新的局面，有关的学术论文和科研成果大量涌现，形成了以电磁场数值计算和等效磁路解析求解相结合的一整套分析研究方法和计算机辅助设计软件【 6】 。美国、日本和德

33、国是开发水磁同步电动机起步较早的国家。早在本世纪50 年代，美国G E 公司就研制了一批数百瓦的微型永磁同步电动机，那时，这种电机是在鼠笼转子中加装铁氧体永磁，但由于这种磁钢的磁能积和剩磁密度都很低，其功率因数虽然提高较多，但效率提高较少；西德西门子公司，经过 10 多年的研究，采用不同的结构型式和铁氧体永磁材料，开发了多种用途的永磁同步电动机。如用于化纤设备的容量为2.5k w、 1 8 000r/m in 高速永磁同步电动机，用于变频器供电的IU A 3 系列永磁同步电动机。1973 年国际上出现了第一次能源危机，石油、燃料、电力不断涨价，能耗最严重的美国首当其冲。1975 年 7 月联邦

34、能源局FEA 委托 Atrhurd 一 iL ttle 公司对电动机的节能潜力和高效电动机的发展前景进行调查分析。1 9 7 6 年 8 月，该公司提交了一份题为能量的效率与电动机的报告，引起了美国工业部门的广泛重视。一时间，许多电机厂、研究所和大学相继开发了高效率异步电动机（效率比一般异步电动机约高4%） ，并纷纷研制高效率、高功率因数的永磁同步电动机和“功率因数控制器”等各种节能装置。可见，永磁同步电动机是一种高效节能产品已成为人们的共识，并已引起世人的广泛关注。70 年代后期，发展微型和小型永磁同步电动机已呈世界性趋势。60 年代初期和70 年代初期，第一代和第二代稀土衫钴永磁材料SmC

35、o5 和 Sm2Co17 相继问世，衫钴材料的优异磁性能给永磁电机的发展注入了新的生机。但是， 衫、 钴均为稀有金属，产量极少，因此，衫钴磁钢的价格昂贵，高达1000 元 /k g 左右。使永磁同步电动机的价格也相应提高。1978 年， 法国 CEM 公司采用瑞士BBC 公司生产的低稀土20 衫钴磁钢，研制成功ISO SYN 系列永磁同步电动机，电机的中心高 63160mm,共8个机座号，功率 0.3718.5KW ,共10个规格。与三相异 步电动机相比，该系列电机的效率提高4%一 10%，其功率因数很高，功率因数平均提高0.072，电机价格约增高35%。这种电机特别适于多机大范围同步调速的化

36、纤、纺织工业，也广泛用于水泵、风机等连续调速运转的机械。超出的价格可以从1 一 2 年电费的节省中得到补偿。我国对永磁同步电动机的研究起步较晚，但发展迅速。沈阳机电学院唐任远教授等研制成功高效率、高起动转矩的稀土永磁同步电动机。1986 年， 上海电器科学研究所开发出化纤用外转子永磁同步电动机，这是一种用于涤纶、维纶长丝高速纺机，作变速卷绕头传动装置的专用电机，调速范围1500 一 9000 r/min或1500 12720 r/min ,调速平稳，性能稳定，运行可靠。转矩有 1.50 N - m、2.35N - m、3.6 0N - m 等 1 3 个规格，可替代进口电机。另有上海工业大学、

37、华中理工大学、东南大学、一些科研所和电机厂， 也都在开展永磁同步电动机及其变频系统的研制，并在国内外兴起一个“同步、变频”系统研究热。我国的稀土资源丰富，稀土不稀，号称“稀土王国”。稀土矿石和稀土永磁的产量都居世界前列。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。因此，充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，对实现我国社会主义现代化具有重要的理论意义和实用价值。国外：80 年代、 90 年代出现了大量永磁同步电动机理论和研究方法的文章。国内： 80 年代起，以唐任远的现代永磁电机理论和设计和李钟明的稀土永磁电机为代表。4 永磁同步电机

38、国内外研究现状早期对永磁同步电机的研究主要为固定频率供电的永磁同步电机运行特性的研究，特别是稳态特性和直接起动性能的研究。永磁同步电动机的直接起动是依靠阻尼绕组提供的异步转矩将电机加速到接近同步转速， 然后由磁阻转矩和同步转矩将电机牵入同步。V.B.Honsinger 和 M.A.Rahman 等人在这方面做了大量的研究工作。上个世纪八十年代国外开始对逆变器供电的永磁同步电动机进行深入的研究。逆变器供电的永磁同步电机与直接起动的永磁同步电机的结构基本相同，但在大多数情况下无阻尼绕组。阻尼绕组有以下特点：第一， 阻尼绕组产生热量，使永磁材料温度上升；第二， 阻尼绕组增大转动惯量、使电机力矩惯量比

39、下降；第三，阻尼绕组的齿槽使电机脉动力矩增大。在逆变器供电情况下，永磁同步电机的原有特性将会受到影响， 其稳态特性和暂态特性与恒定频率下的永磁同步电机相比有不同的特点。1980 年后发表了大量的论文研究永磁同步电机的数学模型、稳态特性、动态特性。A.V.Gumaste 等研究了电压型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性及电流型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性。随着对永磁同步电机调速系统性能要求的不断提高，需要设计出高效率、高力矩惯量比、高能量密度的永磁同步电机，G.R.Slemon 等人针对调速系统快速动态性能和高效率的要求，提出了现代永磁同步电机的设计方法。随着微型计算机技术的发展，永磁同步

40、电动机矢量控制系统的全数字控制也取得了很大的发展。D.Naunin 等研制了一种永磁同步电动机适量控制系统，采用了十六位单片机8097 作为控制计算机，实现了高精度、高动态响应的全数字控制。八十年代末，九十年代初B.K.Bose 等发表了大量关于永磁同步电动机矢量控制系统全数字控制的论文。永磁同步电动机矢量控制系统转速控制器大多采用比例积分( PI)控制。PI控制器具有结构简单，性 能良好，对被控制对象参数变化不敏感等优点。1991年，R.B.Sepe首次在转速控制器中采用自校正控制。早期自适应控制主要应用于直流电机调束系统。国立台湾大学刘天华等首次将鲁棒控制理论应用于永磁同 步电动机伺服驱动

41、。电机在运行过程中，模型和参数是不断变化的，参数和模型的变化将引起控制系统性 能的降低。现代控制理论中的各种鲁棒控制技术能够使控制系统在模型和参数变化时保护良好的控制性 能。因此，将各种鲁棒控制技术运用于电机调速领域，可以大大提高调速系统的性能。在这方面，运用的 较为成功的控制技术主要有：自适应控制、变结构控制、参数辨识技术等。自适应控制技术能够发送控制对象和运行条件发生变化时控制系统的性能，N.Matsui ， J.H.Lang 等人将自适应控制技术应用于永磁同步电机调速系统。仿真和实验结果表明，自适应控制技术能够使调速系统 在电机参数发生变化时保持良好的性能。滑模变结构控制由于其特殊的“切

42、换 ”控制方式与电机调速系统中逆变器的“开关 ”模式相似，并且具有良好的鲁棒控制特性，因此，在电机控制领域有广阔的应用前景。通过对电机参数变化进行在线辨识，并运用辨识的参数对调速系统进行控制，也能够提高控制系统的鲁棒性。随着人工智能技术的发展，智能控制已成为现代控制领域中的一个重要分支，电气传动控制系统中运用智能控制技术也已成为目前电气传动控制的主要发展方向，并且将带来电气传动技术的新纪元。目前，实现智能控制的有效途径有三条：基于人工智能的专家系统(ExpertSystem);基于模糊集合理论( FuzzyLogic )的模糊控制；基于人工神经网络(Artificia1NeuraNetwork

43、 )的神经控制。B.K.Bose 等人从八十年代后期一直致力于人工智能技术在电气传动领域的应用，并取得了可喜的研究成果。永磁同步电机的发展和永磁材料的发展息息相关。新型永磁材料的出现大大促进了永磁同步电机的发展。二十世纪八十年代钕铁硼稀土永磁材料问世，由于钕资源丰富，以廉价的铁取代昂贵的钴，价格相对 低廉。钕铁硼稀土永磁材料磁性能好，极大地推动了永磁同步电机的开发。永磁同步电机伺服系统的国内外发展现状最早对永磁同步电机的研究主要集中在固定频率供电的永磁同步电机运行特性方面，尤其是对稳态特性和直接起动性能方面的研究。从80年代开始，国外开始对逆变器供电的永磁同步电动机进行研究。逆变器供电的永磁同

44、步电机与直接起动的永磁同步电机的结构基本相同，但在大多数情况下无阻尼绕组。无阻尼绕组可以防止永磁材料温度上升，使电机力矩惯量比上升，电机脉动力矩降低等优点。在逆变器供电情 况下，永磁同步电机的原有特性将会受到影响，其稳态特性和暂态特性与恒定频率下的永磁同步电机相比 有不同的特点。G. I乙Slemon等人针对调速系统快速动态性能和高效率的要求，提出了现代永磁同步电机的设计方法，设计出了高效率、高力矩惯量比、高能量密度的永磁同步电动机，使永磁同步电动机伺服驱动性能得到了 提高。D. Nuanin等研制了一种永磁同步电动机矢量控制系统，采用16位单片机8097作为控制器，实现高精度、高动态响应的全

45、数字控制。永磁同步电动机矢量控制系统转速控制器大多采用比例积分（N）控制。N控制器具有结构简单、性能良好，对被控制对象参数变化不敏感等优点。自适应控制技术能够改善控制 对象和运行条件发生变化时控制系统的性能。N. Matsui, J. H. lang等人将自适应控制技术应用于永磁同步电动机调速系统。仿真和实验结果表 明，自适应控制技术能够使调速系统在电动机参数发生变化时保持良好的性能。通过对电动机参数变化进 行在线辨识，并运用辨识的参数对调速系统进行控制，也能够提高控制系统的鲁棒性。B. K. Bose等人一直致力于人工智能技术在电气传动领域的应用，并取得了很好的研究成果。与此同时，国外一些著

46、名的公 司，如日本的FANUC、安川、富士通、松下，美国的 AB公司、科尔摩根公司，德国的西门子公司，法国 的BBS司、韩国三星公司等不断推出交流伺服驱动产品。随着DSP技术的飞速发展，永磁同步伺服系统的数字化正在快速地进行着。天津大学、华中科技大学、沈阳工业大学等研究了单片机或DSP构成的全数字交流伺服系统，采用预测控制和空间矢量控制技术，改善电流控制性能和系统响应精度，并开发了数字伺 服系统。数字控制技术的应用，不仅使系统获得高精度、高可靠性，还为新型控制理论和方法的应用提供 了基础。设计方面如范坚坚181等以降低加工难度与优化气隙磁通密度为目标，设计了表贴式极间隔断Halbach型磁钢的

47、永磁同步电机的多目标设计方法；皮秀191等与以往针对给定的永磁同步电动机分析其弱磁性能不同，讨论了满足特定的弱磁性能要求的电机参数的设计；张程设计了一种采用永磁同步电机驱动、STM32处理器、空间磁场定向控制技术（FOC）和空间电压矢量脉宽调制技术等开发的专用驱动器，实现永磁同步电机的数字化变频调速，大大降低了驱动器成本；刘治钢等设计了神经网络自适应滑模控制器。用RBF神经网络自动调整滑模控制器的切换项增益，无需建立包含参数摄动和干扰在内的整个系统的精确数学模 型，有效提高了系统的稳定性和鲁棒性；Shi-Uk Chung皿】等一种绕组和转子新的安排设计方式减少了双凸极永磁直线同步电机的力矩波动

48、和减弱了磁场不平衡等等。优化方面如 G. H. Lee等通过分析扭矩波动的缘由，通过电流补偿使力矩波动最小的优化控制；WUZhihong等通过使用神经网络以速度和力矩作为输入，正交轴电流作为输出达到最优效率的永磁同步电机 控制；赵朝会等针对切向结构永磁同步电机漏磁大、结构复杂的缺陷，利用有限元分析方法探讨了引 入辅助磁极后非导磁衬套等后的结构优化等等。控制方面国内外展开了大量的研究，主要集中在矢量控制、直接转矩控制、无传感器控制、弱磁控制 和解耦控制等方面。张绍等采用双空间矢量调制的矩阵变换器-永磁同步电机系统取得了良好的控制效果与较好的网侧性能， 加入的电流补偿环节效果明显；Yongchan

49、g Zhang 1121等通过采用改进的直接转矩控制降低了转矩和磁通波动，同时获得了简化和较强的鲁棒性；谷善茂等对近年提出的多种估算永磁同步电动机 转子位置、速度的方法进行了综述，比较了各种无传感器方法的优缺点；朱磊等介绍了弱磁控制理论建立 和发展的历程，对比列举了当前多种以双电流环PI调节为基础的弱磁控制策略，分析了创门在高倍转速弱磁应用中遇到的瓶颈和原因；刘刚等为了解决电机参数变化和负载扰动的不确定性、影响基于非线性解耦 控制的永磁同步电机调速系统性能的问题，提出了一种带干扰抑制的永磁同步电机调速系统非线性解耦控 制方法等等。诊断方面研究的不多，关键是目前的诊断技术还有待发展I13,o田静

50、等建立了有效的故障诊断模型；Byoung-Gun Park”41等使用了递推最小二乘算法去评估永磁同步电机中的每相绕组中的电阻进行故障诊断； Jawad Ahmed Farooq等建立了永磁同步电机模型去诊断绕组匝见短路故障，一系列的仿真证明了它的有效 性等等。BLDCM研究现状永磁无刷直流电动机与传统有刷直流电动机相比，是用电子换向取代原直流电动机的机械换向，并将 原有刷直流电动机的定转子颠倒(转子采用永磁体)从而省去了机械换向器和电刷，其定子电流为方波， 而且控制较简单，但在低速运行时性能较差，主要是受转矩脉动的影响。引起转矩脉动的因素很多，主要有以下原因：(1)电枢反应引起的转矩脉动减弱

51、或克服这种原因造成转矩脉动采用的方法是适当增大气隙，设计磁路时使电机在空载时达到足够 饱和，以及电机选择瓦形或环形永磁体径向励磁结构等。(2)电流换相引起的转矩脉动其抑制措施是通过选择适当的电机转速来削弱换相转矩脉动的影响，或采用重叠换相法来抑制相电流 换相引起的转矩脉动。(3)齿槽效应引起的转矩脉动减弱齿槽效应最普通的方法是合理地选择极槽配合，要么采用斜槽， 或转子采用斜极，另外还可适当增大气隙，采用分数槽也有助于减少齿槽转矩脉动如果制造无槽电机则是 一种最有效的方法。(4)电流调节误差引起的转矩脉动克服这种原因所造成的转矩脉动可通过改进电流控制方法来提高电流控制的精度，以减小电流脉动， 从

52、而把由电流调节引起的转矩脉动降到最低限度。不过，要想找到更精确的电流控制方法，还需在实践中 进行更深入的探索和研究。(5)机械加工因素引起的转矩脉动譬如，制造电机所用材料的不一致性、转子的偏心、各相绕组的不对称等都易引起转矩的脉动，可以 采用选择高质量材料，提高工艺加工水平的办法来减弱它的影响。PMSM的研究现状虽然BLDCM比PMSM具有控制简单，成本低，检测简单等优点，但因为 BLDCM的转矩脉动比较 大，铁心损耗也较大，所以在低速直接驱动场合的应用中，PMSM的性能比BLDCM及其它交流伺服电动机优越得多。不过在发展高性能 PMSM中也遇到几个“瓶颈”问题有待于作更深入的研究和探索。存在

53、的 主要问题如下：(1) PMSM在使用过程中出现 退磁现象，而且在低速时也存在齿槽转矩对其转矩波动的影响。(2)检侧误差对控制器调节性能有影响，发展高精度的速度及位置检侧器件和实现无传感器检测的 方法均可克服这种影响。(3)以PMSM作为执行元件构成的永磁交流伺服系统，由于PMSM本身就是具有一定非线性、强藕合性和时变性的 “系统”，同时其伺服对象也存在较强的不确定性和非线性，加之系统运行时易受到不同 TOC o 1-5 h z 程度的干扰，因此采用先进控制策略，先进的控制系统实现方式如基于控制，以从整体上提高系统的“智能化、数字化”水平，这应是当前发展高性能PMSM伺服系统的一个主要的 “

54、突破口发展成果我国十分重视钛铁硼永磁电机的研究开发，并列入了国家“863”攻关计划。经过多年的研究开发，取得了丰硕成果，开发了5种类型22个典型规格的高性能永磁同步电机样机。3种典型规格的高效、高起动转矩永磁同步电动机样机，成功地解决了起动转矩高、节能效果好、高温不退磁和成本合理这 4项互相制约的矛盾。表1给出了我国开发的用于油田抽油机的37 kW稀土永磁同步电机与感应电动机的性能比较。表2给出了我国新近开发的用于风机、泵类作业中功率为1120 kW的稀土永磁同步电动机与感应电动机和电励磁同步电动机的性能对比I15,o表1 37 kW永磁同步电动机与感应电动机性能比较性能指标永磁同步电机感应电

55、机额定效率%95.691额定功率因数0.960.79堵转转矩（倍）3.21.8失步转矩（倍）2.82.0（2）化纤机械用高效高牵入同步被铁硼永磁同步电动机（6个规格）。与现有电机相比，所开发电机的功率因数、效率和最大转矩倍数都有不同程度的提高，失步转矩是原有的3.59倍，牵入转矩提高了 3倍。（3）机床主轴用7.5 kW高恒功率调速比铉铁硼永磁同步电动机和驱动系统。开发的永磁同步电动机 调速系统的调速范围为 0.4 r/min9000 r/min（国内同规格的主轴感应电动机的调速范围仅为8 r/min8000r/min ）,恒功率调速比达到1： 6。（4）电动汽车用永磁同步电动机和驱动系统。开

56、发的7.5 kW轻微型电动客车用永磁同步电动机系统，电机重量为45 kg,磁体用量为0.92 kg,额定转速为3000 r/min ,最高转速5500 r/min。样机系统整体额定 效率达89.1%, 1 h持续转矩密度为 0.74 N - m/kg （风冷），15 min持续转矩密度为 1.123 N - m/kg （日本 AISIM AW 样机1 h持续转矩密度为 0.78 N - m/kg）（油冷），15 min持续转矩密度为 1.178 N - m/kg。表2 1 120 kW永磁同步电机与感应电机、电励磁同步电机的性能对比性能指标永磁同步电机感应电机电励磁同步电机额定效率%96.59

57、4.495.0额定功率因数0.940.880.90堵转转矩（倍）2.21.61.7失步转矩（倍）2.01.61.7牵入转矩（倍）1.860.7冷去方式风冷风冷水冷（5）高起动能力被铁硼永磁起动机电机（4个规格样机）。所开发的电机把原来永磁磁极的一部分换为廉价的软铁辅助磁极，节省被铁硼永磁材料约30%。（6）美国GM与Unique Mobility公司曾联合对峰值功率100 kW的异步电机和永磁同步电机驱动系统做过比较，结果参见表 3I16,o表3异步电机与永磁同步电机驱动系统比较参数异步电机永磁同步电机峰值功率/kW100100总重/kg3628功率/重量比0.41功率/体积比1.43.3效率

58、（额定功率）/%9092效率（峰值功率）/%7585因此在电动车驱动方面具有较高的应用价值，已经受到国内外电动汽车界的高度重视，并在日本得到了普遍的应用，比如铃木every EV、日产Hyper Mini、丰田RAV4 EV、本田EV Plus等等。也在有轨机车、航空航天、电梯、家用电器、航海等领域应用较广。进过上述的对比分析，永磁同步电机是一种比较理想的电动汽车驱动系统。它的研究热点、发展现状和趋 势也值得关注。5 永磁同步电机存在问题在开发高性能永磁同步电机过程中，取得上述成果的同时，也得到了一些问题，有待于更深入地研究和探索。（ 1 ）不可逆退磁问题如果设计或使用不当，永磁同步电机在过高

59、（钕铁硼永磁）或过低（铁氧体永磁）温度时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或在剧烈的机械振动时有可能产生不可逆退磁，或叫失磁，使电机性能下降，甚至无法使用。因此，既要研究开发适用于电机制造厂使用的检查永磁材料热稳定性的方法和装置，又要分析各种不同结构型式的抗去磁能力，以便设计和制造时，采用相应措施保证永磁同步电机不失磁。（ 2）成本问题铁氧体永磁同步电机由于结构工艺简单、质量减轻，总成本一般比电励磁电机低，因而得到了广泛应用。由于稀土永磁目前的价格还比较贵，稀土永磁电机的成本一般比电励磁电机高，这需要用它的高性能和运行费用的节省来补偿。在设计时既需要根据具体使用场合和要求进行性能、价格的比较后

60、取舍，又要进行结构工艺的创新和设计优化，以降低成本。（ 3）控制问题永磁同步电机不需外界能量即可维持其磁场，但这也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。但是随着MOSFET 、 IGBT 等电力电子器件和控制技术的发展，大多数永磁同步电机在应用中，可以不进行磁场控制而只进行电枢控制。设计时需把永磁材料、电力电子器件和微机控制三项新技术结合起来，使永磁同步电机在崭新的工况下运行。此外，以永磁同步电机作为执行元件的永磁交流伺服系统，由于永磁同步电机本身是具有一定非线性、强耦合性和时变性的系统，同时其伺服对象也存在较强的不确定性和非线性，加之系统运行时易受到不同程度的干扰，因此采用先进控制策略、先进的