同步电机的应用

1、永磁同步电机的应用分析电子信息与电气工程学院11电气卓越11020312刘闯摘要：永磁同步电机在性能具有许多优势，特别是随着现代电力电子技术的发展，使得其 应用变得越来越广泛。本文主要介绍永磁同步电机的工作原理、特点并对永磁同步电机的应 用进行分析，同时指出制约永磁同步电机应用的问题和相应的解决措施。关键词：永磁同步电机；工作原理；应用1、引言随着国民经济的不断增长，高新技术也 随之蓬勃发展，永磁同步电机是众多高新技 术和高新技术产业的基础，代表了 21世纪 电机发展的方向。因此，对电机的技术要求 越来越高，永磁同步电机由于其一系列优 点，在我国各行业已得到广泛应用，开发与 推广应用高效节能同

2、步电机具有重要意义。2、永磁同步电机的结构和工作原理2.1、永磁同步电机的结构电机是以磁场为媒介的进行机械能和 电能的相互转换的电磁装置为了在电机内 建立进行机一电能转换所需要的气隙磁场， 可以有两种方法：一种是在电机绕组内通以 电流，但这既需要专门的绕组和相应的装 置，又要不断提供能量以维持电流的流动； 另一种是由永磁体来产生气隙磁场，这样既 可以简化电机结构又可以节约能量，这就是 永磁同步电机。永磁同步电机的运行原理与电励磁同 步电机相同，只是它是用永磁体代替了电励 磁，从而省去了励磁线圈、滑环与电刷，其 定子电流与绕线式同步电机基本相同。永磁同步电机的主体由转子和定子两 部分组成。其结构

3、如图1所示。电机的定子 指的是电机在运行时的不动部分，主要由硅 钢冲压片，三相对称的分布在其槽中的绕 组、固定铁心用的机壳以及端盖等部分组 成。永磁同步电机的定子和异步电动机的定 子结构基本相同。转子主要由永磁体、导磁 轭和转轴构成。永磁体贴在导磁轭上，导磁 轭为圆筒形，套在转轴上。2.2、永磁同步电机的原理同步电机，和感应电机一样是一种常用 的交流电机。特点是：稳态运行时，转子的 转速和电网频率之间有不变的关系 n= ns =60f/p，其中f为电网频率，p为电机 极数的一半，ns称为同步转速。若电网的频 率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数 而与负载的大小无关。同步电动机按转子结构分永磁

4、式、磁阻 式、磁滞式和绕线式四种基本类型。其中永 磁式由于其转子是永磁铁，结构简单，在小 功率场合得到较广泛的应用。下面以两极永 磁同步电动机为例，简要说明其原理：如图1，定子绕组中电流产生一个两极 的圆形旋转磁场，中间转子是一个两极的永 磁体，当定子磁场以同步转速按图示方向旋 转时，根据磁极间同性相斥，异性相吸原理， 转子就应当与旋转磁场一起旋转，由电机统 一理论知道，两磁场在电机稳态运行时，必 须保持相对静止，才能产生稳定的电磁转 矩，驱动电动机以同步转速旋转。其中转子 磁极轴线与定子磁极轴线之间的夹角随负 载转矩的变化而改变，称为功率角。图 1 图 2(a)(b)但永磁式同步电动机起动比

5、较困难，我 们以图2来说明这个问题。电机原来是静止 的，刚一合上电源时，电机气隙内就产生旋 转磁场，电机转子受到的力矩为T，方向与 磁场转向相同，如图2(a)示，由于转子具有 惯性，初速度又为零，所以刚开始时转子转 速极低，而定子电流所产生的旋转磁场的转 动是没有惯性的，一开始就是同步转速ns。 当旋转磁场已转了 180度时，转子还没有明 显的角位移，于是成为图2(b )中的情况，这 时转子所受到的转矩与相反，转子应以相反 方向转动。3、永磁同步电机的优点永磁同步电机具有结构简单、损耗小、 功率因素高、效率高、功率密度高等显著特 点。、功率因素高、效率高与感应电动机相比，永磁同步电动机不 需要

6、无功励磁电流，可以显著提高功率因 素，减少了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，减小或去 掉冷却风扇，使相应的风磨损耗减小，从而 使效率比同规格的感应电机提高2%-8%。同 时功率因素、效率的提高，可减少系统成本。 而且，永磁同步电动机在25%120%额定负 载范围内均可以保持较高的功率因素和效 率，使轻载运行时效果更为显著，在长期的 使用中可以大幅度地节省电能。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，结果参见下表1参数异步电机永磁同步电机峰值功率为W10010.0总重也g,36.28功率,重

7、量比0.41|功率/体积比1.4梆9092.7585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。它相比 较异步电动机而言有较多的优势。（2）、起动力矩大在需要大起动转矩的设备中，可以用较 小容量的永磁电机替代较大容量的感应电 机，较好的解决了 “大马拉小车”现象，节 省了设备的投入费用，提高了系统的运行效 能。（3）、力能指标好感应电机在60%的负荷下工作时，效率 下降15%，功率因素下降30%，力能指标下 降40%。而永磁电机在25%-120%额定负载范 围内均可保持较高的效率和功率因素。当只 有20%负荷时，其力能指标仍为满负荷的80% 以上，则使轻载运行时的节能效

8、果更为显 著。（4）、温升低、功率密度高转子无电阻损耗，定子绕组几乎不存在 无功电流，因而电机温升低，同体积、重量 的永磁电机功率可提高30%左右；同功率容 量的永磁电机体积、重量、所用材料可减少 30%左右，使永磁电机的成本优势显著。（5）、结构多样化，应用范围广永磁同步电动机由于转子结构极其多 样，产生了特点和性能各异的许许多多的品 种，从工业到农业，从民用到国防，从日常 生活到航空航天，从简单电动工具到高科技 产品，几乎无所不包。（6）、通过增加电机的励磁电流，可以实 现对电网无功补偿在电网电压U为常值，电磁功率为常值 时，励磁电流与功率因数的关系就可以由电 枢电流得到，见右图。调节励磁

9、就可以调节 同步电动机的功率因数，从而使其工作在超 前、平激、滞后三种状态。永磁同步电机U形曲线这样既提高同步电动机运行的稳定性， 又给企业带来可观的经济效益。4、永磁同步电机的主要应用随着新材料、机电一体化、电力电子技 术、计算机等各种相关新技术的发展，永磁 同步电机控制系统已经开拓了很广泛的应 用领域，实现高速、高精度、高稳定度、快 速响应、高效节能的运动控制。工农业生产中有大量的生产机械要求4.1定速连续地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 械以往大多采用三相或单相异步电动机来 驱动。异步电动机成本较低，结构简单牢靠， 维修方便，很适合该类机械的驱动

10、。但是， 异步电动机效率、功率因数低、损耗大，而 该类电机使用面广量大，故有大量的电能在 使用中被浪费了。其次，工农业中大量使用 的风机、水泵往往亦需要调节其流量，通常 是通过调节风门、阀来完成的，这其中又浪 费了大量的电能。70年代起，人们用变频器 调节风机、水泵中异步电动机转速来调节它 们的流量，取得可观的节能效果，但变频器 的成本又限制了它的使用，而且异步电动机 本身的低效率依然存在。4.2调速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。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，是当 今社会的低碳电机。已越来越引起人们重 视，

11、由于同步电机的运行特性和其控制技术 日趋成熟。中小功率的直流电动机、异步电 动机变频调速正逐步被永磁同步电动机调 速系统所取代。4.3精密控制高精度的伺服控制系统。伺服电动机在 工业自动化领域的运行控制中扮演了十分 重要的角色，应用场合的不同对伺服电动机 的控制性能要求也不尽相同。实际应用中， 伺服电动机有各种不同的控制方式，例如转 矩控制/电流控制、速度控制、位置控制等。 伺服电动机系统也经历了直流伺服系统、交 流伺服系统、步进系统，直至近年来最为引 人注目的永磁电动机交流伺服系统。最近几 年进口的各类自动化设备、自动加工装置和 机器人等绝大多数都采用永磁的交流伺服 系统。5、制约永磁同步电

12、机应用的问题及改进措施5.1制约永磁同步电机应用的问题5.1.1、启动问题同步电机的电磁转矩是定子旋转磁场 与转子磁场相互作用产生的。但它们仅仅在 相对静止时，也就是转子以同步转速旋转 时，才有恒定方向的转矩。当电动机启动时， 如果仿照异步电动机那样直接接在三相定 子绕组中通以额定频率的三相电流，那么转 子磁极还没动，但定子电枢绕组中通过三相 交流电形成的以同步转速旋转的磁场，使得 转子磁极所受的电磁转矩的方向瞬息交变， 每经过半个周期，转矩方向就改变一次，因 此转子所受的平均转矩等于零。所以同步电 机没有启动转矩，就不能自启动。、初始位宣义8初始位传1同步电机启动过程示意图5.1.2、失步问

13、题同步电机保持正常同步运行的一个必 要条件和显著标志是：它的转速必须与电网 严格对应，电动机的转子和转子磁场必须与 定子旋转磁场严格同步。这种严格的对应和 同步关系是以转轴上的转矩平衡为基础的。 但来自电网、负载以及电机本身的各种扰动 不断地破坏着电机轴上的转矩平衡关系。尽 管电机按其本身的特性，具有一定的调节能 力，以功角8的相应变化自动地调节电磁转 矩的大小，以抵消各种扰动所引起的不平 衡，使转轴上的转矩关系处于动平衡之中。 但电机的这种自动调节能力是有限度的，当 扰动大到一定程度或超过一定就会导致电 机失步。按失步原因及性质的不同，可分为 三种失步类型，即断电失步、带励失步和失 磁失步。

14、5.2改进措施5.2.1启动问题改进措施（1）、定子电流的频率由低到高逐渐增 加，最终将转子牵入同步转速。（2）、利用绝对式光电码盘或旋转变压 器获得转子磁极的初始位置，再给出相应的 启动转矩实现启动。（3）、采用带有简单磁极定位功能的增 量式编码器。（4）、在电机启动之前向定子通入直流 电，产生一个静止的磁场以便将转子转到事 先约定的零位置上，这样就完成了转子位置 初始化。5.2.2失步问题改进措施（1）、逆功率继电器的动作时限应大于 引起电机失步的极限断电时间。（2）、逆功率继电器的动作时限应大于 同步震荡的半个周期。（3）、逆功率继电器的动作时限一般不 宜大于0.5S（4）、反应定于电流

15、增大的保护。同步 电动机失步后，定于电流增大超过额定电 流。因此可由有限反时限特性的过电流器 （GI 一 10或GI 一 20系列）构成带励失步或 失磁失步保护。（5）、反应定于电压和电流之间相位角 变化的保护。带励失步时，由于电动机定于 电压和转于电动势之间夹角发生变化，故定 于电压和电流间的相位角也随着变化.失磁 失步时，电动机由正常运行时的发送无功功 率变为吸取无功功率，故定于电压和电流之 间相监角也会发生变化。因此，利用定子电 压和电流间相位角的变化，也可构成失步保 护。6、永磁同步电机应用趋势永磁同步电机是众多高新技术和高新 科技产业的基础，它与电力电子技术和微电 子控制技术相结合，

16、可以制造出许多新型 的、性能优异的机电一体化产品和设备，代 表了 21世纪电机发展的方向。（1）、向高效节能方向发展永磁电机是一种高效节能产品，平均节 电率高达10%以上，专用稀土永磁电机可高 达15%-20%。根据我国国情，高性能的稀土 永磁材料已实现产业化。（2）向机电一体化方向发展实现机电一体化的基础，是发展各种机 电一体化需用的各种高性能稀土永磁电机， 如数控机床用伺服电机，计算机用VCM音圈 电机等。变频调速稀土永磁同步电机和无刷 直流电机是机电一体化的基础。（3）向高性能方向发展现代化装备向电机工业提出各种各样 的高性能要求，如军事装备要求提供给各种 高性能信号电机，移动电站、自动

17、化装备用 伺服系统及电机，航空航天用高性能、高可 靠性永磁电机，化纤设备用高调速精度变频 调速同步电动机，数控车床、加工中心、机 器人用高调速比稀土永磁伺服电机，计算机 用高精度摆动电机及主轴电机等。（4）向专用电机方向发展电机所驱动的负载千变万化，如全部采 用通用型计算机，在某些情况下，技术经济 很不合理。因此国外大力发展专用电机，专 用电机约占总产量的80%，通用电机占20%， 而我国恰恰相反。专用电机是根据不同负载 特性专门设计的，如油田用抽油机专用稀土 永磁电机，节能率高达25%。这方面的节能 潜力很大。（5）向轻型化方向发展航空航天产品，电动车辆、数控机床、 计算机、视听产品、医疗器

18、械、便携式光机 一体化产品等，都对电机提出体积小重量轻 的严格要求。永磁同步电机以其体积小、节 能、控制性能好、又容易做成低速直流驱动， 消除齿轮减速装置，可通过频率的变化进行 调速等优点，在电梯技术上得以开发应用。 相信随着电子技术和控制技术的发展，稀土 永磁同步电机技术会朝着高效节能、机电一 体化、高性能、专用电机、轻型化的方向发展并日趋完善。7、思考永磁同步电机的应用迅速发展的原因：（1）、高性能永磁材料的发展。永磁材 料的发展极大地推动了永磁同步电动机的 开发应用。在同步电动机中用永磁体取代传 统的电激磁磁极的好处是：用永磁体替代电 激磁磁极，简化了结构，消除了转子的滑环、 电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积； 省去了激磁直流电源，消除了激磁损耗和发 热。当今中小功率的同步电动机绝大多数已 采用永磁式结构。（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。（3）、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 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， 又是不少传统产业的改造基础。它们的飞速 发展促进了电机控制技术的发展与创新。8、总结随着电子技术和控制技