永磁同步電動(dòng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀綜述

王建設(shè)　徐榮　孫友增

摘 要：得益于稀土永磁材料及電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)以其質(zhì)量輕、效率高、體積小等優(yōu)勢(shì)，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。首先綜述了目前永磁同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用狀況，然后對(duì)永磁同步電機(jī)的類型、特點(diǎn)及設(shè)計(jì)方法和技術(shù)作了深入介紹，最后分析了永磁同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：永磁同步電動(dòng)機(jī)；稀土永磁材料；新型控制理論；無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)

中圖分類號(hào)：TM351 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.005

隨著20世紀(jì)70年代稀土永磁材料的發(fā)展，稀土永磁電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。永磁電機(jī)利用稀土永磁體勵(lì)磁，永磁體充磁后能夠產(chǎn)生永久磁場(chǎng)。它的勵(lì)磁性能優(yōu)異，因在穩(wěn)定性、質(zhì)量、降低損耗等方面都優(yōu)于電勵(lì)磁電機(jī)而動(dòng)搖了傳統(tǒng)的電機(jī)市場(chǎng)。近年來(lái)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，電磁材，料特別是稀土電磁材料性能及工藝逐漸得以提高和改善，再加上電力電子與電力傳動(dòng)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的高速發(fā)展，永磁同步電機(jī)的性能越來(lái)越好。再者，永磁同步電動(dòng)機(jī)具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、體積小、特性好、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，很多科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)都在努力積極開(kāi)展永磁同步電機(jī)的研發(fā)工作，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步擴(kuò)大。

1 永磁同步電機(jī)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀

1.1 永磁同步電機(jī)的發(fā)展基礎(chǔ)

1.1.1 高性能稀土永磁材料的應(yīng)用

稀土永磁材料經(jīng)歷了SmCo5、Sm2Co17、Nd2Fe14B三個(gè)階段?，F(xiàn)在以釹鐵硼為代表的永磁材料因其在磁學(xué)性能上表現(xiàn)優(yōu)異成為應(yīng)用最廣泛的一類稀土永磁材料。永磁材料的發(fā)展帶動(dòng)了永磁電機(jī)的發(fā)展。與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁三相感應(yīng)電機(jī)相比，永磁體替代了電激磁磁極，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，消除了轉(zhuǎn)子的滑環(huán)、電刷，實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷結(jié)構(gòu)，縮小了轉(zhuǎn)子體積。這使得電機(jī)的功率密度、轉(zhuǎn)矩密度和工作效率提高，且使電機(jī)體積變小，質(zhì)量減輕，使其應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大，促使電動(dòng)機(jī)向更大功率方向發(fā)展。

1.1.2 新型控制理論的應(yīng)用

近年來(lái)，控制算法發(fā)展很快，其中，矢量控制算法從原理上解決了交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)策略問(wèn)題，使得交流電機(jī)具有良好的控制性能。直接轉(zhuǎn)矩控制的出現(xiàn)使控制結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，以及具有對(duì)參數(shù)變化電路棒性能強(qiáng)和轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。間接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)解決了直接轉(zhuǎn)矩在低速時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的問(wèn)題，提高了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和控制精度。

1.1.3 高性能電力電子器件和處理器的應(yīng)用

現(xiàn)代電力電子技術(shù)是信息產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)間重要的接口，是弱電與被控強(qiáng)電之間的橋梁。電力電子技術(shù)的發(fā)展使驅(qū)動(dòng)控制策略得以實(shí)現(xiàn)。比如20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了通用變頻器的系列產(chǎn)品，它們能將工頻電源轉(zhuǎn)換成頻率連續(xù)可調(diào)的變頻電源，如此就為交流電的變頻調(diào)速創(chuàng)造了條件。這些變頻器在頻率設(shè)定后具有軟啟動(dòng)能力，頻率能以一定的速率從零上升到設(shè)定的頻率，并且上升速率在很大范圍內(nèi)可連續(xù)調(diào)整，解決了同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)問(wèn)題。

1.2 國(guó)內(nèi)外永磁同步電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

歷史上第一臺(tái)電機(jī)是永磁電機(jī)。當(dāng)時(shí)，永磁材料性能比較差，永磁體矯頑力和剩磁都太低，不久就被電勵(lì)磁電機(jī)取代了。到了20世紀(jì)70年代，以釹鐵硼為代表的稀土永磁材料擁有很大的矯頑力、剩磁，退磁能力強(qiáng)和較大的磁能積使大功率永磁同步電機(jī)登上歷史的舞臺(tái)?，F(xiàn)在，關(guān)于永磁同步電機(jī)的研究日趨成熟，正朝向高速度，大轉(zhuǎn)矩、大功率、高效率以及微型化、智能化發(fā)展。近年來(lái)，在永磁同步電機(jī)本體上出現(xiàn)了很多高端電機(jī)，比如1986年德國(guó)西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的230 r/min、1 095 kW的六相永磁同步電動(dòng)機(jī)。用它為艦船提供動(dòng)力，其體積比傳統(tǒng)的直流電機(jī)小近60%，損耗降低近20%. 瑞士ABB公司建造的用于艦船推進(jìn)的永磁同步電動(dòng)機(jī)最大安裝容量達(dá)38 MW。我國(guó)對(duì)永磁電機(jī)的研究起步晚，隨著國(guó)內(nèi)學(xué)者和政府的大力投入，它發(fā)展得很快。目前，我國(guó)已經(jīng)研制生產(chǎn)出3 MW高速度永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，南車株洲公司也在研制更大功率的永磁電機(jī)。

隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)在各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在由于社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)永磁同步電機(jī)的要求更加苛刻，促使永磁電動(dòng)機(jī)向著擁有更大的調(diào)速范圍和更高的精度控制發(fā)展。由于現(xiàn)在生產(chǎn)工藝的提高，具有高性能的永磁材料得到進(jìn)一步的發(fā)展。這使其成本大大降低，逐漸被應(yīng)用于生活的各個(gè)領(lǐng)域。

2 永磁同步電機(jī)特點(diǎn)及分類

2.1 永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)

永磁同步電動(dòng)機(jī)自身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，損耗低，功率因數(shù)高。與電勵(lì)磁電機(jī)相比，因?yàn)闆](méi)有電刷、換向器等裝置，不需要無(wú)功勵(lì)磁電流，因此定子電流、電阻損耗都較小，效率更高，勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩更大，能控性能更好。但存在成本高，啟動(dòng)困難等不足。由于現(xiàn)在控制技術(shù)在電機(jī)上的應(yīng)用，特別是矢量控制系統(tǒng)的應(yīng)用，永磁同步電機(jī)能實(shí)現(xiàn)大范圍調(diào)速、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)和高精度定位控制，所以永磁同步電機(jī)將會(huì)吸引更多的人進(jìn)行廣泛的研究。

2.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的分類

2.2.1 按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)形成波形的不同劃分

由于永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼形狀不一樣，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在空間分布形成的波形也有所不同，習(xí)慣上分為正弦型永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（轉(zhuǎn)子在定子上產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)是正弦波）和無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)BLDCM（轉(zhuǎn)子在定子上產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)是梯形波）。

2.2.2 按永磁體在轉(zhuǎn)子空間結(jié)構(gòu)的不同劃分

永磁同步電動(dòng)機(jī)因永磁體在轉(zhuǎn)子空間結(jié)構(gòu)的不同分表貼式和內(nèi)置式。表貼式永磁同步電動(dòng)機(jī)永磁體的形狀通常呈瓦片形，緊貼在轉(zhuǎn)子鐵芯的外表面。表貼式永磁電機(jī)的特點(diǎn)是直軸和交軸的電感相等。內(nèi)置式永磁電機(jī)的永磁體在轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部，永磁體外表面與定子鐵芯內(nèi)圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴。極靴起聚磁作用，可以提高氣隙磁密，還可以改善空載氣隙磁場(chǎng)波形。這種永磁電機(jī)的重要特點(diǎn)是直、交軸磁路不對(duì)稱。這兩種電機(jī)的性能有所不同，與表面式永磁電機(jī)相比，內(nèi)置式永磁電機(jī)具有弱磁擴(kuò)速能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、齒槽轉(zhuǎn)矩小等優(yōu)點(diǎn)。

3 現(xiàn)階段的永磁同步電動(dòng)機(jī)技術(shù)

3.1 永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)

與普通電勵(lì)磁電機(jī)相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)由于沒(méi)有電勵(lì)磁繞組、集電環(huán)和勵(lì)磁柜，不僅穩(wěn)定性、可靠性大大提高，而且效率也有很大改善。其中，內(nèi)置式永磁電機(jī)具有效率高、功率因數(shù)大、單位功率密度大、弱磁擴(kuò)速能力強(qiáng)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，成為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的理想選擇。永磁體提供永磁電機(jī)的全部勵(lì)磁磁場(chǎng)，齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)加大電機(jī)運(yùn)行時(shí)的震動(dòng)和噪聲。過(guò)大的齒槽轉(zhuǎn)矩會(huì)使電機(jī)速度控制系統(tǒng)的低速性能及位置控制系統(tǒng)的高精度定位受到影響，所以在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量通過(guò)電機(jī)優(yōu)化來(lái)減小齒槽轉(zhuǎn)矩。經(jīng)研究，減小齒槽轉(zhuǎn)矩的一般方法有改變極弧系數(shù)，減小定子的槽口寬度，斜槽、極槽配合，改變磁極位置、尺寸和形狀等。但應(yīng)該注意，在減小齒槽轉(zhuǎn)矩時(shí)，可能會(huì)對(duì)電機(jī)的其他性能造成影響，比如電磁轉(zhuǎn)矩可能會(huì)隨之變小。所以在設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量平衡好各種因素，使電機(jī)性能達(dá)到最好。

3.2 永磁同步電機(jī)仿真技術(shù)

永磁電機(jī)中永磁體的存在給設(shè)計(jì)人員計(jì)算參數(shù)帶來(lái)了難度，比如空載漏磁系數(shù)的設(shè)計(jì)、極弧系數(shù)的設(shè)計(jì)。一般利用有限元分析軟件計(jì)算優(yōu)化永磁電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)。有限元軟件能使電機(jī)參數(shù)計(jì)算很精確，且利用它分析電機(jī)參數(shù)對(duì)性能的影響是非?？尚诺?。有限元計(jì)算方法使我們計(jì)算及分析電機(jī)電磁場(chǎng)更方便、更快速、更準(zhǔn)確。這是一種數(shù)值的方法，是在差分法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，現(xiàn)已被廣泛運(yùn)用于科學(xué)和工程領(lǐng)域。用數(shù)學(xué)方法把一些連續(xù)的求解域離散成一組組單元，再在每個(gè)單元內(nèi)分片插值。這樣就形成了一個(gè)線性插值函數(shù)，即近似函數(shù)利用有限元進(jìn)行仿真分析，它可以讓我們直觀地觀察電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)磁力線走向和磁通密度的分布。

3.3 永磁同步電機(jī)控制技術(shù)

提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能對(duì)工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展同樣具有重要意義，它使系統(tǒng)處于最佳的性能驅(qū)動(dòng)，其基本特點(diǎn)體現(xiàn)在速度較小方面，尤其是在快速啟動(dòng)、靜止加速等情況下，能夠輸出較大轉(zhuǎn)矩；而在高速行駛時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的恒功率調(diào)速控制。表1為幾種主要電機(jī)性能的比較。

從表1中可以看出，永磁電機(jī)有很好的可靠性，且調(diào)速范圍寬，效率較高。如果以相應(yīng)的控制方法配合，能使電機(jī)的整個(gè)系統(tǒng)發(fā)揮最好的性能。因此，要選合適的控制算法來(lái)達(dá)到高效調(diào)速，從而使電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在相對(duì)較寬的調(diào)速區(qū)域、恒功率區(qū)間運(yùn)行。

矢量控制方法在永磁電機(jī)調(diào)速控制算法中使用較廣，它有調(diào)速范圍廣、效率高、可靠性高、穩(wěn)定性好、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、軌道交通及機(jī)床伺服等領(lǐng)域中。由于用途不同，所采用的電流矢量控制策略也是不相同的。

4 永磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方法分類

4.1 磁路法

電機(jī)中分布不勻的交變磁場(chǎng)可等效成相應(yīng)的磁路，使磁場(chǎng)計(jì)算轉(zhuǎn)化為磁路計(jì)算。由于等效磁路計(jì)算中采用較多修正系數(shù)，因此無(wú)法通過(guò)理論計(jì)算出其精確值。一般使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。如果初步設(shè)計(jì)出來(lái)的方案不滿足設(shè)計(jì)需要，設(shè)計(jì)者必須重新選定修正值再次計(jì)算。

4.2 有限元法

為使計(jì)算準(zhǔn)確，需對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行分析，比如永磁磁極形狀與尺寸、局部退磁現(xiàn)象等。用有限元軟件對(duì)電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算分析，節(jié)省了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本，為電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。計(jì)算機(jī)性能的提高使得電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算理論的各種分析方法得以發(fā)展。有限元法實(shí)質(zhì)是將問(wèn)題轉(zhuǎn)化成適合數(shù)值求解的結(jié)構(gòu)性問(wèn)題，它將無(wú)限個(gè)自由度的連續(xù)系統(tǒng)理想化成有限多個(gè)自由度單元集合。目前，最常用的有限元仿真軟件是ansoft，它能對(duì)整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真。

4.3 場(chǎng)路結(jié)合法

磁路法計(jì)算速度雖快，但是精確度不高，計(jì)算機(jī)計(jì)算精確度高，但計(jì)算較慢且對(duì)計(jì)算機(jī)要求較高。因此，將有限元法與傳統(tǒng)的磁路法相結(jié)合應(yīng)用到電機(jī)電磁的數(shù)值計(jì)算中，不僅可以提高計(jì)算效率，還可以提升精度。這對(duì)電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)有很大的實(shí)用價(jià)值。場(chǎng)路結(jié)合法的基本思路是先參考磁路計(jì)算結(jié)果，初步建立幾何模型，然后通過(guò)有限元進(jìn)行磁場(chǎng)分析，準(zhǔn)確計(jì)算出等效磁路法中需要修正的系數(shù)。

5 永磁同步電動(dòng)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

5.1 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDCM）

自20世紀(jì)80年代起，控制技術(shù)，尤其是控制理論策略發(fā)展很快，其中一些先進(jìn)的控制策略，比如滑?？刂啤⒆兘Y(jié)構(gòu)控制等正在被引入永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的控制器中。這為推動(dòng)高性能向智能化、柔性化、全數(shù)字化的發(fā)展開(kāi)辟了新途徑?，F(xiàn)在人們生活水平越來(lái)越高，保護(hù)生存環(huán)境的意識(shí)不斷增強(qiáng)，使用高性能的電機(jī)系統(tǒng)成為電機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，并且將來(lái)也會(huì)在電動(dòng)車、家用電器等小電機(jī)行業(yè)中得到更廣泛的應(yīng)用。

5.2 PMSM的發(fā)展趨勢(shì)

PMSM伺服系統(tǒng)因其自身技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域，將會(huì)朝著2個(gè)方向發(fā)展：①辦公自動(dòng)化設(shè)備、簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、家用電器及對(duì)性能要求不高的工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制等領(lǐng)域的簡(jiǎn)易、低成本伺服系統(tǒng)；②高精度數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、特種加工設(shè)備精細(xì)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，以及航空、航天用的高性能全數(shù)字化、智能化、柔性化的伺服系統(tǒng)。后者更能充分體現(xiàn)伺服系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，它將是今后發(fā)展的主要方向。

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〔編輯：劉曉芳〕