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(jié)構(gòu)更為簡單。近年來，永磁材料性能的改善以及電力電子技術(shù)的進步，推動了新原理、新結(jié)構(gòu)永磁同步電機的開發(fā)，有力地促進了電機產(chǎn)品技術(shù)、品種及功能的發(fā)展，某些永磁同步電機已形成系列化產(chǎn)品，其容量從小到大，目前已達到兆瓦級，應(yīng)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(yōu)勢，而且在電力推進系統(tǒng)中也顯示出了強大的生命力。

1.熱點

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(yōu)點。

1)效率高：在轉(zhuǎn)子上嵌入永磁材料后，在正常工作時轉(zhuǎn)子與定子磁場同步運行，轉(zhuǎn)子繞組無感生電流，不存在轉(zhuǎn)子電阻和磁滯損耗，提高了電機效率。

2)功率因數(shù)高：永磁同步電機轉(zhuǎn)子中無感應(yīng)電流勵磁，定子繞組呈現(xiàn)阻性負載，電機的功率因數(shù)近于1，減小了定子電流，提高了電機的效率。同時功率因數(shù)的提高，提高了電網(wǎng)品質(zhì)因數(shù)，減小了輸變電線路的損耗，輸變電容量也可降低，節(jié)省了電網(wǎng)投資。

3)起動轉(zhuǎn)矩大：在需要大起動轉(zhuǎn)矩的設(shè)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37kw永磁同步電機代替45kW～55kW的Y系列電機，較好地解決了“大馬拉小車”的現(xiàn)象，節(jié)省了設(shè)備投入費用，提高了系統(tǒng)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(shù)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(shù)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(zhuǎn)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(gòu)成新型磁路。

8)電樞反應(yīng)小，抗過載能力強。

2.發(fā)展現(xiàn)狀

永磁同步電機的發(fā)展和永磁材料的發(fā)展息息相關(guān)。新型永磁材料的出現(xiàn)大大促進了永磁同步電機的發(fā)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(fā)。

2．1發(fā)展成果

我國十分重視釹鐵硼永磁電機的研究開發(fā)，并列入了國家“863”攻關(guān)計劃。經(jīng)過多年的研究開發(fā)，取得了豐碩成果，開發(fā)了5種類型22個典型規(guī)格的高性能永磁同步電機樣機。

1)3種典型規(guī)格的高效、高起動轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機樣機，成功地解決了起動轉(zhuǎn)矩高、節(jié)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(fā)的用于油田抽油機的37kW稀土永磁同步電機與感應(yīng)電動機的性能比較。表2給出了我國新近開發(fā)的用于風(fēng)機、泵類作業(yè)中功率為1120kW的稀土永磁同步電動機與感應(yīng)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(guī)格)。與現(xiàn)有電機相比，所：開發(fā)電機的功率因數(shù)、效率和最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)都有不同程度的提高，失步轉(zhuǎn)矩是原有的3.59倍，牽轉(zhuǎn)矩提高了3倍。

3)機床主軸用7.5kW高恒功率調(diào)速比釹鐵硼永磁同步電動機和驅(qū)動系統(tǒng)。開發(fā)的永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍為0.4r／rain～9000r／min(國內(nèi)同規(guī)格的主軸感應(yīng)電動機的調(diào)速范圍僅為8r／min～8000r／re_in)，恒功率調(diào)速比達到1：6。

4)電動汽車用永磁同步電動機和驅(qū)動系統(tǒng)。開發(fā)的7.5kW輕微型電動客車用永磁同步電動機系統(tǒng)，電機重量為45kg，磁體用量為0.92kg，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，最高轉(zhuǎn)速5500r/min。樣機系統(tǒng)整體額定效率達89.1％，1h持續(xù)轉(zhuǎn)矩密度為0.74N·m/kg(風(fēng)冷)，15min持續(xù)轉(zhuǎn)矩密度為1．123N·m/kg(日本AISIMAW樣機，1h持續(xù)轉(zhuǎn)矩密度為0.78N·m／kg)(油冷)，15min持續(xù)轉(zhuǎn)矩密度為1.178N·m／kg。

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

2．2存在問題

在開發(fā)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(shè)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(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下，或在劇烈的機械振動時有可能產(chǎn)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(fā)適用于電機制造廠使用的檢查永磁材料熱穩(wěn)定性的方法和裝置，又要分析各種不同結(jié)構(gòu)型式的抗去磁能力，以便設(shè)計和制造時，采用相應(yīng)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(jié)構(gòu)工藝簡單、質(zhì)量減輕，總成本一般比電勵磁電機低，因而得到了廣泛應(yīng)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(jié)省來補償。在設(shè)計時既需要根據(jù)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(jié)構(gòu)工藝的創(chuàng)新和設(shè)計優(yōu)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(diào)節(jié)、控制其磁場極為困難。但是隨著MOSFET、IGBT等電力電子器件和控制技術(shù)的發(fā)展，大多數(shù)永磁同步電機在應(yīng)用中，可以不進行磁場控制而只進行電樞控制。設(shè)計時需把永磁材料、電力電子器件和微機控制三項新技術(shù)結(jié)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(zhí)行元件的永磁交流伺服系統(tǒng)，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(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)實現(xiàn)方式(如基于DSP控制)，從整體上提高系統(tǒng)的智能化和數(shù)字化水平，這應(yīng)是當前發(fā)展高性能永磁同步電機伺服系統(tǒng)的一個主要突破口。

3.發(fā)展趨勢

永磁同步電機以其效率高、比功率大、結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能效果顯著等一系列優(yōu)點在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中逐步得到廣泛應(yīng)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(fā)以及電力電子元件的進一步發(fā)展和改進，稀土永磁同步電機的研究開發(fā)在國內(nèi)外又進人了一個新的時期，在理論研究和應(yīng)用領(lǐng)域都將產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，目前正向超高速、高轉(zhuǎn)矩、大功率、微型化、高功能化方向發(fā)展。

3．1超高速電機

永磁同步電機不需要勵磁繞組，結(jié)構(gòu)比較簡單，磁場部分沒有發(fā)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(zhuǎn)速成為可能。目前已制成(2～3)X10r/rain的電機，如美國通用電氣公司研制的150kW、23000r/min的徑向氣隙型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)航空用稀土永磁發(fā)電機，外轉(zhuǎn)子型用于電動車的7.2kW、27000r/rain的電機。目前正在研制每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)的電機。

3．2高轉(zhuǎn)矩大功率電機

耐熱、高磁性能釹鐵硼永磁材料的開發(fā)成功將使其在大功率永磁同步電機中獲得重要應(yīng)用。運輸業(yè)和工業(yè)中諸如電動汽車、混合型(內(nèi)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(zhuǎn)矩。德國西門子公司于1986年研制1095kW、230r/rain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1760kW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(tǒng)的直流推進電機相比減少40％。瑞士ABB公司已經(jīng)建造了超過300艘的電力推進船舶最大安裝容量達到了2X19MW，其研制的400kW到3MW永磁同步電機用于：“Com-paetA~ipod”吊艙式電力推進系統(tǒng)。法國熱蒙工業(yè)公司1987年研制的400kW、500r／rain永磁電機樣機與直流電機相比，體積也減少了40％。1996年，12相、1800kW、180r／rain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(wèi)艦設(shè)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(qū)動螺旋槳。

3．3微型化

由于釹鐵硼永磁的最大磁能積很高，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(xiàn)。目前已開發(fā)出直徑幾毫米以下的超小型電動機用作醫(yī)療微型機器、眼球手術(shù)用機器人手臂或管道檢查用機器人等場合的驅(qū)動源?，F(xiàn)已制成外徑0.8mm、長1.2mm的世界上最小的永磁電動機。

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(tǒng)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(shè)備中的機械手、原子能設(shè)備的檢查機器人和半導(dǎo)體制造裝置等特殊環(huán)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(fā)的有150W、3000r／min，工作在200oC～300oC高溫和133.3X10Pa真空度環(huán)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Sm2Co永磁體。

4.結(jié)語

21世紀，科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，高新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，節(jié)電、環(huán)保意識日益增強，使得永磁同步電機發(fā)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(tǒng)，隨其技術(shù)的快速發(fā)展和日漸成熟，結(jié)構(gòu)型式將日趨多樣化，也將會贏得更為廣泛的發(fā)展空間，獲得更加廣泛的應(yīng)用。