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，使電機結構更為簡單。近年來，永磁材料性能的改善以及電力電子技術的進步，推動了新原理、新結構永磁同步電機的開發(fā)，有力地促進了電機產品技術、品種及功能的發(fā)展，某些永磁同步電機已形成系列化產品，其容量從小到大，目前已達到兆瓦級，應用范圍越來越廣；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：在轉子上嵌入永磁材料后，在正常工作時轉子與定子磁場同步運行，轉子繞組無感生電流，不存在轉子電阻和磁滯損耗，提高了電機效率。

2)功率因數(shù)高：永磁同步電機轉子中無感應電流勵磁，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，提高了電網品質因數(shù)，減小了輸變電線路的損耗，輸變電容量也可降低，節(jié)省了電網投資。

3)起動轉矩大：在需要大起動轉矩的設備(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，便于構成新型磁路。

8)電樞反應小，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。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”攻關計劃。經過多年的研究開發(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、高起動轉矩永磁同步電動機樣機，成功地解決了起動轉矩高、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電動機的性能比較。表2給出了我國新近開發(fā)的用于風機、泵類作業(yè)中功率為1120kW的稀土永磁同步電動機與感應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)、效率和最大轉矩倍數(shù)都有不同程度的提高，失步轉矩是原有的3.59倍，牽轉矩提高了3倍。

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

4)電動汽車用永磁同步電動機和驅動系統(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，額定轉速為3000r/min，最高轉速5500r/min。樣機系統(tǒng)整體額定效率達89.1％，1h持續(xù)轉矩密度為0.74N·m/kg(風冷)，15min持續(xù)轉矩密度為1．123N·m/kg(日本AISIMAW樣機，1h持續(xù)轉矩密度為0.78N·m／kg)(油冷)，15min持續(xù)轉矩密度為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，在沖擊電流產生的電樞反應作用下，或在劇烈的機械振動時有可能產生不可逆退磁，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構型式的抗去磁能力，以便設計和制造時，采用相應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構工藝簡單、質量減輕，總成本一般比電勵磁電機低，因而得到了廣泛應用。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。在設計時既需要根據具體使用場合和要求進行性能、價格的比較后取舍，又要進行結構工藝的創(chuàng)新和設計優(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的發(fā)展，大多數(shù)永磁同步電機在應用中，可以不進行磁場控制而只進行電樞控制。設計時需把永磁材料、電力電子器件和微機控制三項新技術結合起來，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、結構簡單、節(jié)能效果顯著等一系列優(yōu)點在工業(yè)生產和日常生活中逐步得到廣泛應用。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)在國內外又進人了一個新的時期，在理論研究和應用領域都將產生質的飛躍，目前正向超高速、高轉矩、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，結構比較簡單，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的徑向氣隙型轉子結構航空用稀土永磁發(fā)電機，外轉子型用于電動車的7.2kW、27000r/rain的電機。目前正在研制每分鐘幾十萬轉的電機。

3．2高轉矩大功率電機

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用。運輸業(yè)和工業(yè)中諸如電動汽車、混合型(內燃機與電動機并用)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、眼球手術用機器人手臂或管道檢查用機器人等場合的驅動源?，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。宇航設備中的機械手、原子能設備的檢查機器人和半導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.結語

21世紀，科學技術飛速發(fā)展，高新技術不斷涌現(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)，隨其技術的快速發(fā)展和日漸成熟，結構型式將日趨多樣化，也將會贏得更為廣泛的發(fā)展空間，獲得更加廣泛的應用。