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新聞資訊2022-05-07 10:38:38來源：
永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理與電勵(lì)磁同步電機(jī)相同，但它以永磁體提供的磁通代替后者的勵(lì)磁繞組勵(lì)磁，使電機(jī)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。近年來，永磁材料性能的改善以及電力電子技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)了新原理、新結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)的開發(fā)，有力地促進(jìn)了電機(jī)產(chǎn)品技術(shù)、品種及功能的發(fā)展，某些永磁同步電機(jī)已形成系列化產(chǎn)品，其容量從小到大，目前已達(dá)到兆瓦級(jí)，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(kuò)大，不僅在微特電機(jī)中占優(yōu)勢(shì)，而且在電力推進(jìn)系統(tǒng)中也顯示出了強(qiáng)大的生命力。
1、特點(diǎn)
永磁同步電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁具有電勵(lì)磁電機(jī)無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。
1)效率高：在轉(zhuǎn)子上嵌入永磁材料后，在正常工作時(shí)轉(zhuǎn)子與定子磁場(chǎng)同步運(yùn)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(jī)效率。
2)功率因數(shù)高：永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子中無感應(yīng)電流勵(lì)磁，定子繞組呈現(xiàn)阻性負(fù)載，電機(jī)的功率因數(shù)近于1，減小了定子電流提高了電機(jī)的效率。同時(shí)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(dòng)轉(zhuǎn)矩大：在需要大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的設(shè)備(如油田抽油電機(jī))中，可以用較小容量的永磁電機(jī)替代較大容量的Y系列電機(jī)。如果37kw永磁同步電機(jī)代替45kW的Y系列電機(jī)，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(fèi)用，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效能。
4)力能指標(biāo)好：Y系列電機(jī)在60%的負(fù)荷下工作時(shí)，效率下降15%，功率因數(shù)下降30%，力能指標(biāo)下降40%；而永磁同步電機(jī)的效率和功率因數(shù)下降甚微，當(dāng)電機(jī)只有20%負(fù)荷時(shí)，其力能指標(biāo)仍為滿負(fù)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(jī)溫升低。
6)體積小，重量輕，耗材少：同容量的永磁同步電機(jī)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(qiáng)。
2、發(fā)展現(xiàn)狀
永磁同步電機(jī)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(jìn)了永磁同步電機(jī)的發(fā)展。二十世紀(jì)八十年代釣鐵硼稀土永磁材料問世，由于釣資源豐富，以廉價(jià)的鐵取代昂貴的鈷，價(jià)格相對(duì)低廉。牧鐵硼稀土永磁材料磁性能好，極大地推動(dòng)了永磁同步電機(jī)的開發(fā)。
2.1發(fā)展成果
我國(guó)十分重視鉸鐵硼永磁電機(jī)的研究開發(fā)，并列入了國(guó)家“863”攻關(guān)計(jì)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(gè)典型規(guī)格的高性能永磁同步電機(jī)樣機(jī)。
1)3種典型規(guī)格的高效、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)樣機(jī)，成功地解決了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高、節(jié)能效果好、高溫不退磁和成本合理這4項(xiàng)互相制約的矛盾。表1給出了我國(guó)開發(fā)的用于油田抽油機(jī)的37kW稀土永磁同步電機(jī)與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的性能比較。表2給出了我國(guó)新近開發(fā)的用于風(fēng)機(jī)、泵類作業(yè)中功率為1120kW的稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的性能對(duì)比。
2)化纖機(jī)械用高效高牽入同步妝鐵硼永磁同步電動(dòng)機(jī)(6個(gè)規(guī)格)。與現(xiàn)有電機(jī)相比，所開發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)、效率和Z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(jī)床主軸用7.5kW高恒功率調(diào)速比鉸鐵硼永磁同步電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。開發(fā)的永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍為0.4r/rain~9000r/min(國(guó)內(nèi)同規(guī)格的主軸感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍僅為8000r/rein)，恒功率調(diào)速比達(dá)到1：6。
4)電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。開發(fā)的7.5kW輕微型電動(dòng)客車用永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，電機(jī)重量為45kg，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，Z高轉(zhuǎn)速5500r/min。樣機(jī)系統(tǒng)整體額定效率達(dá)89.1%，1h持續(xù)轉(zhuǎn)矩密度為0.74N
m/kg(日本AISIMAW樣機(jī)1h持續(xù)轉(zhuǎn)矩密度為0.78Nmkg)(油冷)，15min持續(xù)轉(zhuǎn)矩密度為1.178Nm/kg。
5)高起動(dòng)能力牧鐵硼永磁起動(dòng)機(jī)電機(jī)(4個(gè)規(guī)格樣機(jī))。所開發(fā)的電機(jī)把原來永磁磁極的一部分換為廉價(jià)的軟鐵輔助磁極，節(jié)省牧鐵硼永磁材料約30%
2.2存在問題
在開發(fā)高性能永磁同步電機(jī)過程中，取得上述成果的同時(shí)，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(jì)或使用不當(dāng)，永磁同步電機(jī)在過高（錢鐵硼永磁）或過低（鐵氧體永磁）溫度時(shí)，在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下，或在劇烈的機(jī)械振動(dòng)時(shí)有可能產(chǎn)生不可逆退磁，或叫失磁，使電機(jī)性能下降，甚至無法使用。
因此，既要研究開發(fā)適用于電機(jī)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(jì)和制造時(shí)，采用相應(yīng)措施保證永磁同步電機(jī)不失磁。
2）成本問題。鐵氧體永磁同步電機(jī)由于結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單、質(zhì)量減輕，總成本一般比電勵(lì)磁電機(jī)低，因而得到了廣泛應(yīng)用。由于稀土永磁目前的價(jià)格還比較貴，稀土永磁電機(jī)的成本一般比電勵(lì)磁電機(jī)高．這需要用它的高性能和運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)省來補(bǔ)償。在設(shè)計(jì)時(shí)既需要根據(jù)具體使用場(chǎng)合和要求進(jìn)行性能價(jià)格的比較后取舍，又要進(jìn)行結(jié)構(gòu)工藝的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)優(yōu)化，以降低成本。
3）控制問題。永磁同步電機(jī)不需外界能量即可維持其磁場(chǎng)，但這也造成從外部調(diào)節(jié)、控制其磁場(chǎng)極為困難。但是隨著M05「ET、IGB丁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(jī)在應(yīng)用中r可以不進(jìn)行磁場(chǎng)控制而只進(jìn)行電樞控制．設(shè)計(jì)時(shí)需把永磁材料、電力電子器件和微機(jī)控制三項(xiàng)新技術(shù)結(jié)合起來，使永磁同步電機(jī)在嶄新的工況下運(yùn)行。此外，以永磁同步電機(jī)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(jī)本身是具有一定非線性、強(qiáng)藕合性和時(shí)變性的系統(tǒng)，同時(shí)其伺服池象也存在較強(qiáng)的不確定性和非線性，加之系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)易受到不同程度的干擾，因此采用先進(jìn)控制策略、先進(jìn)的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式（如基于0Sp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(dāng)前發(fā)展高性能永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的一個(gè)主要突破口。
3、發(fā)展趨勢(shì)永磁同步電機(jī)以其效率高、比功率大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)能效果顯著等一系列優(yōu)點(diǎn)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勝、高磁性能鉸鐵硼永磁體的成功開發(fā)以及電力電子元件的進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)，稀土永磁同步電機(jī)的研究開發(fā)在國(guó)內(nèi)外又進(jìn)人了一個(gè)新的時(shí)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(jī)永磁同步電機(jī)不需要?jiǎng)?lì)磁繞組，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，磁場(chǎng)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(zhǎng)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(jī)，如美國(guó)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(jī)，外轉(zhuǎn)子型用于電動(dòng)車的7.2kw、2700Or/rain的電機(jī)。目前正在研制每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)的電機(jī)。
3.2高轉(zhuǎn)矩大功率電機(jī)
耐熱、高磁性能較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(jī)中獲得重要應(yīng)用。運(yùn)輸業(yè)和工業(yè)中諸如電動(dòng)汽車、混合型（內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)并用）動(dòng)力汽車、列車、電梯、機(jī)床、機(jī)器人等，對(duì)大功率電動(dòng)機(jī)的需求正在增長(zhǎng)。
船舶推動(dòng)電機(jī)要求低速大轉(zhuǎn)矩。德國(guó)西門子公司于1986年研制1095kW、230r/rain的六相永磁同步電動(dòng)機(jī)，用于艦船的推進(jìn)，與過去使用的直流電動(dòng)機(jī)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(jìn)電機(jī)裝于U.212潛艇試用，其長(zhǎng)度和有效體積與傳統(tǒng)的直流推進(jìn)電機(jī)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(jìn)船舶Z大安裝容量達(dá)到了2X19MW，其研制的400kW至舊MW永磁同步電機(jī)用于："Com-paetA~ipod"吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)。法國(guó)熱蒙工業(yè)公司1987年研制的400kW、500r/rain永磁電機(jī)樣機(jī)與直流電機(jī)相比，體積也減少了40%。1996年，12相、1800kW?180r/rain永磁推進(jìn)電機(jī)及控制裝置已完成研制及所有的實(shí)船試驗(yàn)。同年，英國(guó)展出了"海航"號(hào)輕型隱身護(hù)衛(wèi)艦設(shè)計(jì)模型。該艦裝有兩臺(tái)21MW永磁同步電機(jī)在巡航或隱身時(shí)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳。
3.3微型化
由于鉞鐵硼永磁的Z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(dòng)機(jī)得以實(shí)現(xiàn)，目前已開發(fā)出直徑幾毫米以下的超小型電動(dòng)機(jī)用作醫(yī)療微型機(jī)器、眼球手術(shù)用機(jī)器人手臂或管道檢查用機(jī)器人等場(chǎng)合的驅(qū)動(dòng)源?，F(xiàn)已制成外徑0.8mm、長(zhǎng)1.2mIn的世界上Z小的永磁電動(dòng)機(jī)。
3.4高功能化
在高溫、高真空度或空間狹小等特殊場(chǎng)合難以使用傳統(tǒng)電機(jī)，而稀土永磁電機(jī)可以耐高溫（指彩鉆或高耐熱性錢鐵硼磁體），且體積小，正好能滿足這些特殊要求。宇航設(shè)備中的機(jī)械手、原子能設(shè)備的檢查機(jī)器人和主導(dǎo)體制造裝置等特殊環(huán)境下工作的電動(dòng)機(jī)，需要使用高溫電動(dòng)機(jī)和高真空電動(dòng)機(jī)。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(dòng)機(jī)，直徑105mm、長(zhǎng)145mm，采用高溫特性好的Sm2Co永磁體。
4、結(jié)語
21世紀(jì)，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(shí)日益增強(qiáng)，使得永磁同步電機(jī)發(fā)展的前途一片光明，尤其是高性能稀土永磁同步電機(jī)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(huì)贏得更為廣泛的發(fā)展空間，獲得更加廣泛的應(yīng)用。
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