機電傳動永磁同步電動機

1、新型特種電機及其發(fā)展趨勢新型特種電機及其發(fā)展趨勢永磁同步電機永磁同步電機一一 概概 述述一一 概概 述述過去的電力拖動中，很少采用同步電動機，其過去的電力拖動中，很少采用同步電動機，其主要原因是同步電動機不能在電網(wǎng)電壓下自行起主要原因是同步電動機不能在電網(wǎng)電壓下自行起動，靜止的轉子磁極在旋轉磁場的作用下，平均動，靜止的轉子磁極在旋轉磁場的作用下，平均轉矩為零。人們亦知道變頻電源可解決同步電動轉矩為零。人們亦知道變頻電源可解決同步電動機的起動和調速問題，但在機的起動和調速問題，但在7070年代以前，變頻電年代以前，變頻電源是可想而不可得的設備。所以，過去的電力拖源是可想而不可得的設備。所以，過去

2、的電力拖動中，很少看到用同步電動機作原動機。在大功動中，很少看到用同步電動機作原動機。在大功率范圍內(nèi)，偶爾也有同步電動機運行的例子，但率范圍內(nèi)，偶爾也有同步電動機運行的例子，但它往往是用來改善大企業(yè)的電網(wǎng)功率因數(shù)。它往往是用來改善大企業(yè)的電網(wǎng)功率因數(shù)。隨著科學技術的進步隨著科學技術的進步, ,新技術新材料的不斷涌新技術新材料的不斷涌現(xiàn)現(xiàn), ,使得永磁同步電機的研究和開發(fā)成為可能使得永磁同步電機的研究和開發(fā)成為可能, ,永永磁同步電機具有以下特點磁同步電機具有以下特點: : (1) (1)永磁同步電機（永磁同步電機（PMSMPMSM）可以用一個與電源）可以用一個與電源頻率同步的恒定速度進行旋轉，

3、而不受負載和線頻率同步的恒定速度進行旋轉，而不受負載和線路電壓的影響。電機運行可以保持恒定的，與電路電壓的影響。電機運行可以保持恒定的，與電源頻率同步的速度，只要轉矩不超過電機的極限源頻率同步的速度，只要轉矩不超過電機的極限運行值。因此，運行值。因此，PMSM PMSM 是高精度定速驅動的理想選是高精度定速驅動的理想選擇。三相擇。三相PMSM PMSM 是一種永勵電機。它能產(chǎn)生非常高是一種永勵電機。它能產(chǎn)生非常高的功率密度、非常高的效率和極好的響應，所以的功率密度、非常高的效率和極好的響應，所以能適應機械工程領域中最復雜的應用。能適應機械工程領域中最復雜的應用。一一 概概 述述(2)(2)它還

4、具有很強的過載能力。它還具有很強的過載能力。PMSM PMSM 基本上基本上不需要維護，因此可以確保最高效的運行。高精不需要維護，因此可以確保最高效的運行。高精確的速度規(guī)定使確的速度規(guī)定使PMSM PMSM 成為特定工業(yè)過程的理想選成為特定工業(yè)過程的理想選擇。擇。PMSM PMSM 的速度的速度/ /轉矩特性非常適用于直接驅動轉矩特性非常適用于直接驅動大馬力、低轉速的負載。大馬力、低轉速的負載。 (3) PMSM (3) PMSM 舍棄了勵磁線圈，而且轉子的轉速舍棄了勵磁線圈，而且轉子的轉速與定子磁場的轉速相同。與定子磁場的轉速相同。PMSM PMSM 的這種設計可以消的這種設計可以消除轉子銅

5、損，與傳統(tǒng)的感應電機相比可以產(chǎn)生極除轉子銅損，與傳統(tǒng)的感應電機相比可以產(chǎn)生極高的效率峰值。高的效率峰值。PMSMPMSM的功率重量比也高于感應電的功率重量比也高于感應電機。機。一一 概概 述述但永磁同步電機存在最大轉矩受永磁體去磁約但永磁同步電機存在最大轉矩受永磁體去磁約束、抗震能力差、高轉速受限制、功率較小、轉束、抗震能力差、高轉速受限制、功率較小、轉矩脈動的大、成本高和起動困難等缺點。針對永矩脈動的大、成本高和起動困難等缺點。針對永磁同步電動機的一些缺點，尤其是其去磁、轉矩磁同步電動機的一些缺點，尤其是其去磁、轉矩脈動、起動困難等問題，脈動、起動困難等問題，國內(nèi)外的學者做了大量國內(nèi)外的學者

6、做了大量的研究，并取得了一定的成果！的研究，并取得了一定的成果！一一 概概 述述8080年代初釹鐵硼稀土永磁材料具有高的剩磁年代初釹鐵硼稀土永磁材料具有高的剩磁感應強度，高的矯頑力，高的磁能積，這些特點感應強度，高的矯頑力，高的磁能積，這些特點特別適合在電機中使用。與電磁式同步電動機相特別適合在電機中使用。與電磁式同步電動機相比較，稀土永磁同步電動機具有以下優(yōu)點：比較，稀土永磁同步電動機具有以下優(yōu)點：（1 1）稀土永磁同步電動機無需電流勵磁）稀土永磁同步電動機無需電流勵磁, ,不設不設電刷和滑環(huán)電刷和滑環(huán), ,因此結構簡單、使用方便、可靠性高。因此結構簡單、使用方便、可靠性高。使得稀土永磁同步

7、電動機轉子上無勵磁損耗，無使得稀土永磁同步電動機轉子上無勵磁損耗，無電刷和滑環(huán)之間的磨擦損耗和接觸電損耗。因此，電刷和滑環(huán)之間的磨擦損耗和接觸電損耗。因此，稀土永磁同步電動機的效率比電磁式同步電動機稀土永磁同步電動機的效率比電磁式同步電動機要高，并且其功率因數(shù)可以設計在要高，并且其功率因數(shù)可以設計在1.01.0附近。附近。一一 概概 述述( (2 2) )稀土永磁同步電動機轉子結構多樣稀土永磁同步電動機轉子結構多樣性，結性，結構靈活，而且不同的轉子結構往往帶來自身性能構靈活，而且不同的轉子結構往往帶來自身性能上的特點，因而稀土永磁同步電動機可根據(jù)使用上的特點，因而稀土永磁同步電動機可根據(jù)使用需

8、要選擇不同的轉子結構形式。需要選擇不同的轉子結構形式。( (3 3) )稀土永磁同步電動機在一定功率范圍內(nèi)，稀土永磁同步電動機在一定功率范圍內(nèi)，可以比電磁式同步電動機具有更小的體積和重量?？梢员入姶攀酵诫妱訖C具有更小的體積和重量。一一 概概 述述二結構和工作原理二結構和工作原理二二 結構和工作原理結構和工作原理1. 1. 結構結構永磁同步電動機由定子，轉子和端蓋等部件構永磁同步電動機由定子，轉子和端蓋等部件構成。定子與普通同步電機基本相同，轉子由永磁成。定子與普通同步電機基本相同，轉子由永磁體構成，從而省去了勵磁線圈、滑環(huán)和電刷。按體構成，從而省去了勵磁線圈、滑環(huán)和電刷。按照永磁體在轉子上位

9、置的不同，常用的永磁同步照永磁體在轉子上位置的不同，常用的永磁同步電機的轉子磁路結構一般可以分為三種：凸裝式、電機的轉子磁路結構一般可以分為三種：凸裝式、嵌入式和內(nèi)埋式。凸裝式（圖嵌入式和內(nèi)埋式。凸裝式（圖 1a1a）轉子磁路中，）轉子磁路中，永磁體呈瓦片形，安裝在轉子外表面上，提供徑永磁體呈瓦片形，安裝在轉子外表面上，提供徑向磁通。嵌入式向磁通。嵌入式( (圖圖1b)1b)轉子結構將永磁體嵌在轉轉子結構將永磁體嵌在轉子表面下面。內(nèi)埋式子表面下面。內(nèi)埋式( (圖圖1c)1c)轉子結構永磁體埋裝轉子結構永磁體埋裝在轉子鐵芯內(nèi)部。在轉子鐵芯內(nèi)部。圖圖1 1 永磁同步電機基本結構永磁同步電機基本結構

10、永磁材料的磁導率與空氣幾乎相等，所以凸出永磁材料的磁導率與空氣幾乎相等，所以凸出式轉子結構在電磁性能上屬于隱極轉子結構，而式轉子結構在電磁性能上屬于隱極轉子結構，而嵌入式轉子的相鄰兩磁極之間有磁導率很大的鐵嵌入式轉子的相鄰兩磁極之間有磁導率很大的鐵磁材料，因此在電磁性能上屬于凸極轉子結構。磁材料，因此在電磁性能上屬于凸極轉子結構。二二 結構和工作原理結構和工作原理2 2 工作原理工作原理（1 1）永磁同步發(fā)電機，在原理上就是在同步永磁同步發(fā)電機，在原理上就是在同步發(fā)電機中用永磁體取代傳統(tǒng)的電激磁磁極。三相發(fā)電機中用永磁體取代傳統(tǒng)的電激磁磁極。三相對稱的電樞繞組充當功率繞組，成為感應電勢或對稱的

11、電樞繞組充當功率繞組，成為感應電勢或者感應電流的載體。原動機拖動轉子旋轉（給電者感應電流的載體。原動機拖動轉子旋轉（給電機輸入機械能），極性相間的永磁磁場隨軸一起機輸入機械能），極性相間的永磁磁場隨軸一起旋轉并順次切割定子各相繞組（相當于繞組的導旋轉并順次切割定子各相繞組（相當于繞組的導體反向切割永磁磁場）。由于電樞繞組與主磁場體反向切割永磁磁場）。由于電樞繞組與主磁場之間的相對切割運動，電樞繞組中將會感應出大之間的相對切割運動，電樞繞組中將會感應出大小和方向按周期性變化的三相對稱交變電勢。通小和方向按周期性變化的三相對稱交變電勢。通過引出線，即可提供交流電源。過引出線，即可提供交流電源。二二

12、 結構和工作原理結構和工作原理每相感應電勢的有效值為：每相感應電勢的有效值為：感應電勢的頻率決定于同步電機的轉速感應電勢的頻率決定于同步電機的轉速n n和極和極數(shù)數(shù)p p ，即：，即： 交變性與對稱性：由于旋轉磁場極性相間，交變性與對稱性：由于旋轉磁場極性相間，使得感應電勢的極性交變；由于電樞繞組的對稱使得感應電勢的極性交變；由于電樞繞組的對稱性，保證了感應電勢的三相對稱性。性，保證了感應電勢的三相對稱性。二二 結構和工作原理結構和工作原理（2 2）永磁同步電動機，在原理上就是在同步永磁同步電動機，在原理上就是在同步電動機中用永磁體取代傳統(tǒng)的電激磁磁極。三相電動機中用永磁體取代傳統(tǒng)的電激磁磁極

13、。三相對稱的電樞繞組通入對稱三相交流電流，產(chǎn)生一對稱的電樞繞組通入對稱三相交流電流，產(chǎn)生一個同步速度旋轉的旋轉磁場，該旋轉磁場拉著轉個同步速度旋轉的旋轉磁場，該旋轉磁場拉著轉子磁極一起以同步速度旋轉。子磁極一起以同步速度旋轉。（3 3）永磁同步電機的啟動問題。如果在永磁）永磁同步電機的啟動問題。如果在永磁同步電動機的定子上直接加上額定頻率的交流電同步電動機的定子上直接加上額定頻率的交流電流，無法直接啟動?？梢圆捎密泦雍彤惒絾恿鳎瑹o法直接啟動?？梢圆捎密泦雍彤惒絾臃椒?。方法。二二 結構和工作原理結構和工作原理三發(fā)展與現(xiàn)狀三發(fā)展與現(xiàn)狀三發(fā)展與現(xiàn)狀三發(fā)展與現(xiàn)狀科學技術的發(fā)展極大地推動了同步電

14、動機的科學技術的發(fā)展極大地推動了同步電動機的發(fā)展和應用，主要的原因有：發(fā)展和應用，主要的原因有：1 1 高性能永磁材料的發(fā)展高性能永磁材料的發(fā)展永磁材料近年來的開發(fā)很快，現(xiàn)有鋁鎳鈷、鐵永磁材料近年來的開發(fā)很快，現(xiàn)有鋁鎳鈷、鐵氧體和稀土永磁體三大類。稀土永磁體又有第一氧體和稀土永磁體三大類。稀土永磁體又有第一類釤鈷類釤鈷1 1：5 5，第二類釤鈷，第二類釤鈷2 2：1717和第三類釹鐵硼。和第三類釹鐵硼。鋁鎳鈷是本世紀三十年代研制成功的永磁材料，鋁鎳鈷是本世紀三十年代研制成功的永磁材料，雖其具有剩磁感應強度高，熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，雖其具有剩磁感應強度高，熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但它矯頑力低，抗退磁能力差

15、，而且要用貴重的但它矯頑力低，抗退磁能力差，而且要用貴重的金屬鈷，成本高，這些不足限制了它在電機中的金屬鈷，成本高，這些不足限制了它在電機中的應用。應用。鐵氧體磁體是本世紀五十年代初開發(fā)的永磁材鐵氧體磁體是本世紀五十年代初開發(fā)的永磁材料，其最大的特點是價格低廉，有較高的矯頑力，料，其最大的特點是價格低廉，有較高的矯頑力，其不足是剩磁感應強度和磁能積都較低。釤鈷稀其不足是剩磁感應強度和磁能積都較低。釤鈷稀土永磁材料在六十年代中期問世，它具有鋁鎳鈷土永磁材料在六十年代中期問世，它具有鋁鎳鈷一樣高的剩磁感應強度，矯頑力比鐵氧體高，但一樣高的剩磁感應強度，矯頑力比鐵氧體高，但釤稀土材料價格較高。釤稀土

16、材料價格較高。8080年代初釹鐵硼稀土永磁年代初釹鐵硼稀土永磁材料的出現(xiàn)，它具有高的剩磁感應強度，高的矯材料的出現(xiàn)，它具有高的剩磁感應強度，高的矯頑力，高的磁能積，這些特點特別適合在電機中頑力，高的磁能積，這些特點特別適合在電機中使用。使用。三發(fā)展與現(xiàn)狀三發(fā)展與現(xiàn)狀三發(fā)展與現(xiàn)狀三發(fā)展與現(xiàn)狀 下表是各種永磁材料性能比較。下表是各種永磁材料性能比較。2 2 電力電子技術的發(fā)展大大促進了永磁同步電動機的開發(fā)應用。電力電子技術的發(fā)展大大促進了永磁同步電動機的開發(fā)應用。半導體開關器件性能不斷提高，容量迅速增大，成本大降低，半導體開關器件性能不斷提高，容量迅速增大，成本大降低，控制電路日趨完美，它極大地推

17、動了各類電機的控制?？刂齐娐啡遮呁昝溃鼧O大地推動了各類電機的控制。7070年代出年代出現(xiàn)了通用變頻器的系列產(chǎn)品，可將工頻電源轉變?yōu)轭l率連續(xù)可調現(xiàn)了通用變頻器的系列產(chǎn)品，可將工頻電源轉變?yōu)轭l率連續(xù)可調的變頻電源，這就為交流電機的變頻調速創(chuàng)造了條件。這些變頻的變頻電源，這就為交流電機的變頻調速創(chuàng)造了條件。這些變頻器在頻率設定后都有軟起動功能，頻率會以一定速率從零上升設器在頻率設定后都有軟起動功能，頻率會以一定速率從零上升設定的頻率，而且此上升速率可以在很大的范圍任意調整，這對同定的頻率，而且此上升速率可以在很大的范圍任意調整，這對同步電動機而言就是解決了起動問題。對最新的自同步永磁同步電步電動機

18、而言就是解決了起動問題。對最新的自同步永磁同步電動機，高性能電力半導體開關組成的逆變電路是其控制系統(tǒng)的必動機，高性能電力半導體開關組成的逆變電路是其控制系統(tǒng)的必不可少的功率環(huán)節(jié)。不可少的功率環(huán)節(jié)。三發(fā)展與現(xiàn)狀三發(fā)展與現(xiàn)狀3 3. . 規(guī)模集成電路和計算機技術的發(fā)展完全改觀了現(xiàn)規(guī)模集成電路和計算機技術的發(fā)展完全改觀了現(xiàn)代永磁同步電動機的控制代永磁同步電動機的控制集成電路和計算機技術是電子技術發(fā)展的代表，集成電路和計算機技術是電子技術發(fā)展的代表，它不僅是高新電子信息產(chǎn)業(yè)的核心，又是不少傳統(tǒng)產(chǎn)它不僅是高新電子信息產(chǎn)業(yè)的核心，又是不少傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造基礎。它們的飛速發(fā)展促進了電機控制技術業(yè)的改造基礎。它

19、們的飛速發(fā)展促進了電機控制技術的發(fā)展與創(chuàng)新。的發(fā)展與創(chuàng)新。 70 70年代人們對交流電機提出了矢量控制的概念。年代人們對交流電機提出了矢量控制的概念。將交流電動機模擬成直流電動機來控制，可獲得與直將交流電動機模擬成直流電動機來控制，可獲得與直流電動機一樣良好的動態(tài)調速特性，近年來各種集成流電動機一樣良好的動態(tài)調速特性，近年來各種集成化的數(shù)字信號處理器發(fā)展很快，性能不斷改善，出現(xiàn)化的數(shù)字信號處理器發(fā)展很快，性能不斷改善，出現(xiàn)了專門用于電機控制的高性能、低價位的了專門用于電機控制的高性能、低價位的DSPDSP。三發(fā)展與現(xiàn)狀三發(fā)展與現(xiàn)狀四發(fā)展趨勢四發(fā)展趨勢四發(fā)展趨勢四發(fā)展趨勢與無刷直流電機相同與無刷

20、直流電機相同五應五應 用用五應五應 用用現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)中的驅動電機常用的有交流異步電現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)中的驅動電機常用的有交流異步電動機、有刷直流電動機和永磁同步電動機（包括動機、有刷直流電動機和永磁同步電動機（包括無刷直流電動機）三大類，它們的綜合特性比較無刷直流電動機）三大類，它們的綜合特性比較見下表。見下表。三大類電動機的綜合特性比較表三大類電動機的綜合特性比較表1 1 定速驅動定速驅動工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有大量的生產(chǎn)機械要求連續(xù)地工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有大量的生產(chǎn)機械要求連續(xù)地以大致不變的速度單方向運行，例如風機、泵、以大致不變的速度單方向運行，例如風機、泵、壓縮機、普通機床等。對這類機械以往大多采壓縮機、普通機床

21、等。對這類機械以往大多采用三相或單相異步電動機來驅動。用三相或單相異步電動機來驅動。2 2 調速驅動調速驅動有相當多的工作機械，其運行速度需要任意有相當多的工作機械，其運行速度需要任意設定和調節(jié)，但速度控制精度要求并不非常高。設定和調節(jié)，但速度控制精度要求并不非常高。這類驅動系統(tǒng)在包裝機械、食品機械、印刷機這類驅動系統(tǒng)在包裝機械、食品機械、印刷機械、物料輸送機械、紡織機械和交通車輛中有械、物料輸送機械、紡織機械和交通車輛中有大量應用。大量應用。五應五應 用用在這類調速應用領域最初用的最多的是直流在這類調速應用領域最初用的最多的是直流電動機調速系統(tǒng)電動機調速系統(tǒng) ，7070年代后隨電力電子技術和年代后隨電力電子技術和控制技術的發(fā)展，異步電動機的變頻調速迅速控制技術的發(fā)展，異步電動機的變頻調速迅速滲透到原來的直流調速系統(tǒng)的應用領域。滲透到原來的直流調速系統(tǒng)的應用領域。交流永磁同步電動機由于其體積小、重量輕、交流永磁同步電動機由于其體積小、重量輕、高效節(jié)能等一系列優(yōu)點，越來越引起人們重視，高效節(jié)能等一系列優(yōu)點，越來越引起人們重