永磁同步電機研究熱點及發(fā)展趨勢

1、永磁同步電機研究的熱點及發(fā)展趨勢龔小茂西安交通大學(xué) 機碩1005班 3111003040摘要與傳統(tǒng)電機相比，永磁同步電機具有它突出的優(yōu)勢。本文對永磁同步電機的原理、結(jié)構(gòu)、優(yōu)缺點進(jìn)行了介紹，同時分析了它的研究現(xiàn)狀、熱點和未來的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：永磁同步電機 現(xiàn)狀 熱點 發(fā)展趨勢Research Hotspot and Development trend of Permanent Magnet Synchronous MotorGong XiaomaoXian Jiaotong University,Class 1005,3111003040AbstractPermanent magnet syn

2、chronous motor has its outstanding advantages in contrast to traditional motors.This paper introduces theory, structure and advantages and disadvantages of permanent magnet synchronous motor.Then analyzes its research status,hotspot and development trend in the future.Keywords: permanent magnet sync

3、hronous motor,status,hotspot,development trend1.前言由于低碳經(jīng)濟的要求、化石能源的緊缺，我國汽車需求量、保有量穩(wěn)步增長、電動汽車技術(shù)逐漸成熟、國家政策的支持因素，未來電動汽車發(fā)展前景相當(dāng)看好1-3。驅(qū)動電機作為動力系統(tǒng)的核心部件，在很大程度上可以說驅(qū)動電機性能和控制性能的好壞決定于電動機的主要性能。而目前在用或開發(fā)的電動車用電動機主要有直流電動機(DCM) 、感應(yīng)電動機( IM) 、永磁電動機( PM) 、開關(guān)磁阻電動機( SRM)四類。下面簡述一下各電機驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)缺點4-10：1）直流電機：20世紀(jì)90年代前開發(fā)的電動汽車通常采用的是直流電動

4、機驅(qū)動系統(tǒng)，如有軌和無軌電車，點叉車等等。機械特性、調(diào)速特性均為平行直線，啟動轉(zhuǎn)矩大、效率高、效率高、調(diào)速方便，動態(tài)特性好，易于控制；但是由于采用機械換向結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是電刷和換向器的滑動接觸容易引起機械磨損和火花，使直流電機的故障多、可靠性低、壽命短。保養(yǎng)維護(hù)工作量大，這大大降低了直流電動機的進(jìn)一步使用。2）感應(yīng)電機：也稱異步電機，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠、壽命長、成本低，保養(yǎng)維護(hù)簡單，缺點為調(diào)速性能差、起動轉(zhuǎn)矩小，過載能力和效率低，功率因素低調(diào)速性能感應(yīng)電動機現(xiàn)在普遍采用變頻驅(qū)動方式，常見的變頻控制技術(shù)有三種：V/F控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制。20世紀(jì)90年代以前主要以脈沖寬度調(diào)制( P

5、WM)方式實現(xiàn)V/F控制和轉(zhuǎn)差頻率控制，但這兩種控制技術(shù)因轉(zhuǎn)速控制范圍小、轉(zhuǎn)矩特性不理想,而對于需頻繁起動、加減速的電動汽車不太適用。矢量控制技術(shù)成為主流高效的控制方式。電機的電流解耦為轉(zhuǎn)矩和勵磁分量進(jìn)行分別控制，從理論上講實現(xiàn)了線性的控制特性，能夠明顯改善交流電機的轉(zhuǎn)矩輸出特性。3）開關(guān)磁阻電機： 開關(guān)磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)（SRD）是20世紀(jì)80年代初，隨著電力電子、微電腦和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型的交流無級調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)。是一種結(jié)構(gòu)簡單，制造工藝簡單，可靠性高，起動轉(zhuǎn)矩大于額定轉(zhuǎn)矩的2-3倍，起動電流?。?0%的額定電流），調(diào)速范圍廣（調(diào)速比大于20:1）等優(yōu)點。但在振動、噪聲、

6、轉(zhuǎn)矩脈動、控制方式等方面還有很多問題正在研究階段，目前應(yīng)用還受到限制。4）永磁電機：永磁電動機驅(qū)動系統(tǒng)可以分為無刷直流電動機(BLDCM)系統(tǒng)和永磁同步電動機(PMSM)系統(tǒng)。無刷直流電動機轉(zhuǎn)子采用鐵磁或稀土永磁材料，低慣量，高效率（轉(zhuǎn)子發(fā)熱量?。]有電刷和機械換向器帶來的一系列問題（機械噪聲、火花、電磁干擾、壽命短）。具有動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強、體積小、效率高、控制方便等優(yōu)點。但永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時，其導(dǎo)磁性能可能會下降或發(fā)生退磁現(xiàn)象，將降低永磁電動機的性能，嚴(yán)重時還會損壞電動機。在高性能家用電器、計算機外設(shè)、輕工機械、交通用設(shè)備和機器人驅(qū)動上都有廣泛應(yīng)用。永磁同步電動機

7、的運行原理與電勵磁同步電動機相同，但它以永磁體提供的磁通替代后者的勵磁繞組勵磁。具有無電流勵磁，無電刷和滑環(huán)；損耗低，效率高；功率因素高；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)多樣，靈活；體積小，重量輕；起動轉(zhuǎn)矩大等等優(yōu)點。美國GM與Unique Mobility公司曾聯(lián)合對峰值功率100 kW的異步電機和永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)做過比較，結(jié)果參見表111。表1異步電機與永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)比較參數(shù)異步電機永磁同步電機峰值功率/kW100100總重/kg3628功率/重量比0.41功率/體積比1.43.3效率(額定功率)/%9092效率(峰值功率)/%7585因此在電動車驅(qū)動方面具有較高的應(yīng)用價值，已經(jīng)受到國內(nèi)外電動汽車界的高

8、度重視，并在日本得到了普遍的應(yīng)用， 比如鈴木every EV、日產(chǎn)Hyper Mini、豐田RAV4 EV、本田EV Plus等等12-13。也在有軌機車14、航空航天15、電梯16、家用電器17、航海等領(lǐng)域應(yīng)用較廣。進(jìn)過上述的對比分析，永磁同步電機是一種比較理想的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)。它的研究熱點、發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢也值得關(guān)注。同時，我國是盛產(chǎn)永磁材料的國家18，特別是稀土永磁材料鉸鐵硼資源在我國非常豐富，稀土礦的儲藏量為世界其他各國總和的4倍左右，號稱“稀土王國”。對我國來說，永磁同步電動機有很好的應(yīng)用前景。充分發(fā)揮我國稀土資源豐富的優(yōu)勢，大力研究和推廣應(yīng)用以稀土永磁電機為代表的各種永磁電機，對實

9、現(xiàn)我國社會主義現(xiàn)代化具有重要的理論意義和實用價值。2永磁同步電機結(jié)構(gòu)和工作原理簡介永磁同步電機的結(jié)構(gòu)如圖1所示。主體是由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成。電機的定子指的是電機在運行過程中不動部分，主要是由硅鋼沖壓片，三相對稱地分布在其槽中的繞組、固定鐵心用的機殼以及端蓋等部分組成。永磁同步電機的定子和異步電動機的定子結(jié)構(gòu)基本相同。轉(zhuǎn)子主要山永磁體、導(dǎo)磁扼和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成。永磁體貼在導(dǎo)磁扼上，導(dǎo)磁扼為圓筒形，套在轉(zhuǎn)軸上。永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子磁鋼的幾何形狀不同，使得轉(zhuǎn)子磁場在空間的分布可分為正弦波和梯形波兩種。習(xí)慣上又把正弦波永磁同步電動機組成的調(diào)速系統(tǒng)稱為正弦型永磁同步電動機(PMSM)調(diào)速系統(tǒng)，而由梯形波(方波

10、)永磁同步電動機組成的調(diào)速系統(tǒng)，在原理和控制方法上與直流電動機系統(tǒng)類似，故稱這種系統(tǒng)為無刷直流電動機(BLDCM)調(diào)速系統(tǒng)。永磁同步電機又可以根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置的不同，永磁同步電動機主要可分為：表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（又細(xì)分為表面凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和表面插入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)）和內(nèi)置式（又細(xì)分為徑向式、切向式和混合式）。圖1 永磁同步電機結(jié)構(gòu)工作原理是：當(dāng)定子繞組中通入由三相逆變器經(jīng)脈沖調(diào)制的共相交流電源后，繞組內(nèi)產(chǎn)生個旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場與永磁體間發(fā)生相互作用，使轉(zhuǎn)子（電機軸旋轉(zhuǎn)）。其電機轉(zhuǎn)速為n=60f/p，f為電流頻率，P為極對數(shù)。3發(fā)展和研究現(xiàn)狀3.1發(fā)展現(xiàn)狀新型永磁材料的出現(xiàn)大大促進(jìn)了永磁同步電機的

11、發(fā)展，同時也解決了制約稀土永磁電機發(fā)展的項共性關(guān)鍵技術(shù)，其中之一就是改進(jìn)永磁體加工工藝、提高材料利用率、降低成本，使用率提高20%，加工費降低50%19。日本1965年就開始研制電動車,于1967年成立了日本電動車協(xié)會20。從1996年,豐田汽車公司的電動車RAV4就采用了東京電機公司的插入式永磁同步電機作為驅(qū)動電機，最大功率50kW,最高轉(zhuǎn)速1300r/min到本田公2001年推出的燃料電池試驗車FCX-V4的驅(qū)動電機最高功率為60kW,最大轉(zhuǎn)矩為272N·m。歐洲許多發(fā)達(dá)國家很早就開始了對電動車的研究。在電動車驅(qū)動電機的選擇上,不同國家各有側(cè)重:英國、法國偏重于永磁無刷直流電機,

12、德國偏重于開關(guān)磁阻電機。德國第三代奧迪混合電動車驅(qū)動電機采用了永磁同步電機。其最高轉(zhuǎn)速為12,500r/min,最大輸出功率32kW。美國的電動車開發(fā)比日本晚。在美國,感應(yīng)電機的設(shè)計及其控制策略的發(fā)展較為成熟,所以電動車驅(qū)動電機還主要以感應(yīng)電機為主。美國兩個最高車速分別為72km/h和56km/h的短程混合電動公交車上也采用了永磁同步電機作為驅(qū)動電機21。我國1996年之前由鄭州華聯(lián)電動車輛研究所已研制成功的四人座電動轎車采用了額定功率為10kW的永磁同步電機，2002年,哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了額定功率20kW的混合電動車驅(qū)動用永磁同步電機20，西安交通大學(xué)曹秉剛團隊研制的速達(dá)牌純電動汽車在三門

13、峽試制成功，20輛速達(dá)牌純電動汽車2010年8月31日下線并正式掛牌運行。鋰電池純電動汽車?yán)m(xù)駛里程達(dá)到260km， 0-100km/h的加速時間僅為9秒左右，最高時速為150km/h，而使用的電機為永磁同步電機僅有15kW，使用的電池僅有252kg。如處于國外領(lǐng)先水平的日產(chǎn)凌風(fēng)（LEAF）續(xù)駛里程為160km，最高時速為140km/h，所使用的電機為80kW22，可見曹秉剛團隊研制的速達(dá)牌純電動汽車技術(shù)處于國際領(lǐng)先地位，有望走出中國，走向世界。3.2研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀主要在于設(shè)計(結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動器設(shè)計、控制器或控制系統(tǒng)設(shè)計等)，優(yōu)化，控制，診斷等等方面。設(shè)計方面如范堅堅等23 以降低加工難度與優(yōu)

14、化氣隙磁通密度為目標(biāo)，設(shè)計了表貼式極間隔斷Halbach型磁鋼的永磁同步電機的多目標(biāo)設(shè)計方法；皮秀24等與以往針對給定的永磁同步電動機分析其弱磁性能不同，討論了滿足特定的弱磁性能要求的電機參數(shù)的設(shè)計；張程25 計了一種采用永磁同步電機驅(qū)動、STM32處理器、空間磁場定向控制技術(shù)(FOC)和空間電壓矢量脈寬調(diào)制技術(shù)等開發(fā)的專用驅(qū)動器，實現(xiàn)永磁同步電機的數(shù)字化變頻調(diào)速，大大降低了驅(qū)動器成本；劉治鋼等26 設(shè)計了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)滑?？刂破?。用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動調(diào)整滑?？刂破鞯那袚Q項增益,無需建立包含參數(shù)攝動和干擾在內(nèi)的整個系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型,有效提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性;Shi-Uk Chung等2

15、7一種繞組和轉(zhuǎn)子新的安排設(shè)計方式減少了雙凸極永磁直線同步電機的力矩波動和減弱了磁場不平衡等等。優(yōu)化方面如G. H. Lee等28通過分析扭矩波動的緣由，通過電流補償使力矩波動最小的優(yōu)化控制；WU Zhihong等29通過使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以速度和力矩作為輸入，正交軸電流作為輸出達(dá)到最優(yōu)效率的永磁同步電機控制；趙朝會等30 針對切向結(jié)構(gòu)永磁同步電機漏磁大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺陷,利用有限元分析方法探討了引入輔助磁極后非導(dǎo)磁襯套等后的結(jié)構(gòu)優(yōu)化等等?？刂品矫鎳鴥?nèi)外展開了大量的研究，主要集中在矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、無傳感器控制、弱磁控制和解耦控制等方面。張紹等31采用雙空間矢量調(diào)制的矩陣變換器-永磁同步電機系統(tǒng)取

16、得了良好的控制效果與較好的網(wǎng)側(cè)性能，加入的電流補償環(huán)節(jié)效果明顯；Yongchang Zhang等32通過采用改進(jìn)的直接轉(zhuǎn)矩控制降低了轉(zhuǎn)矩和磁通波動，同時獲得了簡化和較強的魯棒性；谷善茂等33對近年提出的多種估算永磁同步電動機轉(zhuǎn)子位置、速度的方法進(jìn)行了綜述，比較了各種無傳感器方法的優(yōu)缺點；朱磊等34 介紹了弱磁控制理論建立和發(fā)展的歷程，對比列舉了當(dāng)前多種以雙電流環(huán)PI調(diào)節(jié)為基礎(chǔ)的弱磁控制策略，分析了創(chuàng)門在高倍轉(zhuǎn)速弱磁應(yīng)用中遇到的瓶頸和原因；劉剛等35 為了解決電機參數(shù)變化和負(fù)載擾動的不確定性、影響基于非線性解耦控制的永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)性能的問題,提出了一種帶干擾抑制的永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)非線性

17、解耦控制方法等等。診斷方面研究的不多，關(guān)鍵是目前的診斷技術(shù)還有待發(fā)展36。田靜等37建立了有效的故障診斷模型；Byoung-Gun Park等38使用了遞推最小二乘算法去評估永磁同步電機中的每相繞組中的電阻進(jìn)行故障診斷；Jawad Ahmed Farooq等39建立了永磁同步電機模型去診斷繞組匝見短路故障，一系列的仿真證明了它的有效性等等。4研究熱點永磁同步電機雖有永磁式同步電動機結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高，和直流電機相比，它沒有直流電機的換向器和電刷等缺點。和異步電動機相比，它由于不需要無功勵磁電流，因而效率高、功率因數(shù)高、力矩慣量比大、定子電流和定子電阻損耗減小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可

18、測、控制性能好。但存在最大轉(zhuǎn)矩受永磁體去磁約束，抗震能力差，高轉(zhuǎn)速受限制，功率較小，成本高和啟動困難等缺點40。正因為有缺點的存在和未來發(fā)展的需要以及市場的競爭，帶來了永磁同步電機的研究熱點問題。4.1無傳感器控制技術(shù)及各種先進(jìn)、智能控制由于永磁同步電機閉環(huán)控制當(dāng)中需要電機轉(zhuǎn)子位置，因此需要在電機軸上安裝機械位置傳感器。由于機械傳感器的存在，增加了系統(tǒng)復(fù)雜程度和成本，降低了系統(tǒng)魯棒性。永磁同步電機的無速度傳感器控制成為現(xiàn)今研究的一個熱點問題41。谷善茂等32就對永磁同步電機無傳感器控制技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展做了一個很好的綜述。目前適用于中、高速運行的無傳感器控制技術(shù)主要有以下幾類：磁鏈估計法、模型參考

19、自適應(yīng)(Model Referencing Adaptive System，MRAS)法、狀態(tài)觀測器法、滑模變結(jié)構(gòu)法、檢測電機相電感變化的位置估計法、卡爾曼濾波法等；適合于零速和低速方法有：基于測試矢量勵磁及電流幅值測量的初始位置估計技術(shù)、基于測試脈沖勵磁和電流幅值測量的內(nèi)插式PMSM ( IPMSM)初始位置估計、基于脈動矢量勵磁和相位檢測的IPMSM初始位置估計方法、基于脈動矢量勵磁和高頻阻杭測量的IPMSM低速和零速轉(zhuǎn)子位置估計和基于旋轉(zhuǎn)矢量勵磁和電流解調(diào)技術(shù)的低速和零速無傳感器控制方法。分析了這些方法的原理、優(yōu)點和局限性，并指出了復(fù)合控制方法是未來發(fā)展的趨勢。模糊控制、分?jǐn)?shù)階微積分控制

20、、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、變結(jié)構(gòu)控制、預(yù)測控制、最優(yōu)控制慢慢應(yīng)用于永磁同步電機的控制42-45。4.2良好的起動性能永磁同步電機起動轉(zhuǎn)矩小、起動速度慢，這導(dǎo)致起動困難。同步電機的起動方法主要有異步起動法和變頻起動法46。異步起動使永磁同步電機加工工藝更為復(fù)雜，機械強度更差，而變頻起動對變頻器的性能和質(zhì)量有較高的要求。所以對于異步起動，如何去優(yōu)化結(jié)構(gòu)，降低異步起動永磁同步電機的工藝復(fù)雜性，增強機械強度和可靠性可以說也是一個研究方向，對于變頻起動，隨著變頻器應(yīng)用得越來越廣泛以及現(xiàn)代電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，變頻器的研究發(fā)展趨勢也可以說是永磁同步電機發(fā)展趨勢之一。而變頻器未來發(fā)展方向主要是高壓大功率和低

21、壓小功率、小型化、輕型化的方向發(fā)展，全面實現(xiàn)數(shù)字化和自動化等等方向47。同時也有待開發(fā)一些新的良好的快速、大轉(zhuǎn)矩的起動方法。岳明48 提出了對電機定子特定位置加電壓,并保持加電位置與轉(zhuǎn)子相對位置不變的加速啟動方法并通過相關(guān)實驗，證明了該方法可以滿足永磁同步電機的快速可靠啟動; 沈建新等49發(fā)明了起動永磁同步電機V型槽轉(zhuǎn)子，與目前國內(nèi)外使用的V型槽轉(zhuǎn)子相比,避免了起動過程中永磁體局部退磁的現(xiàn)象,同時也減小了穩(wěn)態(tài)運行過程中轉(zhuǎn)子內(nèi)部的渦流損耗,對提高自起動永磁同步機的可靠性和穩(wěn)態(tài)性能均有一定的效果等等。4.3弱磁擴速與弱磁控制永磁同步電機由于轉(zhuǎn)子是永磁體勵磁,隨著轉(zhuǎn)速的升高,電動機電壓會逐浙達(dá)到逆變

22、器所能輸出的電壓極限,這時要想繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速只有靠調(diào)節(jié)定子電流的大小和相位增加直軸去磁電流來等效弱磁提高轉(zhuǎn)速。電機的弱磁能力大小主要與直軸電抗和反電勢大小有關(guān),但永磁體串聯(lián)在直軸磁路中,所以直軸磁路一般磁阻較大,弱磁能力較小;電機反電勢較大時,也會降低電機的最高轉(zhuǎn)速。國內(nèi)外提出了許多弱磁設(shè)計方案。文獻(xiàn)50總結(jié)出具有代表性的提高效率、擴大弱磁能力的方法，有定子采用深槽結(jié)構(gòu)、復(fù)合轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和雙套定子繞組。港大學(xué)通過實驗證明采用雙套繞組后永磁同步電機的最高轉(zhuǎn)速可由2 000 r/m in擴大到4 500 r/m in以上。有待新的弱磁擴速技術(shù)產(chǎn)生。文獻(xiàn)34介紹了弱磁控制理論建立和發(fā)展歷程，對比列舉了當(dāng)前

23、多種以雙電流環(huán)PI調(diào)節(jié)為基礎(chǔ)的弱磁控制策略，分析了它們在高倍轉(zhuǎn)速弱磁應(yīng)用中遇到的瓶頸和原因。最近的單電流調(diào)節(jié)器，將有可能引導(dǎo)永磁同步電機弱磁控制由電流環(huán)控制向電壓控制發(fā)展。將來弱磁控制可能在單電流控制器的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步向無電流控制器發(fā)展，完全使用電壓指令控制取代電流環(huán)控制。4.4性能改善國內(nèi)外好多學(xué)者在性能改善方面提出了很多想法，比如在電機結(jié)構(gòu)上，開發(fā)出新機構(gòu)電機、力矩補償減少力矩波動、改善永磁體的抗消磁，增大磁滯性能等方面對電機性能進(jìn)行改善28-30,51-53。5發(fā)展趨勢5.1大功率、高轉(zhuǎn)速、高力矩、高效率同時質(zhì)輕如前言所示，目前永磁同步電機廣泛應(yīng)用于電動汽車、有軌無軌機車、航空航天、電梯

24、、家用電器、航海等領(lǐng)域，開發(fā)出高功率、高轉(zhuǎn)速、高力矩、高效率、質(zhì)輕的永磁同步電機可見對節(jié)能環(huán)保、高效高質(zhì)量服務(wù)等方面具有很大的推動作用，這也是永磁同步電機的發(fā)展趨勢。高功率：德國西門子公司于1986年完成了1100kW,230r/ min機電一體化的交流永磁同步推進(jìn)電機;另外1760kW永磁同步推進(jìn)電機裝于U一212潛艇試用，其長度和有效體積與傳統(tǒng)的直流推進(jìn)電機相比減少4096。目前研制的永磁同步電動機最大功率為14MW,轉(zhuǎn)速150r/min，用于Siemens公司和Schotel公司聯(lián)合生產(chǎn)的SSP吊倉式電力推進(jìn)系統(tǒng)54。高轉(zhuǎn)速：超高速電機典型產(chǎn)品如美國通用電氣公司早期研制的150kW230

25、00r/min的航空用起動/發(fā)電機和日本的1000kW15000r/min的釤鈷永磁同步發(fā)電機。超高速電機在旋轉(zhuǎn)時有很大的離心力，為使永磁體和其他材料不致于飛散，需要采取機械加固措施，一般在轉(zhuǎn)子外徑處套一非磁性鋼的護(hù)環(huán)55。高效率：永磁電機又是一種高效節(jié)能產(chǎn)品,平均節(jié)電率高達(dá)10%以上,專用稀土永磁電機的節(jié)電率可高達(dá)15%20%。美國GM公司研制的釹鐵硼永磁起動電機與老式串激直流起動電機相比,不僅重量由原來的6.21 kg降低到4.2 kg，體積減少了1/3,而且效率提高了45%。在水泵、風(fēng)機、壓縮機需要無級變頻調(diào)速的場合,異步變頻調(diào)速可節(jié)電25%左右,而永磁變頻調(diào)速節(jié)電率高達(dá)30%以上56；

26、竇滿鋒等48提出了油田抽油機專用稀土永磁同步電機的設(shè)計方法，研制的REPMSM比相應(yīng)的異步電機效率提高6.5%,功率因數(shù)提高13%,起動轉(zhuǎn)矩提高50%。在油田抽油機上使用節(jié)能效果明顯等等。國外提高電動機效率的主要途徑是:(1)通過對異步電動機的優(yōu)化設(shè)計,增加銅、鋁、電工鋼板等有效材料用量,降低繞組損耗和鐵耗;(2)采用較好的磁性材料和工藝,以降低鐵耗;(3)合理設(shè)計通風(fēng)結(jié)構(gòu)和選用高性能軸承,降低機械損耗;(4)通過改進(jìn)設(shè)計和工藝,降低雜散損耗。國外已開發(fā)出高效異步電機。美國提出將電動機推至極限,于2007年生產(chǎn)超高效電動機。據(jù)有關(guān)資料介紹,160M-4 11 kW電機的Y系列效率為88%,高效

27、電機為91.8%,超高效電機92.4%。我國沈陽工業(yè)大學(xué)開發(fā)的超高效稀土永磁電機效率為94.7%57。5.2輕型化，微型化，高功能化、專業(yè)化航空航天產(chǎn)品，電動車輛、數(shù)控機床，計算機、視聽產(chǎn)品、醫(yī)療器械、便攜式光機電一體化產(chǎn)品、電梯等，都對電機提出體積小、重量輕，不同性能側(cè)重點都提出了嚴(yán)格的要求；醫(yī)療微型機器、管道檢修機器人等等都對微型化電機提出了挑戰(zhàn)；宇航設(shè)備、宇宙空間的機械手、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、3 000 r/m in,工作在200300高溫和133.3×10-6Pa真空度環(huán)境下的三

28、相四極永磁電動機,直徑105 mm、長145 mm,采用高溫特性好的Sm2Co17永磁體56。體國外專用電機占有量達(dá)80%，通用電機占有量占20%，而我國正好相反。資料49表明專用電機是根據(jù)不同負(fù)載特性專門設(shè)計的，如油田用抽油機專用稀土永磁電機，節(jié)電率高達(dá)20%，可見專業(yè)電機的節(jié)能潛力和高功能匹配性。5.3動力傳動一體化電機驅(qū)動系統(tǒng)對整個動力傳動系統(tǒng)（電機、減速齒輪、傳動軸)）進(jìn)行一體化建模和控制，構(gòu)建高性能、高可靠性或高精度的一體化驅(qū)動系統(tǒng)。5.4高性能、高檔永磁同步電機伺服系統(tǒng)隨著我國航空航天、汽車、船舶、電站設(shè)備和國防工業(yè)等制造業(yè)的高速發(fā)展,數(shù)控機床在裝備制造業(yè)中的重要性愈來愈明顯,特別

29、是中高端NC機床產(chǎn)品的需求也將與日俱增。2007年我國NC機床的年產(chǎn)量達(dá)11萬臺,中檔NC機床已達(dá)4.2萬臺,高檔NC機床也已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化。世界NC機床產(chǎn)量中,低、中、高檔NC機床之比為30:60:10。高檔NC機床主要被德國、美國所壟斷;日本占據(jù)了中檔NC機床的主要市場;韓國則是中低檔NC機床的主要供貨商58。所以發(fā)展我國的中高檔數(shù)控機床迫在眉睫。伺服電機經(jīng)歷20世紀(jì)60年代以前的以步進(jìn)電機驅(qū)動的液壓伺服馬達(dá)的第一發(fā)展階段，到20世紀(jì)60-70年代以直流伺服電機為驅(qū)動電機的第二階段，到20世紀(jì)80年代至今的永磁無刷直流伺服電機和永磁同步伺服電機的第三個階段59。到目前為止,高性能的電伺服系統(tǒng)大

30、多采用永磁同步型交流伺服電動機,控制驅(qū)動器多采用快速、準(zhǔn)確定位的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。典型生產(chǎn)廠家如德國西門子、百格拉,美國科爾摩根和日本松下、三菱及安川等公司60。所以高性能、高檔永磁同步電機伺服系統(tǒng)成為未來的發(fā)展方向。同時驅(qū)動裝置電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展，智能化功率模塊得到普及與應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1 Lixin Situ. Electric Vehicle Development:The Past,Present&Future(C). 2009 3rd International Conference on Power Electronics Systems and Applicat

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