永永磁電機(jī)綜述及退磁分析

1、永永磁電機(jī)綜述及退磁分析1能源的重要1,1可再生能源研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢能源是當(dāng)今社會存在和發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著人們生活水平的提高和社會的發(fā)展，人類對能源的需求正在逐漸增大，而能源的短缺正成為制約社會發(fā)展的重要因素。對傳統(tǒng)能源的開發(fā)利用不僅受到資源有限的限制，而且在能源使用的過程中還會產(chǎn)生溫室效應(yīng)和環(huán)境污染等全球性問題。因此，通過對新型能源的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)資源的持續(xù)利用和人類社會可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。 目前可以對新型能源進(jìn)行開發(fā)利用的主要有光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、潮汐能發(fā)電以及生物能和水力能發(fā)電等。近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電的利用及其優(yōu)勢開始顯現(xiàn)，它是可再生能源中技術(shù)最成熟、發(fā)展速度最快、最

2、具有商業(yè)發(fā)展?jié)摿Φ男履茉粗?；光伏發(fā)電技術(shù)具有對環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)，但是太陽能光伏電池板和逆變器的高成本限制了其在光照強(qiáng)度不強(qiáng)的地區(qū)的應(yīng)用；潮汐能發(fā)電具有對地理位置要求高，發(fā)電設(shè)備需安裝在海底，穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，因此很難進(jìn)行大規(guī)模開發(fā)利用；生物能和水能的利用同樣受到地域、成本以及環(huán)境的影響，因此對生物能和水能的開發(fā)利用也較難。1.1.1 全球可再生能源研究現(xiàn)狀及趨勢 進(jìn)入21世紀(jì)，世界各國都加大對風(fēng)能、光伏等可再生能源的研究利用。發(fā)展可再生能源己經(jīng)成為許多國家對能源進(jìn)行研究和開發(fā)的主要內(nèi)容。2006年3月，歐盟首腦會議確定到2020年風(fēng)能、光伏等新型能源消費(fèi)總量要占到傳統(tǒng)能源消費(fèi)總量的20%；20

3、11年美國提出到2030年全美20%的電力供應(yīng)由風(fēng)力發(fā)電提供，生物燃料消費(fèi)量要占汽車燃料消耗量的30%以上；印度在2009年風(fēng)電裝機(jī)容量已達(dá)到1100萬千瓦時，裝機(jī)總?cè)萘颗旁谑澜绲?位；巴西通過利用甘蔗等本地資源大力發(fā)展生物能，到2008年底生物燃料總產(chǎn)量已達(dá)兩千多萬噸，并且計劃到2030年底生物能年產(chǎn)能達(dá)到750億升，從而將生物能的生產(chǎn)作為巴西經(jīng)貿(mào)的主要資源。 目前，全球己有60多個國家制定了相關(guān)的法律、法規(guī)或行動計劃，通過立法的強(qiáng)制性手段保障可再生能源戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。到2009年底，全球風(fēng)能和太陽能等可再生能源總共約貢獻(xiàn)了1.7%的發(fā)電量，占全球能源消費(fèi)總量的0.7%。風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量增

4、長了31%，生物燃料發(fā)電量增長了8%，太陽能發(fā) 電總裝機(jī)容量也已達(dá)到10000兆瓦以上。總之，目前可再生能源的發(fā)展正朝著生產(chǎn)技術(shù)逐漸成熟、項(xiàng)目規(guī)模逐漸增大、建設(shè)快速逐漸加快、投資渠道逐漸增多、生產(chǎn)設(shè)備效率逐漸提高、設(shè)備維護(hù)逐漸便利的方向發(fā)展。1.1.2 我國新能源發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 可再生能源是我國能源資源的重要組成部分，它在環(huán)境污染治理、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、能源供應(yīng)和能源結(jié)構(gòu)改造等方面發(fā)揮了重大作用。由于政府的大力引導(dǎo)和支持以及市場需求的推動，我國可再生能源的發(fā)展具有良好的內(nèi)外部條件，我國可再生能源開始進(jìn)入快速發(fā)展。2009 年，我國新能源年年產(chǎn)能值相當(dāng)于2.6億噸煤的產(chǎn)能，占到我國能源消費(fèi)總量的8.

5、34%。到2011年底，我國水力發(fā)電總裝機(jī)容量1.97億千瓦時，居世界第一；風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)2730萬千瓦時，新增裝機(jī)容量居世界第一，總裝機(jī)容量居世界第三；太陽能光伏電池年產(chǎn)量達(dá)4 千兆瓦時，為全球份額的40%，太陽能熱水器總超過1.45億平方米居世界第一。 盡管我國新能源行業(yè)各方面發(fā)展迅速但其規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化發(fā)展仍然面臨諸多問題，主要有：市場機(jī)制成不夠熟，使得新能源產(chǎn)業(yè)很難和傳統(tǒng)能源產(chǎn)業(yè)競爭；能源政策和配套措施不完善，對可再生能源企業(yè)扶持力度不夠；企業(yè)對新能源的戰(zhàn)略地位認(rèn)識不夠，以及對對能源企業(yè)發(fā)展的銜接性和科學(xué)性認(rèn)識不足；企業(yè)和政府對新能源的研發(fā)投入不足；整個產(chǎn)業(yè)鏈體系較薄弱，利潤率較低

6、；對我國新能源產(chǎn)業(yè)評估不深入，不利于新能源的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。總之，新能源產(chǎn)品市場競爭力低、成本價格高是我國可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的主要問題，解決問題的根本途徑是大力推進(jìn)可再生能源的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展。能源緊張是影響我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個重要問題，也是全世界共同關(guān)心的闊題。節(jié)能是我國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的一項(xiàng)長遠(yuǎn)戰(zhàn)略方針，也是當(dāng)前一項(xiàng)極為緊迫的任務(wù)。據(jù)國際電工委員會（IEC）統(tǒng)計，工業(yè)用電動機(jī)消耗全世界發(fā)電量的3040，我國電機(jī)系統(tǒng)用電量約占全國用電量的60%，其中風(fēng)機(jī)、泵類、壓縮機(jī)和空調(diào)制冷機(jī)的用電量分別占全國用電量的10.4%、20.9%、9.4%和6%。電機(jī)系統(tǒng)量大面廣，節(jié)電潛力巨大。改善整個驅(qū)動系

7、統(tǒng)（電動機(jī)和調(diào)速傳動）和應(yīng)用技術(shù)（或工藝技術(shù)）的效率對節(jié)能關(guān)系重大，系統(tǒng)優(yōu)化總的節(jié)能潛力可達(dá)到3060。據(jù)行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，全國現(xiàn)有各類電機(jī)系統(tǒng)總裝機(jī)容量約7億kW，運(yùn)行效率普遍比國外先進(jìn)水平低1020個百分點(diǎn)，相當(dāng)于每年浪費(fèi)電能約1500億kWh。為此國家發(fā)改委在“十大重點(diǎn)節(jié)能工程實(shí)施意見”中提出：要推廣高效節(jié)能電動機(jī)、稀土永磁電動機(jī)；同時推廣變頻調(diào)速、永磁電動機(jī)調(diào)速等先進(jìn)電機(jī)調(diào)速技術(shù)，改善風(fēng)機(jī)、泵類電機(jī)系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式，逐步淘汰閘板、閥門等機(jī)械節(jié)流調(diào)節(jié)方式。并建議在以下領(lǐng)域推廣應(yīng)用稀土永磁電動機(jī)和調(diào)速系統(tǒng)：電力：用變頻、永磁電動機(jī)改造風(fēng)機(jī)、水泵系統(tǒng)，重點(diǎn)是20萬kW以上火力發(fā)電機(jī)組。冶金：鼓風(fēng)機(jī)、

8、除塵風(fēng)機(jī)、冷卻水泵；加熱爐風(fēng)機(jī)、鑄造除鱗水泵等設(shè)備的變頻、永磁電動機(jī)調(diào)速。機(jī)電：研發(fā)制造節(jié)能型電機(jī)、電機(jī)系統(tǒng)及配套設(shè)備。輕工：注塑機(jī)、液壓油泵的變頻、永磁調(diào)速。其他：企業(yè)空調(diào)和通風(fēng)、樓宇集中空調(diào)的永磁電機(jī)系統(tǒng)改造等。據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)（IEA）2006年7月的工作報告，通過改善電動機(jī)效率結(jié)合變頻調(diào)速可以節(jié)約大約7的電能，其中大致有1413是靠提高電動機(jī)效率來獲得的，其余部分則來自系統(tǒng)的改進(jìn)。目前，美、歐、日、澳大利亞、巴西等國都紛紛制訂電動機(jī)效率限值，并強(qiáng)制執(zhí)行。為協(xié)調(diào)各國能效分級標(biāo)準(zhǔn)，2006年IEC制定一項(xiàng)新的能效標(biāo)準(zhǔn)IEC6003430。該標(biāo)準(zhǔn)將一般用途電動機(jī)效率水平分為IEl（Intern

9、ational Efficiency，簡稱IE）、IE2、IE3和IE4四級，其中IEl為標(biāo)準(zhǔn)效率，相當(dāng)于我國目前生產(chǎn)的普通系列感應(yīng)電動楓的效率水平；IE2為高效率，比普通電機(jī)的效率平均提高2.75個百分點(diǎn)，損耗平均下降20左右；IE3為超高效率，即效率再提高1.5一2個百分點(diǎn)，損耗平均再降低15左右；IE4為超超高效率，損耗預(yù)計再下降20左右，需要進(jìn)行全新的電機(jī)設(shè)計，建也新的體系結(jié)構(gòu)（新的電機(jī)極數(shù)、速度范圍），采用更高性能的材料。眾所周知，永磁電動機(jī)采用永磁體勵磁，不需要無功勵磁電流，所以顯著提高功率因數(shù)，減小了定子電流和定子電阻損耗；而且在穩(wěn)定運(yùn)行時沒有轉(zhuǎn)子電阻損耗，進(jìn)而可以因總損耗降低而

10、減小風(fēng)扇（小容量電機(jī)甚至可以去掉風(fēng)扇）和相應(yīng)的風(fēng)摩耗，從而使其效率和功率因數(shù)比同規(guī)格感應(yīng)電動機(jī)高。而且在輕載時仍可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運(yùn)行時節(jié)能效果更為顯著。因此，永磁電動機(jī)較容易做到高效率，既達(dá)到lE2級的效率值。如果進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，采用高性硅鋼片和先進(jìn)工藝，在降低一個機(jī)座號或者縮短鐵心的情況下，可以達(dá)到超高效，既IE3級的效率值；在不降低機(jī)座號或適當(dāng)增加鐵心的情況下，部分規(guī)格有可能達(dá)到超超高效，既IE4級的效率值2。我國稀土資源豐富，釹鐵硼永磁材料的年產(chǎn)量已居世界第一，國內(nèi)高品質(zhì)的釹鐵硼永磁體已能批量生產(chǎn)，世界磁性材料的中心已轉(zhuǎn)移到中國，這為發(fā)展我國稀土永磁電機(jī)產(chǎn)業(yè)打下了良好的

11、基礎(chǔ)大力發(fā)展稀土永磁電機(jī)和稀土永磁材料，將資源優(yōu)勢變?yōu)榻?jīng)濟(jì)優(yōu)勢，將極大地推動我國稀土產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同時為節(jié)能降耗、保護(hù)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。2.永磁電機(jī)的特點(diǎn)與傳統(tǒng)的電勵磁電機(jī)相比，稀土永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、體積小、質(zhì)量輕、損耗小、效率高、電機(jī)的形狀和尺寸靈活多樣等顯著優(yōu)點(diǎn)。因此稀土永磁電機(jī)的應(yīng)用范圍極為廣泛，遍及航空、航天、國防、裝備制造、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個領(lǐng)域。它包括永磁同步電動機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)、直流電動機(jī)、無刷直流電動機(jī)、交流永磁伺服電動機(jī)、永磁直線電機(jī)、特種永磁電機(jī)及相關(guān)的控制系統(tǒng)。種類幾乎覆蓋了整個電機(jī)行業(yè)。（1）稀土永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單體積小，重量輕，耗

12、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。永磁同步發(fā)電機(jī)與傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)相比，不需要集電環(huán)和電刷裝置，結(jié)構(gòu)簡單，降低了故障率。采用稀土永磁后還可以增大氣隙磁密，并把電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整到最佳值，提高功率質(zhì)量比。現(xiàn)代航空、航天用發(fā)電機(jī)幾乎全部采用稀土永磁發(fā)電機(jī)。永磁發(fā)電機(jī)也用作大型汽輪發(fā)電機(jī)的副勵磁機(jī)。目前，獨(dú)立電源用的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動小型發(fā)電機(jī)、車用永磁發(fā)電機(jī)、風(fēng)輪直接驅(qū)動的小型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)正在逐步推廣。隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善、價格的逐步降低以及電力電子器件的進(jìn)一步發(fā)展，加上永磁電機(jī)研究開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的逐步成熟，在大力推廣和應(yīng)用已有研究

13、成果，使永磁電機(jī)在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等各個方面獲得越來越廣泛的應(yīng)用的同時，稀土永磁電機(jī)的研究開發(fā)也進(jìn)入了一個新階段，正向大功率化（高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩）、高功能化和微型化方向發(fā)展。目前，稀土永磁電機(jī)的單臺容量已超過1000kW，最高轉(zhuǎn)速已超過300000r/min，最低轉(zhuǎn)速低于0.01 r/min，最小電機(jī)外徑只有0.8mm，長1.2mm。（2）稀土永磁電機(jī)輕型化采用稀土永磁體可以明顯減輕電機(jī)重量，縮小體積。例如10kW發(fā)電機(jī)，常規(guī)發(fā)電機(jī)重量為220kg，而永磁發(fā)電機(jī)重量僅為92kg，相當(dāng)于常規(guī)發(fā)電機(jī)重量的45.8%。計算機(jī)磁盤驅(qū)動器在20世紀(jì)60年代采用鐵氧體尺寸為14英寸，而采用釹鐵硼后

14、只有3.5英寸，現(xiàn)在己達(dá)到2.5英寸。德國制成的六相變頻電源供電的1095kW、230r/min稀土永磁電動機(jī)，用于艦船的推進(jìn)，與過去使用的直流電動機(jī)相比，體積減少60%左右，總損耗降低20%左右，并省去了電刷和換向器，維護(hù)方便。荷蘭飛利浦公司用70W微電機(jī)作比較，稀土永磁電機(jī)體積是電流勵磁電機(jī)的1/4，是鐵氧體勵磁電機(jī)的1/2。（3）稀土永磁電機(jī)高性能化高性能化也是稀土永磁電機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)，有例如，數(shù)控機(jī)床用稀土永磁伺服電機(jī)，調(diào)速比高達(dá)1：10000。稀土永磁電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)精密控制驅(qū)動，轉(zhuǎn)速控制精度可達(dá)到0.1。在機(jī)械特性方面，稀土永磁電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，可在負(fù)載轉(zhuǎn)矩下直接起動。此外，稀

15、土永磁電機(jī)還具有運(yùn)行精度高（如計算機(jī)硬盤驅(qū)動器的擺動電機(jī)端面與磁盤之間的跳動量要求達(dá)到0.10.3）、運(yùn)行噪聲小、平穩(wěn)性好、過載能力大等特點(diǎn)。（4）稀土永磁電機(jī)高效節(jié)能稀土永磁電機(jī)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(jī)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(jī)與老式串激直流起動電機(jī)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(jī)、壓縮機(jī)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。電機(jī)節(jié)能是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，應(yīng)該從多個方面尋求降低電能消耗的方法。

16、系統(tǒng)輸入功率包括配電電源、電動機(jī)的控制、電動機(jī)自身、電動機(jī)與負(fù)載的連接以及最終被驅(qū)動的負(fù)載匹配。國際電機(jī)節(jié)能的先進(jìn)水平是風(fēng)機(jī)、水泵自身運(yùn)行效率一般在85%以上，系統(tǒng)運(yùn)行效率在80%左右。而目前我國國產(chǎn)設(shè)備的本體設(shè)計效率為75%，系統(tǒng)運(yùn)行效率不到30%，電源浪費(fèi)十分嚴(yán)重。這種狀況目前尚未改變。電動機(jī)的節(jié)能有兩個方法。一個是改進(jìn)異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)，提高其效率和其他性能。另一個是發(fā)展永磁同步電動機(jī)，可以取得更高的節(jié)電效果【3】。2.永磁同步電動機(jī)的分類及特點(diǎn)2.1永磁同步電動機(jī)的基本性能特點(diǎn)（1）效率高 一是由于磁路系統(tǒng)的小型化，繞組亦趨小，從而減少了電機(jī)的銅損和鐵損，效率提高；二是在轉(zhuǎn)子上嵌入稀土永

17、磁材料后，在正常工作時轉(zhuǎn)子與定子磁場同步運(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；三是定子電流中無勵磁電流分量，功率因數(shù)高，定子電流小，定子側(cè)銅損下降，提高了電機(jī)效率。有人曾分析過，一臺20000r/min以上的高速有刷電動機(jī)，輸出功率316W，效率69%，即損耗為31%。其中，勵磁銅損6%，勵磁鐵損3%，電樞銅損3%，電刷損耗8%，電樞鐵損8%，機(jī)械損耗2%，雜散損耗1%。大量使用的感應(yīng)電動機(jī)，如冰箱壓縮機(jī)、空調(diào)、洗衣機(jī)、風(fēng)扇等用的電動機(jī)，若輸出功率118.4W，效率83%，其損耗17%，包括初級繞組銅損6%，鐵損7%，次級銅損和雜散損耗共占4%；當(dāng)輸出功率為420W、效率85%時

18、，損耗15%，它包括初級繞組銅損6%，鐵損4%，次級銅損和雜散損耗5%。如果使用永磁體產(chǎn)生磁場（作轉(zhuǎn)子），不使用電刷整流子，構(gòu)成永磁電動機(jī)（無刷電動機(jī)），損耗就只有24 J 電樞繞組的銅損、電樞鐵心的鐵損和機(jī)械損耗。因此，有刷電動機(jī)特有的電刷損耗、有刷電動機(jī)和感應(yīng)電動機(jī)中由初級電流勵磁引起的次級銅損都可以消除，從而會大大提高電動機(jī)的效率。（2）功率因數(shù)高 在稀土永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子中無感應(yīng)電流勵磁，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，進(jìn)一步提高了電機(jī)的效率。同時功率因數(shù)的提高，提高了電網(wǎng)的品質(zhì)因數(shù)，減少了輸變電線路的損耗，輸變電容量也可降低，節(jié)省電網(wǎng)投資。（3）起動力矩大 在需

19、要大啟動轉(zhuǎn)矩的設(shè)備（如油田抽油機(jī)電機(jī)）中，可以用較小容量的稀土永磁電機(jī)替代較大容量的Y系列電機(jī)，如用37kW永磁電機(jī)代替4555kW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)備的投入費(fèi)用，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效能。（4）力能指標(biāo)好 異步電動機(jī)在低負(fù)載率（即不在額定點(diǎn)運(yùn)行）的情況下，效率和功率因數(shù)下降嚴(yán)重。Y系列電機(jī)在60的負(fù)荷下工作時，效率下降15，功率因數(shù)下降30，力能指標(biāo)下降40。而永磁電機(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，其力能指標(biāo)仍為滿負(fù)荷的80以上。永磁電動機(jī)的效率在較大的負(fù)載變化范圍平坦變化，保持高效率，節(jié)能效果突出。尤其對油田抽油機(jī)類啟動負(fù)載大、運(yùn)行負(fù)載小

20、的電機(jī)，節(jié)能效果更好。（5）溫升低 轉(zhuǎn)子繞組中不存在銅損，定子繞組中幾乎不存在無功電流，這樣電機(jī)溫升低。電勵磁電機(jī)由繞組提供勵磁電流，因受到勵磁線圈溫升的限制，勵磁繞組占據(jù)空間較大，而高性能的稀土永磁體勵磁可以縮小勵磁空間和提供較高的氣隙平均磁密，因而在相同的體積情況下可以提高電機(jī)的出力。（6）可大氣隙化，便于構(gòu)成新型磁路。（7）電樞反應(yīng)小，抗過載能力強(qiáng)【4】。2.2永磁同步電動機(jī)的分類 永磁同步電動機(jī)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。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，在定子上產(chǎn)生的反電動勢波形也有兩種：一種為正弦波；另一種為梯形波。這樣就造成兩種同步電動

21、機(jī)在原理、模型及控制方法上有所不同，為了區(qū)別由它們組成的永磁同步電動機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)，習(xí)慣上又把正弦波永磁同步電動機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)稱為正弦型永磁同步電動機(jī)（PMSM）調(diào)速系統(tǒng)；而由梯形波（方波）永磁同步電動機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)，在原理和控制方法上與直流電動機(jī)系統(tǒng)類似，故稱這種系統(tǒng)為無刷直流電動機(jī)（BLDCM）調(diào)速系統(tǒng)。 圖1正弦波永磁同步電動機(jī)的基本組成框圖 圖2 永磁無刷直流電動機(jī)的系統(tǒng)組成永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同，則電動機(jī)的運(yùn)行特性、控制系統(tǒng)等也不同。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置的不同，永磁同步電動機(jī)主要可分為：表面式和內(nèi)置式。在表面式永磁同步電動機(jī)中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵心的外表

22、面上，這種電機(jī)的重要特點(diǎn)是直、交軸的主電感相等；而內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體外表面與定子鐵心內(nèi)圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，可以保護(hù)永磁體。這種永磁電機(jī)的重要特點(diǎn)是直、交軸的主電感不相等。因此，這兩種電機(jī)的性能有所不同【5】。 圖3正弦波表面永磁PMSM表面永磁同步電動機(jī)的特點(diǎn)：（1）永磁體粘接到轉(zhuǎn)子鐵心表面，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低；（2）有效氣隙較大，則同步電抗小，電樞反應(yīng)?。唬?）氣隙均勻，呈現(xiàn)隱極式同步電機(jī)的特點(diǎn)，即。電壓平衡方程式與相量圖： 圖4 表面永磁同步電動機(jī)向量圖 圖5 內(nèi)置永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖內(nèi)置永磁同步電動機(jī)的特點(diǎn)：（1）永磁體被牢牢地鑲嵌在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，適

23、用于高速運(yùn)行場合 ；（2）有效氣隙較小，d 軸和q 軸的同步電抗均較大，電樞反應(yīng)磁勢較大，從而存在相當(dāng)大的弱磁空間；（3）直軸的有效氣隙比交軸的大（一般直軸的有效氣隙是交軸的幾倍），因此，直軸同步電抗小于交軸同步電抗，即。電壓平衡方程式與相量圖： 圖6 正弦波內(nèi)置永磁同步電動機(jī)的時空相量圖無刷直流電動機(jī)的特點(diǎn)總結(jié)：（1）定子三相繞組由電子式逆變器供電，供電頻率和換流時刻取決于轉(zhuǎn)子位置傳感器同步的需要；（2）定子電樞繞組磁勢與轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁勢均以同步速旋轉(zhuǎn)，兩者保持相對靜止且空間相互垂直 最大轉(zhuǎn)矩的需要；（3）電機(jī)本體為交流永磁同步電動機(jī)。2.3永磁無刷直流電動機(jī)與正弦波永磁同步電動機(jī)的比較

24、：（1）從結(jié)構(gòu)上看：對于永磁無刷直流電機(jī)，其定子三相采用集中、整矩繞組，而轉(zhuǎn)子永磁體則采用表面瓦片式結(jié)構(gòu)，永磁體厚度均勻；對于正弦波永磁PMSM，其定子三相則采用分布、正弦繞組，轉(zhuǎn)子永磁體主要有兩大類：一類是表面永磁結(jié)構(gòu)；另一種為內(nèi)置永磁體結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)均可確保氣隙磁密的波形接近正弦。（2）從轉(zhuǎn)子位置傳感器上看：對于永磁無刷直流電機(jī)，僅需提供六個（通常為三個）離散的轉(zhuǎn)子位置反饋信息即可；對于正弦波永磁PMSM ，需要提供連續(xù)的轉(zhuǎn)子位置反饋信息 。（3）從所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩看：永磁無刷直流電機(jī)存在一定的轉(zhuǎn)矩脈動 ；正弦波永磁PMSM所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩基本上是恒定的 。（4）從體積和重量角度看：永磁

25、無刷直流電動機(jī)的功率密度是永磁同步電動機(jī)的1.15倍。3 永磁電機(jī)發(fā)展歷史世界上第一臺電機(jī)就是永磁電機(jī)，所以利用永磁體來制造電機(jī)已有很悠久的歷史。由于當(dāng)時永磁材料的磁性能低，制成的電機(jī)非常笨重，即被電勵磁電機(jī)所取代。40年代以后，具有較高剩磁的鋁鎳鈷和具有較高矯頑力的鐵氧體永磁材料相繼出現(xiàn)，永磁電機(jī)又獲得生機(jī)，在微特電機(jī)領(lǐng)城里占有重要位置。但鋁鎳鈷永磁矯頑力較低、易退磁；鐵氧體永磁的剩磁較低，使用范圍受到一定限制。至六十年代后期第一代稀土永磁合金（SmCo5）和十年代第二代稀土永磁合金（Sm2Co17）的出現(xiàn)，雖然原料釤與鈷價格昂貴，但磁體磁性能好，使永磁電機(jī)有了較大的發(fā)展。八十年代釹鐵硼稀土

26、永磁問世，1983年被列為世界十大重要科技成果，舉世矚目。由于釹資源豐富，以廉價的鐵取代昂貴的鈷，價格相對低廉，釹鐵硼稀土永磁磁性能好，極大地推動了永磁電機(jī)的開發(fā)。稀土永磁磁性能優(yōu)異，兼有鋁鎳鈷和鐵氧體永磁的優(yōu)點(diǎn)，具有很高的剩磁和矯頑力，以及很大的磁能積。稀土永磁的最大磁能積比鋁鎳鈷的大58倍；比鐵氧體的大1015倍；在同樣的有效體積條件下，比電勵磁的大58倍，僅次于超導(dǎo)勵磁。且退磁曲線幾乎是一條直線，回復(fù)曲線與退磁曲線基本重合，抗退磁能力強(qiáng)，熱穩(wěn)定性好（釤鈷永磁），用于電機(jī)，可使電機(jī)體積縮小，重量減輕，輸出功率大，效率顯著提高，與電勵磁電機(jī)相比，比功率（單位重量電機(jī)輸出功率）大40%以上。稀

27、土永磁連同功率電子器件和微型計算機(jī)已被公認(rèn)為促進(jìn)電機(jī)發(fā)展的三大支柱。稀土永磁電機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用前景廣闊，大有可為。在永磁電機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面，在過去一段時間里，鋁鎳鈷和鐵氧體永磁幾乎各占一半市場。今后將遵循材料互代性和競爭性原則，釹鐵硼則以優(yōu)異的磁性得到迅速發(fā)展。鐵氧體永磁則以廉價的優(yōu)勢占據(jù)低檔電機(jī)的市場。鋁鎳鈷應(yīng)用市場將相對減少，最后大部分將被釹鐵硼所取代。但由于鋁鎳鈷溫度穩(wěn)定性高，在高精度測速電機(jī)等信號類微電機(jī)中仍然會占有一席之地。永磁電機(jī)的發(fā)展同永磁材料的發(fā)展密切相關(guān)。我國是世界上最早發(fā)現(xiàn)永磁材料的磁特性并把它應(yīng)用于實(shí)踐的國家，多年前，我國利用永磁材料的磁特性制成了指南針，在航海、軍事等領(lǐng)域發(fā)

28、揮了巨大的作用，成為我國古代四大發(fā)明之一2。隨著各種電機(jī)迅速發(fā)展的需要和電流充磁器的發(fā)明，人們對永磁材料的機(jī)理、構(gòu)成和制造技術(shù)進(jìn)行了深入研究，相繼發(fā)現(xiàn)了碳鋼、鎢鋼、鈷鋼等多種永磁材料。特別是20世紀(jì)30年代出現(xiàn)的鋁鎳鈷永磁和50年代出現(xiàn)的鐵氧體永磁，磁性能有了很大提高，各種微型和小型電機(jī)又紛紛使用永磁體勵磁。永磁電機(jī)的功率小至數(shù)毫瓦，大至幾十，在軍事、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)量急劇增加。相應(yīng)地，這段時期在永磁電機(jī)的設(shè)計理論、計算方法、充磁和制造技術(shù)等方面也都取得了突破性進(jìn)展，形成了以永磁體工作圖圖解法為代表的一套分析研究方法。但是，鋁鎳鈷永磁的矯頑力偏低，鐵氧體永磁的剩磁密度不高

29、，限制了它們在電機(jī)中的應(yīng)用范圍。一直到20世紀(jì)60年代和80年代，稀土鉆永磁和釹鐵硼永磁二者統(tǒng)稱稀土永磁相繼問世，它們的高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線的優(yōu)異磁性能特別適合于制造電機(jī)，從而使永磁電機(jī)的發(fā)展進(jìn)入一個新的歷史時期。稀土永磁材料的發(fā)展大致分為三個階段。1967年美國教授發(fā)現(xiàn)的釤鈷永磁為第一代稀土永磁，其化學(xué)式可表示成，簡稱1：5型稀土永磁，產(chǎn)品的最大磁能積超過199。1973年又出現(xiàn)了磁性能更好的第二代稀土永磁，其化學(xué)式為。簡稱2：17型稀土永磁，產(chǎn)品的最大磁能積達(dá)到258.6。1983年日本住友特種金屬公司和美國通用汽車公司各自研制成功釹鐵硼永磁，稱為第三代稀土永磁。由

30、于釹鐵硼永磁的磁性能高于其他永磁材料，價格又低于稀土鉆永磁材料，在稀土礦中釹的含量是釤的十幾倍，而且不含戰(zhàn)略物質(zhì)鈷，因而引起了國內(nèi)外磁學(xué)界和電機(jī)界的極大關(guān)注，紛紛投入大量人力物力進(jìn)行研究開發(fā)。目前正在研究新的更高性能的永磁材料，如釤鐵氮永磁、納米復(fù)合稀土永磁等，希望能有新的更大的突破。與此相對應(yīng)，稀土永磁電機(jī)的研究和開發(fā)大致可以分成三個階段。第一階段20世紀(jì)60年代后期和70年代，由于稀土鈷永磁價格昂貴，研究開發(fā)重點(diǎn)是航空、航天用電機(jī)和要求高性能而價格不是主要因素的高科技領(lǐng)域。第二階段20世紀(jì)80年代，特別是1983年出現(xiàn)價格相對較低的釹鐵硼永磁后，國內(nèi)外的研究開發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到工業(yè)和民用電機(jī)上。

31、稀土永磁的優(yōu)異磁性能，加上電力電子器件和微機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，不僅使許多傳統(tǒng)的電勵磁電機(jī)紛紛用稀土永磁電機(jī)來替代，而且可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的電勵磁電機(jī)所難以達(dá)到的高能。第三階段進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善和價格的逐步降低以及電力電子器件的進(jìn)一步發(fā)展，加上永磁電機(jī)研究開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的逐步成熟，除了大力推廣和應(yīng)用已有研究成果，使永磁電機(jī)在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等各個方面獲得越來越廣泛的應(yīng)用外，稀土永磁電機(jī)的研究開發(fā)進(jìn)入一個新階段。一方面，正向大功率化高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩、高功能化和微型化方向發(fā)展。另一方面，促使永磁電機(jī)的設(shè)計理論、計算方法、結(jié)構(gòu)工

32、藝和控制技術(shù)等方面的研究工作出現(xiàn)嶄新的局面，有關(guān)的學(xué)術(shù)論文和科研成果大量涌現(xiàn)，形成了以電磁場數(shù)值計算和等效磁路解析求解相結(jié)合的一整套分析研究方法和計算機(jī)輔助設(shè)計軟件【6】。美國、日本和德國是開發(fā)水磁同步電動機(jī)起步較早的國家。早在本世紀(jì)50年代，美國G E公司就研制了一批數(shù)百瓦的微型永磁同步電動機(jī)，那時，這種電機(jī)是在鼠籠轉(zhuǎn)子中加裝鐵氧體永磁，但由于這種磁鋼的磁能積和剩磁密度都很低，其功率因數(shù)雖然提高較多，但效率提高較少；西德西門子公司，經(jīng)過10多年的研究，采用不同的結(jié)構(gòu)型式和鐵氧體永磁材料，開發(fā)了多種用途的永磁同步電動機(jī)。如用于化纖設(shè)備的容量為2.5k w、1 8 000r/m in高速永磁同步

33、電動機(jī)，用于變頻器供電的IU A 3系列永磁同步電動機(jī)。1973年國際上出現(xiàn)了第一次能源危機(jī)，石油、燃料、電力不斷漲價，能耗最嚴(yán)重的美國首當(dāng)其沖。1975年7月聯(lián)邦能源局FEA委托Atrhurd一iL ttle公司對電動機(jī)的節(jié)能潛力和高效電動機(jī)的發(fā)展前景進(jìn)行調(diào)查分析。1 9 7 6年8月，該公司提交了一份題為能量的效率與電動機(jī)的報告，引起了美國工業(yè)部門的廣泛重視。一時間，許多電機(jī)廠、研究所和大學(xué)相繼開發(fā)了高效率異步電動機(jī)（效率比一般異步電動機(jī)約高4%），并紛紛研制高效率、高功率因數(shù)的永磁同步電動機(jī)和“功率因數(shù)控制器”等各種節(jié)能裝置?？梢?，永磁同步電動機(jī)是一種高效節(jié)能產(chǎn)品已成為人們的共識，并已引

34、起世人的廣泛關(guān)注。70年代后期，發(fā)展微型和小型永磁同步電動機(jī)已呈世界性趨勢。60年代初期和70年代初期，第一代和第二代稀土衫鈷永磁材料SmCo5和Sm2Co17相繼問世，衫鈷材料的優(yōu)異磁性能給永磁電機(jī)的發(fā)展注入了新的生機(jī)。但是，衫、鈷均為稀有金屬，產(chǎn)量極少，因此，衫鈷磁鋼的價格昂貴，高達(dá)1000元/k g左右。使永磁同步電動機(jī)的價格也相應(yīng)提高。1978年，法國CEM公司采用瑞士BBC公司生產(chǎn)的低稀土20衫鈷磁鋼，研制成功ISO SYN系列永磁同步電動機(jī)，電機(jī)的中心高63160mm，共8個機(jī)座號，功率0.3718.5KW，共10個規(guī)格。與三相異步電動機(jī)相比，該系列電機(jī)的效率提高4%一10%，其功

35、率因數(shù)很高，功率因數(shù)平均提高0.072，電機(jī)價格約增高35%。這種電機(jī)特別適于多機(jī)大范圍同步調(diào)速的化纖、紡織工業(yè)，也廣泛用于水泵、風(fēng)機(jī)等連續(xù)調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械。超出的價格可以從1一2年電費(fèi)的節(jié)省中得到補(bǔ)償。我國對永磁同步電動機(jī)的研究起步較晚，但發(fā)展迅速。沈陽機(jī)電學(xué)院唐任遠(yuǎn)教授等研制成功高效率、高起動轉(zhuǎn)矩的稀土永磁同步電動機(jī)。1986年，上海電器科學(xué)研究所開發(fā)出化纖用外轉(zhuǎn)子永磁同步電動機(jī)，這是一種用于滌綸、維綸長絲高速紡機(jī)，作變速卷繞頭傳動裝置的專用電機(jī)，調(diào)速范圍1500一9000 r/min或1500一12720 r/min，調(diào)速平穩(wěn)，性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠。轉(zhuǎn)矩有1.50 N·m、2.35

36、N·m、3.6 0N·m等1 3個規(guī)格，可替代進(jìn)口電機(jī)。另有上海工業(yè)大學(xué)、華中理工大學(xué)、東南大學(xué)、一些科研所和電機(jī)廠，也都在開展永磁同步電動機(jī)及其變頻系統(tǒng)的研制，并在國內(nèi)外興起一個“同步、變頻”系統(tǒng)研究熱。我國的稀土資源豐富，稀土不稀，號稱“稀土王國”。稀土礦石和稀土永磁的產(chǎn)量都居世界前列。稀土永磁材料和稀土永磁電機(jī)的科研水平都達(dá)到了國際先進(jìn)水平。因此，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(jī)為代表的各種永磁電機(jī)，對實(shí)現(xiàn)我國社會主義現(xiàn)代化具有重要的理論意義和實(shí)用價值。國外：80年代、90年代出現(xiàn)了大量永磁同步電動機(jī)理論和研究方法的文章。國內(nèi)：80年代

37、起，以唐任遠(yuǎn)的現(xiàn)代永磁電機(jī)理 論和設(shè)計和李鐘明的稀土永磁電機(jī)為代表。4永磁同步電機(jī)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀早期對永磁同步電機(jī)的研究主要為固定頻率供電的永磁同步電機(jī)運(yùn)行特性的研究，特別是穩(wěn)態(tài)特性和直接起動性能的研究。永磁同步電動機(jī)的直接起動是依靠阻尼繞組提供的異步轉(zhuǎn)矩將電機(jī)加速到接近同步轉(zhuǎn)速，然后由磁阻轉(zhuǎn)矩和同步轉(zhuǎn)矩將電機(jī)牽入同步。V.B.Honsinger和M.A.Rahman等人在這方面做了大量的研究工作。  上個世紀(jì)八十年代國外開始對逆變器供電的永磁同步電動機(jī)進(jìn)行深入的研究。逆變器供電的永磁同步電機(jī)與直接起動的永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同，但在大多數(shù)情況下無阻尼繞組。阻尼繞組有以下特點(diǎn)：第一

38、，阻尼繞組產(chǎn)生熱量，使永磁材料溫度上升；第二，阻尼繞組增大轉(zhuǎn)動慣量、使電機(jī)力矩慣量比下降；第三，阻尼繞組的齒槽使電機(jī)脈動力矩增大。在逆變器供電情況下，永磁同步電機(jī)的原有特性將會受到影響，其穩(wěn)態(tài)特性和暫態(tài)特性與恒定頻率下的永磁同步電機(jī)相比有不同的特點(diǎn)。1980年后發(fā)表了大量的論文研究永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型、穩(wěn)態(tài)特性、動態(tài)特性。A.V.Gumaste等研究了電壓型逆變器供電的永磁同步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)特性及電流型逆變器供電的永磁同步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)特性。隨著對永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)性能要求的不斷提高，需要設(shè)計出高效率、高力矩慣量比、高能量密度的永磁同步電機(jī)，G.R.Slemon等人針對調(diào)速系統(tǒng)快速動態(tài)性能和高效率

39、的要求，提出了現(xiàn)代永磁同步電機(jī)的設(shè)計方法。  隨著微型計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)的全數(shù)字控制也取得了很大的發(fā)展。D.Naunin等研制了一種永磁同步電動機(jī)適量控制系統(tǒng)，采用了十六位單片機(jī)8097作為控制計算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了高精度、高動態(tài)響應(yīng)的全數(shù)字控制。八十年代末，九十年代初B.K.Bose等發(fā)表了大量關(guān)于永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)全數(shù)字控制的論文。  永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制器大多采用比例積分（PI）控制。PI控制器具有結(jié)構(gòu)簡單，性能良好，對被控制對象參數(shù)變化不敏感等優(yōu)點(diǎn)。1991年，R.B.Sepe首次在轉(zhuǎn)速控制器中采用自校正控制。早期自適應(yīng)控制主

40、要應(yīng)用于直流電機(jī)調(diào)束系統(tǒng)。國立臺灣大學(xué)劉天華等首次將魯棒控制理論應(yīng)用于永磁同步電動機(jī)伺服驅(qū)動。電機(jī)在運(yùn)行過程中，模型和參數(shù)是不斷變化的，參數(shù)和模型的變化將引起控制系統(tǒng)性能的降低。現(xiàn)代控制理論中的各種魯棒控制技術(shù)能夠使控制系統(tǒng)在模型和參數(shù)變化時保護(hù)良好的控制性能。因此，將各種魯棒控制技術(shù)運(yùn)用于電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域，可以大大提高調(diào)速系統(tǒng)的性能。在這方面，運(yùn)用的較為成功的控制技術(shù)主要有：自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制、參數(shù)辨識技術(shù)等。  自適應(yīng)控制技術(shù)能夠發(fā)送控制對象和運(yùn)行條件發(fā)生變化時控制系統(tǒng)的性能，N.Matsui，J.H.Lang等人將自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用于永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自

41、適應(yīng)控制技術(shù)能夠使調(diào)速系統(tǒng)在電機(jī)參數(shù)發(fā)生變化時保持良好的性能?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制由于其特殊的“切換”控制方式與電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中逆變器的“開關(guān)”模式相似，并且具有良好的魯棒控制特性，因此，在電機(jī)控制領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。  通過對電機(jī)參數(shù)變化進(jìn)行在線辨識，并運(yùn)用辨識的參數(shù)對調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制，也能夠提高控制系統(tǒng)的魯棒性。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能控制已成為現(xiàn)代控制領(lǐng)域中的一個重要分支，電氣傳動控制系統(tǒng)中運(yùn)用智能控制技術(shù)也已成為目前電氣傳動控制的主要發(fā)展方向，并且將帶來電氣傳動技術(shù)的新紀(jì)元。目前，實(shí)現(xiàn)智能控制的有效途徑有三條：基于人工智能的專家系統(tǒng)（ExpertSystem）；基于模糊集合理論

42、（FuzzyLogic）的模糊控制；基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificia1NeuraNetwork）的神經(jīng)控制。B.K.Bose等人從八十年代后期一直致力于人工智能技術(shù)在電氣傳動領(lǐng)域的應(yīng)用，并取得了可喜的研究成果。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(jī)的開發(fā)。4.1永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀最早對永磁同步電機(jī)的研究主要集中在固定頻率供電的永磁同步電機(jī)運(yùn)行特性方面，尤其是對穩(wěn)態(tài)特性和直接起

43、動性能方面的研究。從80年代開始，國外開始對逆變器供電的永磁同步電動機(jī)進(jìn)行研究。逆變器供電的永磁同步電機(jī)與直接起動的永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同，但在大多數(shù)情況下無阻尼繞組。無阻尼繞組可以防止永磁材料溫度上升，使電機(jī)力矩慣量比上升，電機(jī)脈動力矩降低等優(yōu)點(diǎn)。在逆變器供電情況下，永磁同步電機(jī)的原有特性將會受到影響，其穩(wěn)態(tài)特性和暫態(tài)特性與恒定頻率下的永磁同步電機(jī)相比有不同的特點(diǎn)。GI乙Slemon等人針對調(diào)速系統(tǒng)快速動態(tài)性能和高效率的要求，提出了現(xiàn)代永磁同步電機(jī)的設(shè)計方法，設(shè)計出了高效率、高力矩慣量比、高能量密度的永磁同步電動機(jī)，使永磁同步電動機(jī)伺服驅(qū)動性能得到了提高。DNuanin等研制了一種永磁同

44、步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)，采用16位單片機(jī)8097作為控制器，實(shí)現(xiàn)高精度、高動態(tài)響應(yīng)的全數(shù)字控制。永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制器大多采用比例積分（N）控制。N控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、性能良好，對被控制對象參數(shù)變化不敏感等優(yōu)點(diǎn)。自適應(yīng)控制技術(shù)能夠改善控制對象和運(yùn)行條件發(fā)生變化時控制系統(tǒng)的性能。NMatsui，JH1ang等人將自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用于永磁同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自適應(yīng)控制技術(shù)能夠使調(diào)速系統(tǒng)在電動機(jī)參數(shù)發(fā)生變化時保持良好的性能。通過對電動機(jī)參數(shù)變化進(jìn)行在線辨識，并運(yùn)用辨識的參數(shù)對調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制，也能夠提高控制系統(tǒng)的魯棒性。BKBose等人一直致力于人工智能技術(shù)在電氣傳動

45、領(lǐng)域的應(yīng)用，并取得了很好的研究成果。與此同時，國外一些著名的公司，如日本的FANUC、安川、富士通、松下，美國的AB公司、科爾摩根公司，德國的西門子公司，法國的BBC公司、韓國三星公司等不斷推出交流伺服驅(qū)動產(chǎn)品。隨著DSP技術(shù)的飛速發(fā)展，永磁同步伺服系統(tǒng)的數(shù)字化正在快速地進(jìn)行著。天津大學(xué)、華中科技大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)等研究了單片機(jī)或DSP構(gòu)成的全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)，采用預(yù)測控制和空間矢量控制技術(shù)，改善電流控制性能和系統(tǒng)響應(yīng)精度，并開發(fā)了數(shù)字伺服系統(tǒng)。數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用，不僅使系統(tǒng)獲得高精度、高可靠性，還為新型控制理論和方法的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)【7】。設(shè)計方面如范堅堅【8】等以降低加工難度與優(yōu)化氣隙磁通

46、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(jī)的多目標(biāo)設(shè)計方法；皮秀【9】等與以往針對給定的永磁同步電動機(jī)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(jī)參數(shù)的設(shè)計；張程設(shè)計了一種采用永磁同步電機(jī)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(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)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)整滑模控制器的切換項(xiàng)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【10】等一種繞組和轉(zhuǎn)

47、子新的安排設(shè)計方式減少了雙凸極永磁直線同步電機(jī)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等通過分析扭矩波動的緣由，通過電流補(bǔ)償使力矩波動最小的優(yōu)化控制；WU Zhihong等通過使用神經(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(jī)控制；趙朝會【11】等針對切向結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)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。張紹等采用雙空間矢量調(diào)制的矩陣變換器-永磁同步電機(jī)系統(tǒng)取得了良好的控制效果與較好

48、的網(wǎng)側(cè)性能，加入的電流補(bǔ)償環(huán)節(jié)效果明顯；Yongchang Zhang【12】等通過采用改進(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(qiáng)的魯棒性；谷善茂等對近年提出的多種估算永磁同步電動機(jī)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(diǎn)；朱磊等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；劉剛等為了解決電機(jī)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(jī)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)非線性解耦控制方法等等。診斷方面研究的不多

49、，關(guān)鍵是目前的診斷技術(shù)還有待發(fā)展【13】。田靜等建立了有效的故障診斷模型；Byoung-Gun Park【14】等使用了遞推最小二乘算法去評估永磁同步電機(jī)中的每相繞組中的電阻進(jìn)行故障診斷；Jawad Ahmed Farooq等建立了永磁同步電機(jī)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。4.2 BLDCM研究現(xiàn)狀永磁無刷直流電動機(jī)與傳統(tǒng)有刷直流電動機(jī)相比，是用電子換向取代原直流電動機(jī)的機(jī)械換向，并將原有刷直流電動機(jī)的定轉(zhuǎn)子顛倒（轉(zhuǎn)子采用永磁體）從而省去了機(jī)械換向器和電刷，其定子電流為方波，而且控制較簡單，但在低速運(yùn)行時性能較差，主要是受轉(zhuǎn)矩脈動的影響。引起轉(zhuǎn)矩脈動的因素很多，

50、主要有以下原因：（1）電樞反應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動減弱或克服這種原因造成轉(zhuǎn)矩脈動采用的方法是適當(dāng)增大氣隙，設(shè)計磁路時使電機(jī)在空載時達(dá)到足夠飽和，以及電機(jī)選擇瓦形或環(huán)形永磁體徑向勵磁結(jié)構(gòu)等。（2）電流換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動其抑制措施是通過選擇適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)轉(zhuǎn)速來削弱換相轉(zhuǎn)矩脈動的影響，或采用重疊換相法來抑制相電流換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動。（3）齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動減弱齒槽效應(yīng)最普通的方法是合理地選擇極槽配合，要么采用斜槽，或轉(zhuǎn)子采用斜極，另外還可適當(dāng)增大氣隙，采用分?jǐn)?shù)槽也有助于減少齒槽轉(zhuǎn)矩脈動如果制造無槽電機(jī)則是一種最有效的方法。（4）電流調(diào)節(jié)誤差引起的轉(zhuǎn)矩脈動克服這種原因所造成的轉(zhuǎn)矩脈動可通過改進(jìn)電流控制方法來

51、提高電流控制的精度，以減小電流脈動，從而把由電流調(diào)節(jié)引起的轉(zhuǎn)矩脈動降到最低限度。不過，要想找到更精確的電流控制方法，還需在實(shí)踐中進(jìn)行更深入的探索和研究。（5）機(jī)械加工因素引起的轉(zhuǎn)矩脈動譬如，制造電機(jī)所用材料的不一致性、轉(zhuǎn)子的偏心、各相繞組的不對稱等都易引起轉(zhuǎn)矩的脈動，可以采用選擇高質(zhì)量材料，提高工藝加工水平的辦法來減弱它的影響。4.3 PMSM的研究現(xiàn)狀雖然BLDCM比PMSM具有控制簡單，成本低，檢測簡單等優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)锽LDCM的轉(zhuǎn)矩脈動比較大，鐵心損耗也較大，所以在低速直接驅(qū)動場合的應(yīng)用中，PMSM的性能比BLDCM及其它交流伺服電動機(jī)優(yōu)越得多。不過在發(fā)展高性能PMSM中也遇到幾個“ 瓶頸

52、” 問題有待于作更深入的研究和探索。存在的主要問題如下：（1） PMSM在使用過程中出現(xiàn)“退磁”現(xiàn)象，而且在低速時也存在齒槽轉(zhuǎn)矩對其轉(zhuǎn)矩波動的影響。（2）檢側(cè)誤差對控制器調(diào)節(jié)性能有影響，發(fā)展高精度的速度及位置檢側(cè)器件和實(shí)現(xiàn)無傳感器檢測的方法均可克服這種影響。（3）以PMSM作為執(zhí)行元件構(gòu)成的永磁交流伺服系統(tǒng)，由于PMSM本身就是具有一定非線性、強(qiáng)藕合性和時變性的“ 系統(tǒng)” ，同時其伺服對象也存在較強(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)方式如基于控制，以從整體上提高系統(tǒng)的“ 智能化、數(shù)字化” 水平，這應(yīng)是當(dāng)前發(fā)展高性能PMSM伺服系統(tǒng)

53、的一個主要的“ 突破口”。4.4發(fā)展成果我國十分重視釹鐵硼永磁電機(jī)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(jī)樣機(jī)【4】。（1）3種典型規(guī)格的高效、高起動轉(zhuǎn)矩永磁同步電動機(jī)樣機(jī)，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(xiàng)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(jī)的37 kW稀土永磁同步電機(jī)與感應(yīng)電動機(jī)的性能比較。表2給出了我國新近開發(fā)的用于風(fēng)機(jī)、泵類作業(yè)中功率為1120 kW的稀土永磁同步電動機(jī)與感應(yīng)電動機(jī)和電勵磁同步電動機(jī)的性能對比【15】。表137 kW永磁同步電動機(jī)與感應(yīng)電動機(jī)

54、性能比較性能指標(biāo)永磁同步電機(jī)感應(yīng)電機(jī)額定效率%95.691額定功率因數(shù)0.960.79堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩（倍）3.21.8失步轉(zhuǎn)矩（倍）2.82.0（2）化纖機(jī)械用高效高牽入同步釹鐵硼永磁同步電動機(jī)（6個規(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，牽入轉(zhuǎn)矩提高了3倍。（3）機(jī)床主軸用7.5 kW高恒功率調(diào)速比釹鐵硼永磁同步電動機(jī)和驅(qū)動系統(tǒng)。開發(fā)的永磁同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍為0.4 r/min9000 r/min（國內(nèi)同規(guī)格的主軸感應(yīng)電動機(jī)的調(diào)速范圍僅為8 r/min8000 r/min），恒功率調(diào)速比達(dá)到1：6。（4）電動汽車用永

55、磁同步電動機(jī)和驅(qū)動系統(tǒng)。開發(fā)的7.5 kW輕微型電動客車用永磁同步電動機(jī)系統(tǒng)，電機(jī)重量為45 kg，磁體用量為0.92 kg，額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min，最高轉(zhuǎn)速5500 r/min。樣機(jī)系統(tǒng)整體額定效率達(dá)89.1%，1 h持續(xù)轉(zhuǎn)矩密度為0.74 N·m/kg（風(fēng)冷），15 min持續(xù)轉(zhuǎn)矩密度為1.123 N·m/kg（日本AISIM AW樣機(jī)1 h持續(xù)轉(zhuǎn)矩密度為0.78 N·m/kg）（油冷），15 min持續(xù)轉(zhuǎn)矩密度為1.178 N·m/kg。表21 120 kW永磁同步電機(jī)與感應(yīng)電機(jī)、電勵磁同步電機(jī)的性能對比性能指標(biāo)永磁同步電機(jī)感應(yīng)電機(jī)電勵磁同

56、步電機(jī)額定效率%96.594.495.0額定功率因數(shù)0.940.880.90堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩（倍）2.21.61.7失步轉(zhuǎn)矩（倍）2.01.61.7牽入轉(zhuǎn)矩（倍）1.860.7冷去方式風(fēng)冷風(fēng)冷水冷（5）高起動能力釹鐵硼永磁起動機(jī)電機(jī)（4個規(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的軟鐵輔助磁極，節(jié)省釹鐵硼永磁材料約30%。（6）美國GM與Unique Mobility公司曾聯(lián)合對峰值功率100 kW的異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)做過比較，結(jié)果參見表3【16】。表3異步電機(jī)與永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)比較參數(shù)異步電機(jī)永磁同步電機(jī)峰值功率/kW100100總重/kg3628功率/重量比0.41功率

57、/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。也在有軌機(jī)車、航空航天、電梯、家用電器、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(jī)是一種比較理想的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)。它的研究熱點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢也值得關(guān)注。5永磁同步電機(jī)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，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(dāng)，永磁同步電機(jī)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(jī)械振動時有可能產(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)計和制造時，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)工藝簡單、質(zhì)量減輕，總成本一般比電