永永磁電機綜述及退磁分析

1、永永磁電機綜述及退磁分析能源的重要可再生能源研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢能源是當今社會存在和發(fā)展的基礎，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生溫室效應和環(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行開發(fā)利用的主要有光伏發(fā)電、風力發(fā)電、潮汐能發(fā)電以及生物能和水力能發(fā)電等。近年來，隨著電力電子技術的發(fā)展，風力發(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最成熟、發(fā)展速度最快、最具有商

2、業(yè)發(fā)展?jié)摿Φ男履茉粗?；光伏發(fā)電技術具有對環(huán)境影響小的優(yōu)點，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度不強的地區(qū)的應用；潮汐能發(fā)電具有對地理位置要求高，發(fā)電設備需安裝在海底，穩(wěn)定性差等缺點，因此很難進行大規(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。全球可再生能源研究現(xiàn)狀及趨勢進入 21 世紀，世界各國都加大對風能、光伏等可再生能源的研究利用。發(fā)展可再生能源己經成為許多國家對能源進行研究和開發(fā)的主要內容。2006 年 3 月，歐盟首腦會議確定到2020 年風能、光伏等新型能源消費總量要占到傳統(tǒng)能源消費總量的20%； 2011

3、年美國提出到2030 年全美20%的電力供應由風力發(fā)電提供，生物燃料消費量要占汽車燃料消耗量的30%以上；印度在2009 年風電裝機容量已達到1100 萬千瓦時，裝機總容量排在世界第5 位；巴西通過利用甘蔗等本地資源大力發(fā)展生物能，到2008 年底生物燃料總產量已達兩千多萬噸，并且計劃到2030 年底生物能年產能達到750 億升，從而將生物能的生產作為巴西經貿的主要資源。目前，全球己有60 多個國家制定了相關的法律、法規(guī)或行動計劃，通過立法的強制性手段保障可再生能源戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)。到2009 年底，全球風能和太陽能等可再生能源總共約貢獻了1.7%的發(fā)電量，占全球能源消費總量的0.7%。風力發(fā)電

4、總裝機容量增長了31%，生物燃料發(fā)電量增長了8%，太陽能發(fā)電總裝機容量也已達到10000 兆瓦以上?？傊?，目前可再生能源的發(fā)展正朝著生產技術逐漸成熟、項目規(guī)模逐漸增大、建設快速逐漸加快、投資渠道逐漸增多、生產設備效率逐漸提高、設備維護逐漸便利的方向發(fā)展。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、經濟社會發(fā)展、能源供應和能源結構改造等方面發(fā)揮了重大作用。由于政府的大力引導和支持以及市場需求的推動，我國可再生能源的發(fā)展具有良好的內外部條件，我國可再生能源開始進入快速發(fā)展。2009 年， 我國新能源年年產能值相當于2.6億噸煤的產能，占到我國能源消費總量的8.

5、34%。 到 2011 年底，我國水力發(fā)電總裝機容量1.97 億千瓦時，居世界第一；風力發(fā)電總裝機容量達2730 萬千瓦時，新增裝機容量居世界第一，總裝機容量居世界第三；太陽能光伏電池年產量達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業(yè)化發(fā)展仍然面臨諸多問題，主要有：市場機制成不夠熟，使得新能源產業(yè)很難和傳統(tǒng)能源產業(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)略地位認識不夠，以及對對能源企業(yè)發(fā)展的銜接性和科學性認識 不足；企業(yè)和政府對新能源的研發(fā)投入不足；整個產業(yè)鏈體系較薄

6、弱，利潤率較低；對我國新能源 產業(yè)評估不深入，不利于新能源的產業(yè)化發(fā)展?？傊?，新能源產品市場競爭力低、成本價格高是我國可再生能源產業(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可再生能源的產業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展1。能源緊張是影響我國國民經濟發(fā)展的一個重要問題，也是全世界共同關心的闊題。節(jié)能是我國經濟和社會發(fā)展的一項長遠戰(zhàn)略方針，也是當前一項極為緊迫的任務。據國際電工委員會（IEC）統(tǒng)計，工業(yè)用電動機消耗全世界發(fā)電量的3040，我國電機系統(tǒng)用電量約占全國用電量的60%，其中風機、泵類、壓縮機和空調制冷機的用電量分別占全國用電量的10.4%、 20.9%、 9.4%和 6%。電機系統(tǒng)量大面廣，節(jié)電

7、潛力巨大。改善整個驅動系統(tǒng)（電動機和調速傳動）和應用技術（或工藝技術）的效率對節(jié)能關系重大，系統(tǒng)優(yōu)化總的節(jié)能潛力可達到30%60%。據行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，全國現(xiàn)有各類電機系統(tǒng)總裝機容量約7億kW,運行效率普遍比國外先進水平低1020個百分點，相當于每年浪費電能約1500億kWh。為此國家發(fā)改委在“十大重點節(jié)能工程實施意見”中提出：要推廣高效節(jié)能電動機、稀土永磁電動機；同時推廣變頻調速、永磁電動機調速等先進電機調速技術，改善風機、泵類電機系統(tǒng)調節(jié)方式，逐步淘汰閘板、閥門等機械節(jié)流調節(jié)方式。并建議在以下領域推廣應用稀土永磁電動機和調速系統(tǒng)：電力：用變頻、永磁電動機改造風機、水泵系統(tǒng)，重點是20 萬 kW

8、 以上火力發(fā)電機組。冶金：鼓風機、除塵風機、冷卻水泵；加熱爐風機、鑄造除鱗水泵等設備的變頻、永磁電動機調速。機電：研發(fā)制造節(jié)能型電機、電機系統(tǒng)及配套設備。輕工：注塑機、液壓油泵的變頻、永磁調速。其他：企業(yè)空調和通風、樓宇集中空調的永磁電機系統(tǒng)改造等。據國際能源機構（IEA） 2006 年 7月的工作報告，通過改善電動機效率結合變頻調速可以節(jié)約大約7%的電能，其中大致有1/41/3是靠提高電動機效率來獲得的，其余部分則來自系統(tǒng)的改進。目前，美、歐、日、澳大利亞、巴西等國都紛紛制訂電動機效率限值，并強制執(zhí)行。為協(xié)調各國能效分級標準，2006 年 IEC 制定一項新的能效標準IEC60034 30。

9、 該標準將一般用途電動機效率水平分為IE（l InternationalEfficiency ，簡稱IE）、IE2、 IE3 和 IE4 四級，其中IEl 為標準效率，相當于我國目前生產的普通系列感應電動楓的效率水平；IE2 為高效率，比普通電機的效率平均提高2.75個百分點，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，損耗平均再降低15左右；IE4 為超超高效率，損耗預計再下降20左右，需要進行全新的電機設計，建也新的體系結構（新的電機極數(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

10、定子電流和定子電阻損耗；而且在穩(wěn)定運行時沒有轉子電阻損耗，進而可以因總損耗降低而減小風扇（小容量電機甚至可以去掉風扇）和相應的風摩耗，從而使其效率和功率因數(shù)比同規(guī)格感應電動機高。而且在輕載時仍可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運行時節(jié)能效果更為顯著。因此，永磁電動機較容易做到高效率，既達到1E2級的效率值。如果進一步優(yōu)化設計，采用高性硅鋼片和先進工藝，在降低一個機座號或者縮短鐵心的情況下，可以達到超高效，既IE3級的效率值；在不降低機座號或適當增加鐵心的情況下，部分規(guī)格有可能達到超超高效，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量已居世界第一，國內高品質的釹鐵硼永磁體已能批

11、量生產，世界磁性材料的中心已轉移到中國，這為發(fā)展我國稀土永磁電機產業(yè)打下了良好的基礎大力發(fā)展稀土永磁電機和稀土永磁材料，將資源優(yōu)勢變?yōu)榻洕鷥?yōu)勢，將極大地推動我國稀土產業(yè)的發(fā)展。同時為節(jié)能降耗、保護環(huán)境、實現(xiàn)國民經濟持續(xù)發(fā)展做出重大貢獻。. 永磁電機的特點與傳統(tǒng)的電勵磁電機相比，稀土永磁電機具有結構簡單、運行可靠、體積小、質量輕、損耗小、效率高、電機的形狀和尺寸靈活多樣等顯著優(yōu)點。因此稀土永磁電機的應用范圍極為廣泛，遍及航空、航天、國防、 裝備制造、工農業(yè)生產和日常生活的各個領域。它包括永磁同步電動機、永磁發(fā)電機、直流電動機、無刷直流電動機、交流永磁伺服電動機、永磁直線電機、特種永磁電機及相關的

12、控制系統(tǒng)。種類幾乎覆蓋了整個電機行業(yè)。（ 1 ）稀土永磁電機結構簡單體積小，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。永磁同步發(fā)電機與傳統(tǒng)的發(fā)電機相比，不需要集電環(huán)和電刷裝置，結構簡單，降低了故障率。采用稀土永磁后還可以增大氣隙磁密，并把電機轉速調整到最佳值，提高功率質量比?，F(xiàn)代航空、航天用發(fā)電機幾乎全部采用稀土永磁發(fā)電機。永磁發(fā)電機也用作大型汽輪發(fā)電機的副勵磁機。目前，獨立電源用的內燃機驅動小型發(fā)電機、車用永磁發(fā)電機、風輪直接驅動的小型永磁風力發(fā)電機正在逐步推廣。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

13、電力電子器件的進一步發(fā)展，加上永磁電機研究開發(fā)經驗的逐步成熟，在大力推廣和應用已有研究成果，使永磁電機在國防、工農業(yè)生產和日常生活等各個方面獲得越來越廣泛的應用的同時，稀土永磁電機的研究開發(fā)也進入了一個新階段，正向大功率化（高轉速、高轉矩）、高功能化和微型化方向發(fā)展。目前，稀土永磁電機的單臺容量已超過1000kW,最高轉速已超過 300000r/min,最低轉速低于 0.01 r/min ,最小電機外徑只有 0.8mm,長 1.2mm。（ 2）稀土永磁電機輕型化采用稀土永磁體可以明顯減輕電機重量，縮小體積。例如10kW 發(fā)電機，常規(guī)發(fā)電機重量為220kg，而永磁發(fā)電機重量僅為92kg,相當于常

14、規(guī)發(fā)電機重量的45.8%。計算機磁盤驅動器在 20世紀60年代采用鐵氧體尺寸為14 英寸，而采用釹鐵硼后只有3.5 英寸，現(xiàn)在己達到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，用于艦船的推進，與過去使用的直流電動機相比，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，維護方便。荷蘭飛利浦公司用70W 微電機作比較，稀土永磁電機體積是電流勵磁電機的1/4，是鐵氧體勵磁電機的1/2。（ 3）稀土永磁電機高性能化高性能化也是稀土永磁電機的突出優(yōu)點，有例如， 數(shù)控機床用稀土永磁伺服電機，調速比高達1： 10000。稀土永磁電機可以實現(xiàn)精密

15、控制驅動，轉速控制精度可達到0.1%。在機械特性方面，稀土永磁電機可以實現(xiàn)低速大轉矩運行，可在負載轉矩下直接起動。此外，稀土永磁電機還具有運行精度高（如計算機硬盤 驅動器的擺動電機端面與磁盤之間的跳動量要求達到0.1科0.3科）、運行噪聲小、平穩(wěn)性好、過載能力大等特點。（ 4）稀土永磁電機高效節(jié)能稀土永磁電機又是一種高效節(jié)能產品，平均節(jié)電率高達10%以上， 專用稀土永磁電機的節(jié)電率可高達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、風機、壓縮機需要無級變頻

16、調速的場合， 異步變頻調速可節(jié)電25%左右，而永磁變頻調速節(jié)電率高達30%以上。電機節(jié)能是一項系統(tǒng)工程，應該從多個方面尋求降低電能消耗的方法。系統(tǒng)輸入功率包括配電電源、電動機的控制、電動機自身、電動機與負載的連接以及最終被驅動的負載匹配。國際電機節(jié)能的先進水平是風機、水泵自身運行效率一般在85%以上，系統(tǒng)運行效率在80%左右。而目前我國國產設備的本體設計效率為75%，系統(tǒng)運行效率不到30%，電源浪費十分嚴重。這種狀況目前尚未改變。電動機的節(jié)能有兩個方法。一個是改進異步電動機的結構，提高其效率和其他性能。另一個是發(fā)展永磁同步電動機，可以取得更高的節(jié)電效果【 3】 。永磁同步電動機的分類及特點永磁

17、同步電動機的基本性能特點1 ）效率高一是由于磁路系統(tǒng)的小型化，繞組亦趨小，從而減少了電機的銅損和鐵損，效率提高；二是在轉子上嵌入稀土永磁材料后，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；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，定子側銅損下降，提高了電機效率。有人曾分析過，一臺 20000r/min以上的高速有刷電動機，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%，機械損耗 2%，雜散損耗1%。大量使用的感應電動機，如冰箱壓縮機、空調、洗衣機、風扇等用的電動機，若輸出

18、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%；當輸出功率為420W、效率85%時，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%。如果使用永磁體產生磁場（作轉子），不使用電刷整流子，構成永磁電動機（無刷電動機），損耗就只有 24 J 電樞繞組的銅損、電樞鐵心的鐵損和機械損耗。因此， 有刷電動機特有的電刷損耗、有刷電動機和感應電動機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的效率。2）功率因數(shù)高在稀土永磁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

19、小了定子電流，進一步提高了電機的效率。同時功率因數(shù)的提高，提高了電網的品質因數(shù)，減少了輸變電線路的損耗，輸變電容量也可降低，節(jié)省電網投資。(3)起動力矩大在需要大啟動轉矩的設備(如油田抽油機電機)中，可以用較小容量的稀土永磁電機替代較大容量的 Y系列電機，如用 37kW永磁電機代替4555kW的Y系列電機，較好地解決了 “大 馬拉小車”的現(xiàn)象，節(jié)省了設備的投入費用，提高了系統(tǒng)的運行效能。(4)力能指標好異步電動機在低負載率(即不在額定點運行)的情況下，效率和功率因數(shù)下降嚴重。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%。而永磁電機的效率和功率因數(shù)下

20、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。永磁電動機的效率在較大的負載變化范圍平坦變化，保持高效率，節(jié)能效果突出。尤其對油田抽油機類啟動負 載大、運行負載小的電機，節(jié)能效果更好。(5)溫升低 轉子繞組中不存在銅損，定子繞組中幾乎不存在無功電流，這樣電機溫升低。電勵磁 電機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的出力。(6)可大氣隙化，便于構成新型磁路。(7)電樞反應小，抗過載能力強。2.2永磁同步電動機的分類永磁同步電動機的轉子磁鋼的幾何形

21、狀不同，使得轉子磁場在空間的分布可分為正弦波和梯形波兩 種。因此，當轉子旋轉時，在定子上產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機在原理、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交 流調速系統(tǒng)，習慣上又把正弦波永磁同步電動機組成的調速系統(tǒng)稱為正弦型永磁同步電動機(PMSM)調速系統(tǒng)；而由梯形波(方波)永磁同步電動機組成的調速系統(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 )調速系統(tǒng)。圖1正弦波永磁同步電動機的基本組成框圖山山張動電路HI Au位置傳感器控制電U圖2永磁無刷直流電動機的系統(tǒng)組

22、成永磁同步電動機轉子磁路結構不同，則電動機的運行特性、控制系統(tǒng)等也不同。根據永磁體在轉子上 的位置的不同，永磁同步電動機主要可分為：表面式和內置式。在表面式永磁同步電動機中，永磁體通常 呈瓦片形，并位于轉子鐵心的外表面上，這種電機的重要特點是直、交軸的主電感相等；而內置式永磁同 步電機的永磁體位于轉子內部，永磁體外表面與定子鐵心內圓之間有鐵磁物質制成的極靴，可以保護永磁 體。這種永磁電機的重要特點是直、交軸的主電感不相等。因此，這兩種電機的性能有所不同圖3正弦波表面永磁 PMSM表面永磁同步電動機的特點：(1)永磁體粘接到轉子鐵心表面，轉子轉速低；(2)有效氣隙較大，則同步電抗小，電樞反應??；

23、(3)氣隙均勻，呈現(xiàn)隱極式同步電機的特點，即Ld Lq LS。電壓平衡方程式與相量圖：U EoRaiajXsIa圖4表面永磁同步電動機向量圖圖5內置永磁同步電動機的轉子結構示意圖內置永磁同步電動機的特點：(1)永磁體被牢牢地鑲嵌在轉子鐵心內部，適用于高速運行場合；(2)有效氣隙較小，d軸和q軸的同步電抗均較大，電樞反應磁勢較大，從而存在相當大的弱磁空(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Xd Xq。q電壓平衡方程式與相量圖:UEojXdIdjXqlqRaia圖6正弦波內置永磁同步電動機的時空相量圖無刷直流電動機的特點總結：(1

24、)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子位置傳感器同步的需要；(2)定子電樞繞組磁勢與轉子永磁體產生的磁勢均以同步速旋轉，兩者保持相對靜止且空間相互垂 直一一 最大轉矩的需要；(3)電機本體為交流永磁同步電動機。2.3永磁無刷直流電動機與正弦波永磁同步電動機的比較：(1)從結構上看：對于永磁無刷直流電機，其定子三相采用集中、整矩繞組，而轉子永磁體則采用表面瓦片式結構，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，轉子永磁體主要有兩大類： 一類是表面永磁結構；另一種為內置永磁體結構，這兩種結構均可確保氣隙磁密的波形接近正弦。(2)從轉子位置傳感

25、器上看：對于永磁無刷直流電機，僅需提供六個(通常為三個)離散的轉子位置反饋信息即可；對于正弦波永 磁PMSM ,需要提供連續(xù)的轉子位置反饋信息。(3)從所產生的電磁轉矩看：永磁無刷直流電機存在一定的轉矩脈動；正弦波永磁PMSM所產生的電磁轉矩基本上是恒定的。(4)從體積和重量角度看：永磁無刷直流電動機的功率密度是永磁同步電動機的1.15倍。3永磁電機發(fā)展歷史世界上第一臺電機就是永磁電機，所以利用永磁體來制造電機已有很悠久的歷史。由于當時永磁材料 的磁性能低，制成的電機非常笨重，即被電勵磁電機所取代。40年代以后，具有較高剩磁的鋁饃鉆和具有較高矯頑力的鐵氧體永磁材料相繼出現(xiàn)，永磁電機又獲得生機，

26、在微特電機領城里占有重要位置。但鋁饃鈷永磁矯頑力較低、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)，雖然原料鈔與鉆價格昂貴，但磁體磁性能好，使永磁電機有了較大的發(fā)展。八十年代釹鐵硼稀土永磁問世，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，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

27、1015倍；在同樣的有效體積條件下，比電勵磁的大58 倍，僅次于超導勵磁。且退磁曲線幾乎是一條直線，回復曲線與退磁曲線基本重合，抗退磁能力強，熱穩(wěn)定性好（釤鈷永磁），用于電機，可使電機體積縮小，重量減輕，輸出功率大，效率顯著提高，與電勵磁電機相比，比功率（單位重量電機輸出功率）大40%以上。稀土永磁連同功率電子器件和微型計算機已被公認為促進電機發(fā)展的三大支柱。稀土永磁電機的發(fā)展與應用前景廣闊，大有可為。在永磁電機產品結構方面，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)勢占據低檔電機的市場。鋁鎳

28、鈷應用市場將相對減少，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，在高精度測速電機等信號類微電機中仍然會占有一席之地。永磁電機的發(fā)展同永磁材料的發(fā)展密切相關。我國是世界上最早發(fā)現(xiàn)永磁材料的磁特性并把它應用于實踐的國家，多年前，我國利用永磁材料的磁特性制成了指南針，在航海、軍事等領域發(fā)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理、構成和制造技術進行了深入研究，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 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又紛紛

29、使用永磁體勵磁。永磁電機的功率小至數(shù)毫瓦，大至幾十，在軍事、工農業(yè)生產和日常生活中得到廣泛應用，產量急劇增加。相應地，這段時期在永磁電機的設計理論、計算方法、充磁和制造技術等方面也都取得了突破性進展，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，限制了它們在電機中的應用范圍。一直到20 世紀 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，從而使永磁電機的發(fā)展進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

30、年美國教授發(fā)現(xiàn)的釤鈷永磁為第一代稀土永磁，其化學式可表示成Rco 5，簡稱 1： 5型稀土永磁，產品的最大磁能積超過199 KJ / m3。 1973 年又出現(xiàn)了磁性能更好的第二代稀土永磁，其化學式為R2co17 。簡稱2： 17 型稀土永磁，產品的最大磁能積達到258.6 KJ /m3。 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)略物質鈷，因而引起了國內外磁學界和電機界的極大關注，紛紛投入大量人力物力進行研究開發(fā)。目前正在研究新的更高

31、性能的永磁材料，如釤鐵氮永磁、納米復合稀土永磁等，希望能有新的更大的突破。與此相對應，稀土永磁電機的研究和開發(fā)大致可以分成三個階段。第一階段20 世紀 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)重點是航空、航天用電機和要求高性能而價格不是主要因素的高科技領域。第二階段20 世紀 80 年代，特別是1983 年出現(xiàn)價格相對較低的釹鐵硼永磁后，國內外的研究開發(fā)重點轉移到工業(yè)和民用電機上。稀土永磁的優(yōu)異磁性能，加上電力電子器件和微機技術的迅猛發(fā)展，不僅使許多傳統(tǒng)的電勵磁電機紛紛用稀土永磁電機來替代，而且可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的電勵磁電機所難以達到的高能。第三階段進入20 世紀 90 年代，隨

32、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一步發(fā)展，加上永磁電機研究開發(fā)經驗的逐步成熟，除了大力推廣和應用已有研究成果，使永磁電機在國防、工農業(yè)生產和日常生活等各個方面獲得越來越廣泛的應用外，稀土永磁電機的研究開發(fā)進入一個新階段。一方面，正向大功率化高轉速、高轉矩、高功能化和微型化方向發(fā)展。另一方面，促使永磁電機的設計理論、計算方法、結構工藝和控制技術等方面的研究工作出現(xiàn)嶄新的局面，有關的學術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合的一整套分析研究方法和計算機輔助設計軟件【 6】 。美國、日本和德

33、國是開發(fā)水磁同步電動機起步較早的國家。早在本世紀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，那時，這種電機是在鼠籠轉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，經過 10 多年的研究，采用不同的結構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。如用于化纖設備的容量為2.5k w、 1 8 000r/m in 高速永磁同步電動機，用于變頻器供電的IU A 3 系列永磁同步電動機。1973 年國際上出現(xiàn)了第一次能源危機，石油、燃料、電力不斷漲價，能耗最嚴重的美國首當其沖。1975 年 7 月聯(lián)邦

34、能源局FEA 委托 Atrhurd 一 iL ttle 公司對電動機的節(jié)能潛力和高效電動機的發(fā)展前景進行調查分析。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，許多電機廠、研究所和大學相繼開發(fā)了高效率異步電動機（效率比一般異步電動機約高4%） ，并紛紛研制高效率、高功率因數(shù)的永磁同步電動機和“功率因數(shù)控制器”等各種節(jié)能裝置。可見，永磁同步電動機是一種高效節(jié)能產品已成為人們的共識，并已引起世人的廣泛關注。70 年代后期，發(fā)展微型和小型永磁同步電動機已呈世界性趨勢。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SmC

35、o5 和 Sm2Co17 相繼問世，衫鈷材料的優(yōu)異磁性能給永磁電機的發(fā)展注入了新的生機。但是， 衫、 鈷均為稀有金屬，產量極少，因此，衫鈷磁鋼的價格昂貴，高達1000 元 /k g 左右。使永磁同步電動機的價格也相應提高。1978 年， 法國 CEM 公司采用瑞士BBC 公司生產的低稀土20 衫鈷磁鋼，研制成功ISO SYN 系列永磁同步電動機，電機的中心高 63160mm,共8個機座號，功率 0.3718.5KW ,共10個規(guī)格。與三相異 步電動機相比，該系列電機的效率提高4%一 10%，其功率因數(shù)很高，功率因數(shù)平均提高0.072，電機價格約增高35%。這種電機特別適于多機大范圍同步調速的化

36、纖、紡織工業(yè)，也廣泛用于水泵、風機等連續(xù)調速運轉的機械。超出的價格可以從1 一 2 年電費的節(jié)省中得到補償。我國對永磁同步電動機的研究起步較晚，但發(fā)展迅速。沈陽機電學院唐任遠教授等研制成功高效率、高起動轉矩的稀土永磁同步電動機。1986 年， 上海電器科學研究所開發(fā)出化纖用外轉子永磁同步電動機，這是一種用于滌綸、維綸長絲高速紡機，作變速卷繞頭傳動裝置的專用電機，調速范圍1500 一 9000 r/min或1500 12720 r/min ,調速平穩(wěn)，性能穩(wěn)定，運行可靠。轉矩有 1.50 N - m、2.35N - m、3.6 0N - m 等 1 3 個規(guī)格，可替代進口電機。另有上海工業(yè)大學、

37、華中理工大學、東南大學、一些科研所和電機廠， 也都在開展永磁同步電動機及其變頻系統(tǒng)的研制，并在國內外興起一個“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量都居世界前列。稀土永磁材料和稀土永磁電機的科研水平都達到了國際先進水平。因此，充分發(fā)揮我國稀土資源豐富的優(yōu)勢，大力研究和推廣應用以稀土永磁電機為代表的各種永磁電機，對實現(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。國外：80 年代、 90 年代出現(xiàn)了大量永磁同步電動機理論和研究方法的文章。國內： 80 年代起，以唐任遠的現(xiàn)代永磁電機理論和設計和李鐘明的稀土永磁電機為代表。4 永磁同步電機

38、國內外研究現(xiàn)狀早期對永磁同步電機的研究主要為固定頻率供電的永磁同步電機運行特性的研究，特別是穩(wěn)態(tài)特性和直接起動性能的研究。永磁同步電動機的直接起動是依靠阻尼繞組提供的異步轉矩將電機加速到接近同步轉速， 然后由磁阻轉矩和同步轉矩將電機牽入同步。V.B.Honsinger 和 M.A.Rahman 等人在這方面做了大量的研究工作。上個世紀八十年代國外開始對逆變器供電的永磁同步電動機進行深入的研究。逆變器供電的永磁同步電機與直接起動的永磁同步電機的結構基本相同，但在大多數(shù)情況下無阻尼繞組。阻尼繞組有以下特點：第一， 阻尼繞組產生熱量，使永磁材料溫度上升；第二， 阻尼繞組增大轉動慣量、使電機力矩慣量比

39、下降；第三，阻尼繞組的齒槽使電機脈動力矩增大。在逆變器供電情況下，永磁同步電機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相比有不同的特點。1980 年后發(fā)表了大量的論文研究永磁同步電機的數(shù)學模型、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穩(wěn)態(tài)特性及電流型逆變器供電的永磁同步電動機穩(wěn)態(tài)特性。隨著對永磁同步電機調速系統(tǒng)性能要求的不斷提高，需要設計出高效率、高力矩慣量比、高能量密度的永磁同步電機，G.R.Slemon 等人針對調速系統(tǒng)快速動態(tài)性能和高效率的要求，提出了現(xiàn)代永磁同步電機的設計方法。隨著微型計算機技術的發(fā)展，永磁同步

40、電動機矢量控制系統(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適量控制系統(tǒng)，采用了十六位單片機8097 作為控制計算機，實現(xiàn)了高精度、高動態(tài)響應的全數(shù)字控制。八十年代末，九十年代初B.K.Bose 等發(fā)表了大量關于永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)全數(shù)字控制的論文。永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)轉速控制器大多采用比例積分( PI)控制。PI控制器具有結構簡單，性 能良好，對被控制對象參數(shù)變化不敏感等優(yōu)點。1991年，R.B.Sepe首次在轉速控制器中采用自校正控制。早期自適應控制主要應用于直流電機調束系統(tǒng)。國立臺灣大學劉天華等首次將魯棒控制理論應用于永磁同 步電動機伺服驅動

41、。電機在運行過程中，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?，F(xiàn)代控制理論中的各種魯棒控制技術能夠使控制系統(tǒng)在模型和參數(shù)變化時保護良好的控制性 能。因此，將各種魯棒控制技術運用于電機調速領域，可以大大提高調速系統(tǒng)的性能。在這方面，運用的 較為成功的控制技術主要有：自適應控制、變結構控制、參數(shù)辨識技術等。自適應控制技術能夠發(fā)送控制對象和運行條件發(fā)生變化時控制系統(tǒng)的性能，N.Matsui ， J.H.Lang 等人將自適應控制技術應用于永磁同步電機調速系統(tǒng)。仿真和實驗結果表明，自適應控制技術能夠使調速系統(tǒng) 在電機參數(shù)發(fā)生變化時保持良好的性能?；Ｗ兘Y構控制由于其特殊的“切

42、換 ”控制方式與電機調速系統(tǒng)中逆變器的“開關 ”模式相似，并且具有良好的魯棒控制特性，因此，在電機控制領域有廣闊的應用前景。通過對電機參數(shù)變化進行在線辨識，并運用辨識的參數(shù)對調速系統(tǒng)進行控制，也能夠提高控制系統(tǒng)的魯棒性。隨著人工智能技術的發(fā)展，智能控制已成為現(xiàn)代控制領域中的一個重要分支，電氣傳動控制系統(tǒng)中運用智能控制技術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的新紀元。目前，實現(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( FuzzyLogic )的模糊控制；基于人工神經網絡(Artificia1NeuraNetwork

43、 )的神經控制。B.K.Bose 等人從八十年代后期一直致力于人工智能技術在電氣傳動領域的應用，并取得了可喜的研究成果。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)。永磁同步電機伺服系統(tǒng)的國內外發(fā)展現(xiàn)狀最早對永磁同步電機的研究主要集中在固定頻率供電的永磁同步電機運行特性方面，尤其是對穩(wěn)態(tài)特性和直接起動性能方面的研究。從80年代開始，國外開始對逆變器供電的永磁同步電動機進行研究。逆變器供電的永磁同

44、步電機與直接起動的永磁同步電機的結構基本相同，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，使電機力矩慣量比上升，電機脈動力矩降低等優(yōu)點。在逆變器供電情 況下，永磁同步電機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相比 有不同的特點。G. I乙Slemon等人針對調速系統(tǒng)快速動態(tài)性能和高效率的要求，提出了現(xiàn)代永磁同步電機的設計方法，設計出了高效率、高力矩慣量比、高能量密度的永磁同步電動機，使永磁同步電動機伺服驅動性能得到了 提高。D. Nuanin等研制了一種永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)，采用16位單片機8097作為控制器，實現(xiàn)高精度、高動態(tài)響應的全

45、數(shù)字控制。永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)轉速控制器大多采用比例積分（N）控制。N控制器具有結構簡單、性能良好，對被控制對象參數(shù)變化不敏感等優(yōu)點。自適應控制技術能夠改善控制 對象和運行條件發(fā)生變化時控制系統(tǒng)的性能。N. Matsui, J. H. lang等人將自適應控制技術應用于永磁同步電動機調速系統(tǒng)。仿真和實驗結果表 明，自適應控制技術能夠使調速系統(tǒng)在電動機參數(shù)發(fā)生變化時保持良好的性能。通過對電動機參數(shù)變化進 行在線辨識，并運用辨識的參數(shù)對調速系統(tǒng)進行控制，也能夠提高控制系統(tǒng)的魯棒性。B. K. Bose等人一直致力于人工智能技術在電氣傳動領域的應用，并取得了很好的研究成果。與此同時，國外一些著

46、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BBS司、韓國三星公司等不斷推出交流伺服驅動產品。隨著DSP技術的飛速發(fā)展，永磁同步伺服系統(tǒng)的數(shù)字化正在快速地進行著。天津大學、華中科技大學、沈陽工業(yè)大學等研究了單片機或DSP構成的全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)，采用預測控制和空間矢量控制技術，改善電流控制性能和系統(tǒng)響應精度，并開發(fā)了數(shù)字伺 服系統(tǒng)。數(shù)字控制技術的應用，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用提供 了基礎。設計方面如范堅堅181等以降低加工難度與優(yōu)化氣隙磁通密度為目標，設計了表貼式極間隔斷Halbach型磁鋼的

47、永磁同步電機的多目標設計方法；皮秀191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)的設計；張程設計了一種采用永磁同步電機驅動、STM32處理器、空間磁場定向控制技術（FOC）和空間電壓矢量脈寬調制技術等開發(fā)的專用驅動器，實現(xiàn)永磁同步電機的數(shù)字化變頻調速，大大降低了驅動器成本；劉治鋼等設計了神經網絡自適應滑?？刂破?。用RBF神經網絡自動調整滑?？刂破鞯那袚Q項增益，無需建立包含參數(shù)攝動和干擾在內的整個系統(tǒng)的精確數(shù)學模 型，有效提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性；Shi-Uk Chung皿】等一種繞組和轉子新的安排設計方式減少了雙凸極永磁直線同步電機的力矩波動

48、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，通過電流補償使力矩波動最小的優(yōu)化控制；WUZhihong等通過使用神經網絡以速度和力矩作為輸入，正交軸電流作為輸出達到最優(yōu)效率的永磁同步電機 控制；趙朝會等針對切向結構永磁同步電機漏磁大、結構復雜的缺陷，利用有限元分析方法探討了引 入輔助磁極后非導磁襯套等后的結構優(yōu)化等等。控制方面國內外展開了大量的研究，主要集中在矢量控制、直接轉矩控制、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制的矩陣變換器-永磁同步電機系統(tǒng)取得了良好的控制效果與較好的網側性能， 加入的電流補償環(huán)節(jié)效果明顯；Yongchan

49、g Zhang 1121等通過采用改進的直接轉矩控制降低了轉矩和磁通波動，同時獲得了簡化和較強的魯棒性；谷善茂等對近年提出的多種估算永磁同步電動機 轉子位置、速度的方法進行了綜述，比較了各種無傳感器方法的優(yōu)缺點；朱磊等介紹了弱磁控制理論建立 和發(fā)展的歷程，對比列舉了當前多種以雙電流環(huán)PI調節(jié)為基礎的弱磁控制策略，分析了創(chuàng)門在高倍轉速弱磁應用中遇到的瓶頸和原因；劉剛等為了解決電機參數(shù)變化和負載擾動的不確定性、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速系統(tǒng)非線性解耦控 制方法等等。診斷方面研究的不多，關鍵是目前的診斷技術還有待發(fā)展I13,o田靜

50、等建立了有效的故障診斷模型；Byoung-Gun Park”41等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行故障診斷； Jawad Ahmed Farooq等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。BLDCM研究現(xiàn)狀永磁無刷直流電動機與傳統(tǒng)有刷直流電動機相比，是用電子換向取代原直流電動機的機械換向，并將 原有刷直流電動機的定轉子顛倒(轉子采用永磁體)從而省去了機械換向器和電刷，其定子電流為方波， 而且控制較簡單，但在低速運行時性能較差，主要是受轉矩脈動的影響。引起轉矩脈動的因素很多，主要有以下原因：(1)電樞反應引起的轉矩脈動減弱

51、或克服這種原因造成轉矩脈動采用的方法是適當增大氣隙，設計磁路時使電機在空載時達到足夠 飽和，以及電機選擇瓦形或環(huán)形永磁體徑向勵磁結構等。(2)電流換相引起的轉矩脈動其抑制措施是通過選擇適當?shù)碾姍C轉速來削弱換相轉矩脈動的影響，或采用重疊換相法來抑制相電流 換相引起的轉矩脈動。(3)齒槽效應引起的轉矩脈動減弱齒槽效應最普通的方法是合理地選擇極槽配合，要么采用斜槽， 或轉子采用斜極，另外還可適當增大氣隙，采用分數(shù)槽也有助于減少齒槽轉矩脈動如果制造無槽電機則是 一種最有效的方法。(4)電流調節(jié)誤差引起的轉矩脈動克服這種原因所造成的轉矩脈動可通過改進電流控制方法來提高電流控制的精度，以減小電流脈動， 從

52、而把由電流調節(jié)引起的轉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，還需在實踐中 進行更深入的探索和研究。(5)機械加工因素引起的轉矩脈動譬如，制造電機所用材料的不一致性、轉子的偏心、各相繞組的不對稱等都易引起轉矩的脈動，可以 采用選擇高質量材料，提高工藝加工水平的辦法來減弱它的影響。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，但因為 BLDCM的轉矩脈動比較 大，鐵心損耗也較大，所以在低速直接驅動場合的應用中，PMSM的性能比BLDCM及其它交流伺服電動機優(yōu)越得多。不過在發(fā)展高性能 PMSM中也遇到幾個“瓶頸”問題有待于作更深入的研究和探索。存在

53、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矩對其轉矩波動的影響。(2)檢側誤差對控制器調節(jié)性能有影響，發(fā)展高精度的速度及位置檢側器件和實現(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、強藕合性和時變性的 “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 TOC o 1-5 h z 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)方式如基于控制，以從整體上提高系統(tǒng)的“智能化、數(shù)字化”水平，這應是當前發(fā)展高性能PMSM伺服系統(tǒng)的一個主要的 “

54、突破口發(fā)展成果我國十分重視鈦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。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37 kW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1120 kW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I15,o表1 37 kW永磁同步電動機與感應電動機性能比較性能指標永磁同步電機感應電

55、機額定效率%95.691額定功率因數(shù)0.960.79堵轉轉矩（倍）3.21.8失步轉矩（倍）2.82.0（2）化纖機械用高效高牽入同步被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，牽入轉矩提高了 3倍。（3）機床主軸用7.5 kW高恒功率調速比鉉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 0.4 r/min9000 r/min（國內同規(guī)格的主軸感應電動機的調速范圍僅為8 r/min8000r/min ）,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

56、發(fā)的7.5 kW輕微型電動客車用永磁同步電動機系統(tǒng)，電機重量為45 kg,磁體用量為0.92 kg,額定轉速為3000 r/min ,最高轉速5500 r/min。樣機系統(tǒng)整體額定 效率達89.1%, 1 h持續(xù)轉矩密度為 0.74 N - m/kg （風冷），15 min持續(xù)轉矩密度為 1.123 N - m/kg （日本 AISIM AW 樣機1 h持續(xù)轉矩密度為 0.78 N - m/kg）（油冷），15 min持續(xù)轉矩密度為 1.178 N - m/kg。表2 1 120 kW永磁同步電機與感應電機、電勵磁同步電機的性能對比性能指標永磁同步電機感應電機電勵磁同步電機額定效率%96.59

57、4.495.0額定功率因數(shù)0.940.880.90堵轉轉矩（倍）2.21.61.7失步轉矩（倍）2.01.61.7牽入轉矩（倍）1.860.7冷去方式風冷風冷水冷（5）高起動能力被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)省被鐵硼永磁材料約30%。（6）美國GM與Unique Mobility公司曾聯(lián)合對峰值功率100 kW的異步電機和永磁同步電機驅動系統(tǒng)做過比較，結果參見表 3I16,o表3異步電機與永磁同步電機驅動系統(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

58、（額定功率）/%9092效率（峰值功率）/%7585因此在電動車驅動方面具有較高的應用價值，已經受到國內外電動汽車界的高度重視，并在日本得到了普遍的應用，比如鈴木every EV、日產Hyper Mini、豐田RAV4 EV、本田EV Plus等等。也在有軌機車、航空航天、電梯、家用電器、航海等領域應用較廣。進過上述的對比分析，永磁同步電機是一種比較理想的電動汽車驅動系統(tǒng)。它的研究熱點、發(fā)展現(xiàn)狀和趨 勢也值得關注。5 永磁同步電機存在問題在開發(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

59、（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

60、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