【壓縮機網(wǎng)】隨著(zhù)20世紀70年代稀土永磁材料的發(fā)展，稀土永磁電機應運而生。永磁電機利用稀土永磁體勵磁，永磁體充磁后能夠產(chǎn)生永久磁場(chǎng)。它的勵磁性能優(yōu)異，因在穩定性、質(zhì)量、降低損耗等方面都優(yōu)于電勵磁電機而動(dòng)搖了傳統的電機市場(chǎng)。近年來(lái)，隨著(zhù)現代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，電磁材料特別是稀土電磁材料性能及工藝逐漸得以提高和改善，再加上電力電子與電力傳動(dòng)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的高速發(fā)展，永磁同步電機的性能越來(lái)越好。再者，永磁同步電動(dòng)機具有質(zhì)量輕、結構較簡(jiǎn)單、體積小、特性好、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，很多科研機構、企業(yè)都在努力積極開(kāi)展永磁同步電機的研發(fā)工作，其應用領(lǐng)域將進(jìn)一步擴大。

 

 

　　永磁同步電機的技術(shù)及發(fā)展現狀

 

　　1. 永磁同步電機的發(fā)展基礎

 

　?、?高性能稀土永磁材料的應用

 

　　稀土永磁材料經(jīng)歷了SmCo5、Sm2Co17、Nd2Fe14B三個(gè)階段?，F在以釹鐵硼為代表的永磁材料因其在磁學(xué)性能上表現優(yōu)異成為應用z*廣泛的一類(lèi)稀土永磁材料。永磁材料的發(fā)展帶動(dòng)了永磁電機的發(fā)展。與傳統的電勵磁三相感應電機相比，永磁體替代了電激磁磁極，簡(jiǎn)化了結構，消除了轉子的滑環(huán)、電刷，實(shí)現了無(wú)刷結構，縮小了轉子體積。這使得電機的功率密度、轉矩密度和工作效率提高，且使電機體積變小，質(zhì)量減輕，使其應用領(lǐng)域進(jìn)一步擴大，促使電動(dòng)機向更大功率方向發(fā)展。

 

　?、?新型控制理論的應用

 

　　近年來(lái)，控制算法發(fā)展很快，其中，矢量控制算法從原理上解決了交流電機的驅動(dòng)策略問(wèn)題，使得交流電機具有良好的控制性能。直接轉矩控制的出現使控制結構更加簡(jiǎn)單，以及具有對參數變化電路棒性能強和轉矩動(dòng)態(tài)響應速度快的特點(diǎn)。間接轉矩控制技術(shù)解決了直接轉矩在低速時(shí)轉矩脈動(dòng)大的問(wèn)題，提高了電動(dòng)機的轉速和控制精度。

 

　?、?高性能電力電子器件和處理器的應用

 

　　現代電力電子技術(shù)是信息產(chǎn)業(yè)與傳統產(chǎn)業(yè)間重要的接口，是弱電與被控強電之間的橋梁。電力電子技術(shù)的發(fā)展使驅動(dòng)控制策略得以實(shí)現。比如20世紀70年代出現了通用變頻器的系列產(chǎn)品，它們能將工頻電源轉換成頻率連續可調的變頻電源，如此就為交流電的變頻調速創(chuàng )造了條件。這些變頻器在頻率設定后具有軟啟動(dòng)能力，頻率能以一定的速率從零上升到設定的頻率，并且上升速率在很大范圍內可連續調整，解決了同步電動(dòng)機的啟動(dòng)問(wèn)題。

 

　　2. 國內外永磁同步電機的發(fā)展現狀

 

　　歷史上第一臺電機是永磁電機。當時(shí)，永磁材料性能比較差，永磁體矯頑力和剩磁都太低，不久就被電勵磁電機取代了。到了20世紀70年代，以釹鐵硼為代表的稀土永磁材料擁有很大的矯頑力、剩磁，退磁能力強和較大的磁能積使大功率永磁同步電機登上歷史的舞臺?，F在，關(guān)于永磁同步電機的研究日趨成熟，正向高速度、大轉矩、大功率、高效率以及微型化、智能化發(fā)展。近年來(lái)，在永磁同步電機本體上出現了很多高端電機，比如1986年德國西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的230r/min、1 095kW的六相永磁同步電動(dòng)機。用它為艦船提供動(dòng)力，其體積比傳統的直流電機小近60%，損耗降低近20%。瑞士ABB公司建造的用于艦船推進(jìn)的永磁同步電動(dòng)機z*大安裝容量達38MW。我國對永磁電機的研究起步晚，隨著(zhù)國內學(xué)者和政府的大力投入，它發(fā)展得很快。目前，我國已經(jīng)研制生產(chǎn)出3MW高速度永磁風(fēng)力發(fā)電機，南車(chē)株洲公司也在研制更大功率的永磁電機。

 

　　隨著(zhù)微型計算機技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機在各領(lǐng)域得到了廣泛的應用?，F在由于社會(huì )的進(jìn)步，人們對永磁同步電機的要求更加苛刻，促使永磁電動(dòng)機向著(zhù)擁有更大的調速范圍和更高的精度控制發(fā)展。由于現在生產(chǎn)工藝的提高，具有高性能的永磁材料得到進(jìn)一步的發(fā)展。這使其成本大大降低，逐漸被應用于生活的各個(gè)領(lǐng)域。

 

　　永磁同步電機特點(diǎn)及分類(lèi)

 

　　1. 永磁同步電機的特點(diǎn)

 

　　永磁同步電動(dòng)機自身結構簡(jiǎn)單，損耗低，功率因數高。與電勵磁電機相比，因為沒(méi)有電刷、換向器等裝置，不需要無(wú)功勵磁電流，因此定子電流、電阻損耗都較小，效率更高，勵磁轉矩更大，能控性能更好。但存在成本高，啟動(dòng)困難等不足。由于現在控制技術(shù)在電機上的應用，特別是矢量控制系統的應用，永磁同步電機能實(shí)現大范圍調速、快速動(dòng)態(tài)響應和高精度定位控制，所以永磁同步電機將會(huì )吸引更多的人進(jìn)行廣泛的研究。

 

　　2. 永磁同步電動(dòng)機的分類(lèi)

 

　?、?按轉子磁場(chǎng)形成波形的不同劃分

 

　　由于永磁同步電動(dòng)機轉子磁鋼形狀不一樣，轉子磁場(chǎng)在空間分布形成的波形也有所不同，習慣上分為正弦型永磁同步電機調速系統（轉子在定子上產(chǎn)生的反電動(dòng)勢是正弦波）和無(wú)刷直流電動(dòng)機BLDCM（轉子在定子上產(chǎn)生的反電動(dòng)勢是梯形波）。

 

　?、?按永磁體在轉子空間結構的不同劃分

 

　　永磁同步電動(dòng)機因永磁體在轉子空間結構的不同分表貼式和內置式。表貼式永磁同步電動(dòng)機永磁體的形狀通常呈瓦片形，緊貼在轉子鐵芯的外表面。表貼式永磁電機的特點(diǎn)是直軸和交軸的電感相等。內置式永磁電機的永磁體在轉子鐵芯內部，永磁體外表面與定子鐵芯內圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴。極靴起聚磁作用，可以提高氣隙磁密，還可以改善空載氣隙磁場(chǎng)波形。這種永磁電機的重要特點(diǎn)是直、交軸磁路不對稱(chēng)。這兩種電機的性能有所不同，與表面式永磁電機相比，內置式永磁電機具有弱磁擴速能力強、動(dòng)態(tài)響應快、齒槽轉矩小等優(yōu)點(diǎn)。

 

　　現階段的永磁同步電動(dòng)機技術(shù)

 

　　1. 永磁同步電機設計技術(shù)

 

　　與普通電勵磁電機相比，永磁同步電動(dòng)機由于沒(méi)有電勵磁繞組、集電環(huán)和勵磁柜，不僅穩定性、可靠性大大提高，而且效率也有很大改善。其中，內置式永磁電機具有效率高、功率因數大、單位功率密度大、弱磁擴速能力強和動(dòng)態(tài)響應速度快等優(yōu)點(diǎn)，成為驅動(dòng)電機的理想選擇。永磁體提供永磁電機的全部勵磁磁場(chǎng)，齒槽轉矩會(huì )加大電機運行時(shí)的震動(dòng)和噪聲。過(guò)大的齒槽轉矩會(huì )使電機速度控制系統的低速性能及位置控制系統的高精度定位受到影響，所以在電機設計時(shí)，應盡量通過(guò)電機優(yōu)化來(lái)減小齒槽轉矩。經(jīng)研究，減小齒槽轉矩的一般方法有改變極弧系數，減小定子的槽口寬度，斜槽、極槽配合，改變磁極位置、尺寸和形狀等。但應該注意，在減小齒槽轉矩時(shí)，可能會(huì )對電機的其他性能造成影響，比如電磁轉矩可能會(huì )隨之變小。所以在設計時(shí)，要盡量平衡好各種因素，使電機性能達到z*好。

 

　　2. 永磁同步電機仿真技術(shù)

 

　　永磁電機中永磁體的存在給設計人員計算參數帶來(lái)了難度，比如空載漏磁系數的設計、極弧系數的設計。一般利用有限元分析軟件計算優(yōu)化永磁電機各項參數。有限元軟件能使電機參數計算很精確，且利用它分析電機參數對性能的影響是非?？尚诺?。有限元計算方法使我們計算及分析電機電磁場(chǎng)更方便、更快速、更準確。這是一種數值的方法，是在差分法的基礎上發(fā)展而來(lái)的，現已被廣泛運用于科學(xué)和工程領(lǐng)域。用數學(xué)方法把一些連續的求解域離散成一組組單元，再在每個(gè)單元內分片插值。這樣就形成了一個(gè)線(xiàn)性插值函數，即近似函數利用有限元進(jìn)行仿真分析，它可以讓我們直觀(guān)地觀(guān)察電機內部磁場(chǎng)磁力線(xiàn)走向和磁通密度的分布。

 

　　3. 永磁同步電機控制技術(shù)

 

　　提高電機驅動(dòng)系統性能對工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展同樣具有重要意義，它使系統處于z*佳的性能驅動(dòng)，其基本特點(diǎn)體現在速度較小方面，尤其是在快速啟動(dòng)、靜止加速等情況下，能夠輸出較大轉矩；而在高速行駛時(shí)，可以實(shí)現大范圍內的恒功率調速控制。表1為幾種主要電機性能的比較。

 

 

　　從表1中可以看出，永磁電機有很好的可靠性，且調速范圍寬，效率較高。如果以相應的控制方法配合，能使電機的整個(gè)系統發(fā)揮z*好的性能。因此，要選合適的控制算法來(lái)達到高效調速，從而使電機的驅動(dòng)系統在相對較寬的調速區域、恒功率區間運行。

 

　　矢量控制方法在永磁電機調速控制算法中使用較廣，它有調速范圍廣、效率高、可靠性高、穩定性好、經(jīng)濟效益好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于電機驅動(dòng)、軌道交通及機床伺服等領(lǐng)域中。由于用途不同，所采用的電流矢量控制策略也是不相同的。

 

　　永磁同步電動(dòng)機的設計方法分類(lèi)

 

　　1. 磁路法

 

　　電機中分布不勻的交變磁場(chǎng)可等效成相應的磁路，使磁場(chǎng)計算轉化為磁路計算。由于等效磁路計算中采用較多修正系數，因此無(wú)法通過(guò)理論計算出其精確值。一般使用經(jīng)驗數據。如果初步設計出來(lái)的方案不滿(mǎn)足設計需要，設計者必須重新選定修正值再次計算。

 

　　2. 有限元法

 

　　為使計算準確，需對電磁場(chǎng)進(jìn)行分析，比如永磁磁極形狀與尺寸、局部退磁現象等。用有限元軟件對電磁場(chǎng)數值計算分析，節省了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本，為電機的優(yōu)化設計提供了準確的依據。計算機性能的提高使得電磁場(chǎng)數值計算理論的各種分析方法得以發(fā)展。有限元法實(shí)質(zhì)是將問(wèn)題轉化成適合數值求解的結構性問(wèn)題，它將無(wú)限個(gè)自由度的連續系統理想化成有限多個(gè)自由度單元集合。目前，z*常用的有限元仿真軟件是ansoft，它能對整個(gè)電機系統進(jìn)行聯(lián)合仿真。

 

　　3. 場(chǎng)路結合法

 

　　磁路法計算速度雖快，但是精確度不高，計算機計算精確度高，但計算較慢且對計算機要求較高。因此，將有限元法與傳統的磁路法相結合應用到電機電磁的數值計算中，不僅可以提高計算效率，還可以提升精度。這對電機參數設計有很大的實(shí)用價(jià)值。場(chǎng)路結合法的基本思路是先參考磁路計算結果，初步建立幾何模型，然后通過(guò)有限元進(jìn)行磁場(chǎng)分析，準確計算出等效磁路法中需要修正的系數。

 

　　永磁同步電動(dòng)機發(fā)展趨勢

 

　　1. 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機（BLDCM）

 

　　自20世紀80年代起，控制技術(shù)，尤其是控制理論策略發(fā)展很快，其中一些先進(jìn)的控制策略，比如滑?？刂?、變結構控制等正在被引入永磁無(wú)刷電動(dòng)機的控制器中。這為推動(dòng)高性能向智能化、柔性化、全數字化的發(fā)展開(kāi)辟了新途徑?，F在人們生活水平越來(lái)越高，保護生存環(huán)境的意識不斷增強，使用高性能的電機系統成為電機產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，并且將來(lái)也會(huì )在電動(dòng)車(chē)、家用電器等小電機行業(yè)中得到更廣泛的應用。

 

　　2. PMSM的發(fā)展趨勢

 

　　PMSM伺服系統因其自身技術(shù)和應用領(lǐng)域，將會(huì )朝著(zhù)2個(gè)方向發(fā)展：①辦公自動(dòng)化設備、簡(jiǎn)易數控機床、計算機外圍設備、家用電器及對性能要求不高的工業(yè)運動(dòng)控制等領(lǐng)域的簡(jiǎn)易、低成本伺服系統；②高精度數控機床、機器人、特種加工設備精細進(jìn)給驅動(dòng)，以及航空、航天用的高性能全數字化、智能化、柔性化的伺服系統。后者更能充分體現伺服系統的優(yōu)點(diǎn)，它將是今后發(fā)展的主要方向。