稀土永磁同步电机发展优势

1、稀土永磁同步电机发展优势我国稀土资源丰富，蕴藏量占全世界80%以上，近些年由于钕铁硼类永磁体的磁性能不改善和成熟， 并且价格不断下降， 使得稀土永磁电机的推广和应用走向民用产品成为可能。稀土永磁材料用以制造电动机（或发电机）可缩小体积、减轻重量，降低损耗，简化结构， 提高可靠性。 稀土永磁电机的运转效率和功率因数大幅度提高， 具有调速精度高、 调速比大， 输出特性硬、 运转平稳， 特殊是电机具有恒转矩输出和转速不随负载波动的特性。 通过有效 方法控制， 可使稀土电机输出转速和转矩在很大范围内得到精确控制， 在某些机械传动中可 以去掉减速器， 使得整个系统简朴可靠、 高效节能， 这无疑给整个机械

2、制造行业带来一场新 的革命。 推广应用稀土永磁电机具有重要的战略意义和社会经济效益， 可以说是传统电机更 新换代产品。稀土永磁同步电机的主要发展优势1 结构简单运行可靠。因为永磁电机转子不需要励磁，省去线圈或鼠笼，简化了结构，实 现了无刷，减少了故障，维修更加方便简单，维修复杂系数大大降低。2 超低温升、 小体积永磁同步电机与感应电机相比，由于不需要无功励磁电流，而具备以下特点： 功率因数高； 反电势正弦波降低了高次谐波的幅值，有效地解决了对电源 的干； 减小电机的铜损和铁损。所以同步电机发热小，经国家检测温升只有37.8度。3 高效率超节能。由于功率因数高（可近似为1），以省去了电励磁，减小

3、了定子电流和定子转子电阻的损耗，效率高（ 92%94%），满载起动电流比异步减少一半，所以节能效果 明显，用于电梯时同步电机可节能 50%以上，轻载电流低于异步电机的 10%，如 11Kw 异 步电机轻载时异步电机电流10A，而同步电机轻载电流只有 0.7A。4 调速范围宽，可达 1:1000 甚至于更高（异步电机只有1:100），而且调速精度极高，可大大提高电梯的品质。5 永磁同步电梯电机在额定转速内保持恒转矩，对于提高电梯的运行稳定性至关重要。 可以做到给定曲线与运行曲线重合，特殊是电动机在低频、低压、低速时可提供足够的转矩， 避免了电梯启动减速过程抖动， 改善了电梯启制动过程的恬静感。

4、因为永磁同步电机满载启 动运行时电流不大， 所以配置变频器无需提高功率配置， 降低了变频器的成本。 由于永磁电 机恒转矩和宽调速的优势， 可将电机做成多极， 为去除减速箱实现无齿化创造了条件， 促进 电梯技术的进步。6 利用永磁同步电机的发电制动功能，实现对无齿轮电梯的二次安全保护。众所周知，电梯因制动器失灵而造成溜车的事故常有发生，而永磁电机采取一定的电路和控制程序措施， 使电梯在制动器失灵时利用永磁同步电动机固有的发电制动功能实现第二次安全保。7 采用永磁同步电机的电梯节能可达50%，按每台每年节约电费近万元计，仅北京市节约电费就数亿元，所节约的电能又能为国民经济做更大的贡献。8 稀土永磁

5、同步电梯的拖动系统由电动机和用以驱动电机的同步变频器组成。当前同步变频器与同功率的异步变频器相比价格相称， 未来同步变频器的价格将低于异步变频器。 而所 用变频器的功率等级比异步机的低，可减少开支 25%，合约 3000 元左右。由于永磁同步电 机所用的永磁材料价格已下降，同步电动机比异步电动机价格只高20%，系统价格并没有提高，而且还有下降的趋势。永磁同步电动机的应用前景发表时间： 2007-10-10 来源：中国工控信息网 关键字：永磁同步电动机 工业应用信息化应用调查 在线投稿 加入收藏发表评论好文推荐打印文本 由于电子技术和控制技术的发展，永磁同步电动机的控制技术亦已成熟并日趋完善。以

6、往同步电动机的概 念和应用范围已被当今的永磁同步电动机大大扩展。本文介绍了永磁同步电动机的运行控制方法及其在现 代工业中的应用。众所周知，直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这 是各类交流电动机所没有的 特性。此外， 直流电动机还有起动转矩大、 效率高、调速方便、 动态特性好等特点。优良的控制特性使直流电动机 在 70 年代前的很长时间里，在有调速、 控制要求的场合，几乎成了唯一的选择。 但是，直流电动机的结构复杂，其定子上有激磁绕 组产生主磁场， 对功率较大的直流电动机常常还装有换向极， 以改善电机的换向性能。 直流 电机的转子上安放电枢绕组和换向器， 直流电源通

7、过电刷和换向器将直流电送入电枢绕组并 转换成电枢绕组中的交变电流， 即进行机械式电流换向。 复杂的结构限制了直流电动机体积 和重量的进一步减小， 尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花， 使直流电动 机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀， 还是一个无线电干扰源， 会对周围的电器设备带来有害的影响。 电机的容量越大、 转速越高， 问题就越严重。 所以， 普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。一、同步电动机的发展和应用在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具 有结构简单，工作可靠、

8、寿命长、成本低，保养维护简便。但是，与直流电动机相比，它调 速性能差， 起动转矩小， 过载能力和效率低。 其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故 功率因素低， 轻载时尤甚， 这大增加了线路和电网的损耗。 长期以来， 在不要求调速的场合， 例如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无形中 损失了大量电能。过去的电力拖动中，很少采用同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下 自行起动， 静止的转子磁极在旋转磁场的作用下， 平均转矩为零。 人们亦知道变频电源可解 决同步电动机的起动和调速问题，但在 70 年代以前，变频电源是可想而不可得的设备。所 以，过去的

9、电力拖动中， 很少看到用同步电动机作原动机。在大功率范围内，偶尔也有同步 电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。自 70 年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用， 主要的原因有：1、高性能永磁材料的发展永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又 有第一代钐钴 1： 5，第二代钐钴 2：17 和第三钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年代研制成功 的永磁材料， 虽其具有剩磁感应强度高， 热稳定性好等优点， 但它矫顽力低， 抗退磁能力差， 而且要用贵重的金属钴， 成本高， 这些不足大大限制了它在电机中的应用。 铁氧体磁体是本 世纪五十

10、年代初开发的永磁材料， 其最大的特点是价格低廉， 有较高的矫顽力， 其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。它们不足是温度系数大， 居里点低，容易氧化生锈而需涂复处理。经过这几年的 不断改进提高，这些缺点大多已经克服，现钕铁硼永磁材料最高的工作温度已可达180 C,一般也可达150 C,已足以满足绝大多数电机的使用要求。表1是各种永磁材料性能比较。表1各种永磁材料的性能比较永的

11、科(KVn)内車笹丽力磁母駅积卿邈B連 湛度丑緊 阮）居里昱鹰m1.2695531G12360鹼高朮平的曲B1.0DZ1Q350昱盲本平铝愎牯1.0E3008&-0.02350秦杳氷平的拱氧條0.41325450永磁材料的发展极大地推动了永磁同步电动机的开发应用。在同步电动机中用永磁体取代传统的电激磁磁极的好处是：用永磁体替代电激磁磁极，简化了结构，消除了转子的滑环、电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积；省去了激磁直流电源，消除了激磁损耗和发热。当今中小功率的同步电动机绝大多数已采用永磁式结构。2、电力电子技术的发展大大促进了永磁同步电动机的开发应用。电力电子技术是信息产业和传统产业间

12、重要的接口，是弱电与被控强电之间的桥梁。自58年世界上第一个功率半导体开关晶闸管发明以来，电力电子元件已经历了第一代半控式晶闸管，第二代有自关断能力的半导体器件（大功率晶体管GTR、可关断晶闸管 GTO、功率场效应管MOSFET ）的三代复合场控器件 （绝缘栅功率晶体管IGBT、静电感应式晶体管 SIT、MOS控制的晶体管 MCT等）直至90年代出现的第四代功率集成电路IPM。半导体开关器件性能不断提高， 容量迅速增大，成本大降低，控制电路日趋完美，它极大地推动了各类电机的控制。70年代出现了通用变频器的系列产品，可将工频电源转变为频率连续可 调的变频电源，这就为交流电机的变频调速创造了条件。

13、这些变频器在频率设定后都有软起动功能，频率会以一定速率从零上升设定的频率，而且此上升速率可以在很大的范围任意调整，这对同步电动机而言就是解决了起动问题。对最新的自同步永磁同步电动机，高性能电力半导体开关组成的逆变电路是其控制系统的必不可少的功率环节。3、规模集成电路和计算机技术的发展完全改观了现代永磁同步电动机的控制集成电路和计算机技术是电子技术发展的代表，它不仅是高新电子信息产业的核心，又是不少传统产业的改造基础。它们的飞速发展促进了电机控制技术的发展与创新。70 年代人们对交流电机提出了矢量控制的概念。 这种理论的主要思想是将交流电机电枢 绕组的三相电流通过坐标变换分解成励磁电流分量和转矩

14、电流分量， 从而将交流电动机模拟 成直流电动机来控制， 可获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。 这种控制方法已经成 熟，并已成功地在交流伺服系统中得到应用。 因为这种方法采用了坐标变换， 所以对控制器 地运算速度、 数据处理能力， 控制地实时性和控制精度等提出了很高的要求， 单片机往往都 不能满足要求。近年来各种集成化的数字信号处理器（ DSP ）发展很快，性能不断改善， 软件和开发工具越来越多，出现了专门用于电机控制的高性能、低价位的 DSP 。集成电路 和计算技术的发展对永磁同步电动机控制技术起到了重要的推动作用。二、永磁同步电动机的运行控制方法永磁同步电动机的运行可分为外同步和自同步

15、二类。用独立的变频电源向永磁同步电动 机供电，同步电动机转速严格地跟随电源频率而变化， 此即为外同步式永磁同步电动机运行。 外同步运行常用于开环控制， 由于转速与频率的严格关系， 此运行方式适合在多台电动机要 求严格同步运行的场合使用。例如， 纺织行业纱锭驱动， 传送带锟道驱动等场合。 为此可选 用一台较大容量的变频器，同时向多台永磁同步电动机供电。当然，变频器必须能软起动，输出频率能由低到高逐步上升到以解决同步电动机的起动 问题。所谓自同步的永磁同步电动机，其定子绕组产生的旋转磁场位置由永磁转子的位置所决 定，能自动地维持与转子磁场有 900 的空间夹角，以产生最大的电机转矩。旋转磁场的转

16、速则严格地由永磁转子的转速所决定。 用此种方式运行的永磁同步电动机除仍需逆变器开关即永磁同步电动机定子这种定子旋转磁场由定60 年代后期发展起 它具有直流电动机的特 自同电路外， 还需要一个能检测转子位置的传感器， 逆变器的开关工作， 绕组得到的多相电流， 完全由转子位置检测装置给出的信号来控制。 子位置来决定的运行方式即自同步的永磁同步电动机运行方式，这是从 来的新方式。 自同步的永磁同步电动机运行方式从原理上分析可知， 性，有稳定的起动转矩， 可以自行起动， 并可类似于直流电动机对电机进行闭环控制。 步的永磁同步电动机已成为当今永磁同步电动机应用的主要方式。自同步永磁同步电动机按电机定子绕

17、组中加入的电流形式可分为方波电动机和正弦波电 动机二类。 方波电动机绕组中的电流式方波形电流， 分析其工作原理可知， 它与有刷直流电 动机工作原理完全相同。 不同处在于它用电子开关电路和转子位置传感器取代了有刷直流电 动机的换向器和电刷， 从而实现了直流电动机的无刷化， 同时保持了直流电动机的良好控制 特性， 故该类方波电动机人们习惯称为无刷直流电动机。 这是当前使用最广泛的， 很有前途 的一种自同步永磁同步电动机。正弦波自同步永磁同步电动机其定子绕组得到的是对称三相交流电，但三相交流电的频率、 相位和幅值由转子的位置信号所决定。 转子位置检测通常使用光电编码器， 可精确地获得瞬 间转子位置信

18、息。其控制通常采用单片机或数字信号处理器（DSP ）作为控制器的核心单元。因其控制性能、 控制精度和转矩的平稳性较无刷直流电动机控制系统为好， 故主要用于 现代高精度的交流伺服控制系统中。三、永磁同步电动机在现代工业中的应用现代工农业中的驱动电机常用的有交流异步电动机、有刷直流电动机和永磁同步电动机 （包括无刷直流电动机）三大类，它们的综合特性比较见表2。表2三大类电动机的综合特性比较表机械特性 1可控 性性唏声千扰性戚本交瀟异涉电动机戟难小易怅大低宥刷直漓电幻扒|大易较好严重难高永啟同齿电动机1包括无刷亘谎电机）丈奸小島怅小高按照不同的工农业生产机械的要求，电机驱动又分为定速驱动、调速驱动和

19、精密控制驱 动三类。1、定速驱动工农业生产中有大量的生产机械要求连续地以大致不变的速度单方向运行，例如风机、 泵、压缩机、普通机床等。对这类机械以往大多采用三相或单相异步电动机来驱动。异步电动机成本较低，结构简 单牢靠，维修方便，很适合该类机械的驱动。但是，异步电动机效率、功率因数低、损耗大，而该类电机使用面广量大，故有大量的电能在使用中被浪费了。其次，工农业中大量使用的风机、水泵往往亦需要调节其流量，通常是通过调节风门、阀来完成的，这其中又浪费了大量的电能。70年代起，人们用变频器调节风机、水泵中异步电动机转速来调节它们的流量， 取得可观的节能效果，但变频器的成本又限制了它的使用，而且异步电

20、动机本身的低效率依然存在。例如，家用空调压缩机原先都是采用单相异步电动机，开关式控制其运行，噪声和较高 的温度变化幅度是它的不足。90年代初，日本东芝公司首先在压缩机控制上采用了异步电动机的变频调速，变频调速的优点促进了变频空调的发展。近年来日本的日立、三洋等公司开始采用永磁无刷电动机来替代异步电动机的变频调速，显著提高了效率，获得更好的节能效果和进一步降低了噪声，在相同的额定功率和额定转速下，设单相异步电动要的体积和重量为100%，则永磁无刷直流电动机的体积为38.6%，重量为34.8%，用铜量为20.9%，用铁量为36.5%，效率提高10%以上，而且调速方便，价格和异步电动机变频调速相当。

21、 永磁无刷直流电动机在空调中的应用促进了空调剂的升级换代。再如仪器仪表等设备上大量使用的冷却风扇，以往都采用单相异步电动机外转子结构的 驱动方式，它的体积和重量大， 效率低。近年来它已经完全被永磁无刷直流电动机驱动的无 刷风机所取代。现代迅速发展的各种计算机等信息设备上更是无例外地使用着无刷风机。这些年，使用无刷风机已形成了完整的系列，品种规格多，外框尺寸从15mm到120mm共有12种，框架厚度有 6mm至U 18mm共7种，电压规格有直流 1.5V、3V、5V、12V、24V、48V ，转速范围从 2100rpm 到 14000rpm ，分为低转速、中转速、高转速和超高转速 4 种， 寿命

22、 30000 小时以上，电机是外转子的永磁无刷直流电动机。近年来的实践表明，在功率不大于 10kW 而连续运行的场合，为减小体积、节省材料、 提高效率和降低能耗等因素，越来越多的异步电动机驱动正被永磁无刷直流电动机逐步替 代。而在功率较大的场合，由于一次成本和投资较大，除了永磁材料外，还要功率较大的驱 动器，故还较少有应用。2、调速驱动有相当多的工作机械，其运行速度需要任意设定和调节，但速度控制精度要求并不非常 高。这类驱动系统在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆 中有大量应用。在这类调速应用领域最初用的最多的是直流电动机调速系统， 70 年代后随电力电子技术 和控

23、制技术的发展， 异步电动机的变频调速迅速渗透到原来的直流调速系统的应用领域。 这 是因为一方面异步电动机变频调速系统的性能价格完全可与直流调速系统相媲美， 另一方面 异步电动机与直流电动机相比有着容量大、可靠性高、干扰小、寿命长等优点。故异步电动 机变频调速在许多场合迅速取代了直流调速系统。交流永磁同步电动机由于其体积小、重量轻、高效节能等一系列优点，越来越引起人们 重视， 其控制技术日趋成熟， 控制器已产品化。 中小功率的异步电动机变频调速正逐步为永 磁同步电动机调速系统所取代。 电梯驱动就是一个典型的例子。 电梯的驱动系统对电机的加 速、稳速、制动、定位都有一定的要求。早期人们采用直流电动

24、机调速系统，其缺点是不言 而喻的。 70 年代变频技术发展成熟，异步电动机的变频调速驱动迅速取代了电梯行业中的 直流调速系统。 而这几年电梯行业中最新驱动技术就是永磁同步电动机调速系统， 其体积小、 节能、控制性能好、又容易做成低速直接驱动，消除齿轮减速装置；其低噪声、平层精度和 舒适性都优于以前的驱动系统， 适合在无机房电梯中使用。 永磁同步电动机驱动系统很快得 到各大电梯公司青睐， 与其配套的专用变频器系列产品已有多种牌号上市。 可以预见， 在调 速驱动的场合， 将会是永磁同步电动机的天下。 日本富士公司已推出系列的永磁同步电动机 产品相配的变频控制器，功率从0.4kW300kW,体积比同

25、容量异步电动机小12个机座号，力能指标明显高于异步电动机，可用于泵、运输机械、搅拌机、卷扬机、升降机、起重 机等多咱场合。3、精密控制驱动 高精度的伺服控制系统伺服电动机在工业自动化领域的运行控制中扮演了十分重要的角色，应用场合的不同对 伺服电动机的控制性能要求也不尽相同。实际应用中，伺服电动机有各种不同的控制方式， 例如转矩控制 /电流控制、速度控制、位置控制等。伺服电动机系统也经历了直流伺服系统、 交流伺服系统、步进电机驱动系统，直至近年来最为引人注目的永磁电动机交流伺服系统。最近几年进口的各类自动化设备、 自动加工装置和机器人等绝大多数都采用永磁同步电动机 的交流伺服系统。 信息技术中的

26、永磁同步电动机当今信息技术高度发展，各种计算机外设和办公自动化设备也随之高度发展，与其配套 的关键部件微电机需求量大，精度和性能要求也越来越高。对这类微电机的要求是小型化、 薄形化、高速、长寿命、高可靠、低噪声和低振动，精度要求更是特别高。例如，硬盘驱动 器用主轴驱动电机是永磁无刷直流电动机， 它以近 10000rpm 的高速带动盘片旋转， 盘片上 执行数据读写功能的磁头在离盘片表面只有0.10.3微米处作悬浮运动，其精度要求之高可想而知了。信息技术中各种设备如打印机、软硬盘驱动器、光盘驱动、传真机、复印机等 中所使用的驱动电机绝大多数是永磁无刷直流电动机。 受技术水平限制， 这类微电机目前国

27、 内还不能自己制造，有部分产品在国内组装。四、永磁同步电动机的应用前景由于电子技术和控制技术的发展，永磁同步电动机的控制技术亦已成熟并日趋完善。以 往同步电动机的概念和应用范围已被当今的永磁同步电动机大大扩展。可以毫不夸张地说， 永磁同步电动机已在从小到大， 从一般控制驱动到高精度的伺服驱动， 从人们日常生活到各 种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现，而且前景会越来越明显。稀土永磁电机的现状与趋势 发布时间： 2009-5-8 阅读 ： 859 与传统的电励磁电机相比， 永磁电机 ，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量 轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等

28、显著优点。因而应用范围极为广泛，几乎遍及航 空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。下面介绍几种典型永磁电机的主要特点及其主要应用 场合。稀土永磁发电机永磁同步发电机与传统的发电机相比不需要集电环和电刷装置，结构简单， 减少了故障率。 采用稀土永 磁后还可以增大气隙磁密，并把电机转速提高到最佳值，提高功率质量比。当代航空、航天用发电机几乎 全部采用稀土永磁发电机。其典型产品为美国通用电气公司制造的 150 kVA 14 极 12 000 r/min 21 000 r/min 和 100 kVA 60 000 r/min 的稀土钴永磁同步发电机。国内研发的第一台稀土永磁电机即为3 kW 2

29、0 000r/min 的永磁发电机。永磁发电机 也用作大型汽轮发电机的副励磁机， 80 年代我国研制成功当时世界容量最大的 40 kVA 160 kVA 稀土永磁副励磁机，配备 200 MW 600 MW 汽轮发电机后大大提高电站运行的可靠性。目前， 独立电源用的内燃机驱动小型发电机、 车用永磁发电机、 风轮直接驱动的小型永磁风力发电机正 在逐步推广。3.2 高效永磁同步电动机 永磁同步电动机与感应电动机相比， 不需要无功励磁电流， 可以显著提高功率因数 （可达到 1，甚至容性）， 减少了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运行时没有转子铜耗，进而可以减小风扇（小容量电机甚至 可以去掉风扇）和相

30、应的风摩损耗，效率比同规格感应电动机可提高28 个百分点。而且，永磁同步电动机在 25%120% 额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数， 使轻载运行时节能效果更为显著。 这类 电机一般都在转子上设置起动绕组，具有在某一频率和电压下直接起动的能力。目前主要应用在油田、纺 织化纤工业、陶瓷玻璃工业和年运行时间长的风机水泵等领域。我国自主开发的高效高起动转矩钕铁硼永磁同步电动机在油田应用中可以解决 “大马拉小车 ”问题， 起动 转矩比感应电动机大 50%100%，可以替代大一个机座号的感应电动机，节电率在20%左右。欢迎访问 纺织化纤行业中负载转动惯量大，要求高牵入转矩。合理设计永磁同步电动机

31、的空载漏磁系数、 凸极比、转子电阻、永磁体尺寸和定子绕组匝数可以提高永磁电机的牵入性能，促使它应用于新型的纺织 和化纤工业。 大型电站、矿山、石油、化工等行业所用几百千瓦和兆瓦级风机、泵类用电机是耗能大户，而目前所用 电机的效率和功率因数较低，改用钕铁硼永磁后不仅提高了效率和功率因数，节约能源，且为无刷结构， 提高了运行的可靠性。目前 1 120kW 永磁同步电动机是世界上功率最大的异步起动高效稀土永磁电机，效 率高于96.5% (同规格电机效率为 95%),功率因数0.94,可以替代比它大12个功率等级的普通电动机。 3.3 交流伺服永磁电动机和无刷直流永磁电动机现在越来越多地用变频电源和交

32、流电动机组成交流调速系统来替代直流电动机调速系统。在交流电动 机中，永磁同步电机的转速在稳定运行时与电源频率保持恒定的关系，使得它可直接用于开环的变频调速 系统。这类电机通常由变频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不设置起动绕组，而且省去了电刷和 换向器，维护方便。变频器供电的永磁同步电动机加上转子位置闭环控制系统构成自同步永磁电动机，既具有电励磁直流电动机的优异调速性能，又实现了无刷化，主要应用于高控制精度和高可靠性的场合，如航空、航天、数控 机床、加工中心、机器人、电动汽车、计算机外围设备等。现已研制成宽调速范围、 高恒功率调速比的钕铁硼永磁同步电动机和驱动系统， 调速比高达 1：22

33、500， 极限转速达到9 000 r/min。永磁同步电动机高效、小振动、低噪声、高转矩密度的特点在电动车、机床等 驱动装置中是最理想的电动机。随着人民生活水平的不断提高，对家用电器的要求越来越高。例如家用空调器，既是耗电大件，又是 噪声的主要来源，其发展趋势是使用能无级调速的永磁无刷直流电动机。它既能根据室温的变化，自动调 整到适宜的转速下长时间运转，减少噪声和振动，使人的感觉更为舒适，还比不调速的空调器节电1/3。其他如电冰箱、洗衣机、除尘器、风扇等也在逐步改用无刷直流电动机。3.4 永磁直流电动机直流电动机采用永磁励磁后，既保留了电励磁直流电动机良好的调速特性和机械特性，还因省去了励 磁

34、绕组和励磁损耗而具有结构工艺简单、体积小、用铜量少、效率高等特点。因而从家用电器、便携式电 子设备、电动工具到要求有良好动态性能的精密速度和位置传动系统都大量应用永磁直流电动机。500 W以下的微型直流电动机中，永磁电机占 92%，而 10 W 以下的永磁电机占 99%以上。目前，我国汽车行业发展迅速，汽车工业是永磁电机的最大用户，电机是汽车的关键部件，一辆超豪华轿车中，各种不同 用途的电机达 70 余台，其中绝大部分是低压永磁直流微电机。汽车、摩托车用起动机电动机，采用钕铁硼 永磁 并采用 减速行 星齿轮 后， 可使起 动机 电 动机 的 质量 减轻 一 半。 几种 新型 结构的 永磁 电机

35、 无铁心钕铁硼永磁电机 利用钕铁硼永磁材料高矫顽力的优异特性不用或少用硅钢片，制成无铁心电机，质量大大减轻。无铁 心永磁电机采用聚磁型结构和正余弦充磁，所产生的磁场呈正弦分布，因此可以不斜槽，可以采用集中绕 组，便于 AC 控制。绕组端部短，损耗小，转矩密度高，振动噪声显著降低。应用在汽车方向盘驱动、机 器人、电梯及 DVD 的驱动等许多方面。横向磁通钕铁硼永磁电机 为了解决安放线圈的槽的宽度与磁通流经的齿部的宽度之间的矛盾，提高电机的功率密度和转矩密度， 人们不断探索新的磁路结构欢迎访问，出现了横向磁通电机(Transverse Flux Machine)结构思想。这种电机定子齿槽结构和电枢

36、线圈在空间上相互垂直，主磁通沿电机轴向流通，电流和磁负荷在空间 上不存在竞争， 因而定子尺寸和通电线圈的大小相互独立， 在一定范围内可以任意选取， 提高了功率密度。目前国际上对这种结构电机的研发刚刚起步，有广阔的发展前景。永磁特种电机控制电机和特种电机的种类很多，其共同的发展趋势之一是永磁化，以高性能的永磁体励磁逐步取代电励磁。www.w inn 由于稀土永磁具有高剩磁密度、高矫顽力和高磁能积的特点，可以容许所制成的电机具有较大的气隙长 度和气隙密度，因而在永磁体安放和磁路结构设计上有很大灵活性，可以根据使用场合，特别是汽车、计 算机和航天工程的需要，制成与传统电机不同的结构形状和尺寸，例如盘

37、式电机、无槽电机等。这既可以 进一步减少电机的质量和转动惯量，提高电机的反应灵敏度；又可以减少电机转矩的脉动，增加运行的平 稳性；还可以简化电机的结构和工艺。因而在计算机外围设备、办公设备和要求精度定位控制的场合得到 广泛应用。计算机磁盘驱动器中用以驱动读写磁头作往复运动的动圈式直线电动机一一音圈电动机需要高性能磁体，以保证足够的灵敏度，缩小体积和减轻质量。钕铁硼永磁正好能满足这一要求。20世纪60年代采用铁氧体永磁研制的是 14 in磁盘驱动器用音圈电动机。自采用钕铁硼永磁后，驱动器尺寸不断缩小，存取 时间明显减少，存储容量增加。1984年磁盘驱动器缩小到以 5.25 in盘为主；进入 20

38、世纪90年代，3.5 in磁盘驱动器迅速增长，成为主体。今后几年内2.5 in和1.8 in磁盘驱动器将大为发展。因此，日、美等国钕铁硼永磁销售量的一半左右用于制造音圈电动机。此外，在步进电动机、开关磁阻电动、低速同步电动机等特种电机中增加钕铁硼永磁励磁后，其技术经 济性能、动态响应特性都有明显提高与改进。永磁同步电机的应用前景编者按：本文的要讲述的话题是 永磁同步电机的应用前景，从属于栏目电机产品-智能楼宇-中国弱电 如果你感兴趣，请继续阅读；否则可以选择右边推荐的其他文章。编者祝您健康！一、概述众所周知，直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没

39、有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态 特性好等特点。优良的控制特性使直流电动机在70年代前的很长时间里，在有调速、控制要求的场合，几乎成了唯一的选择。但是，直流电动机的结构复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电动机常常还装有换向极，以改善电机的换向性能。直流电机的转子上安放电枢绕组和换向器，直流电源通过电刷和换向器将直流电送入电枢绕组并转换成电枢绕组中的交变电流，即进行机械式电流换向。 复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花

40、既造成了换向器的电腐蚀，还是 一个无线电干扰源， 会对周围的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，问 题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简便。但是，与直流电动机相比，它调速性 能差，起动转矩小，过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率 因素低，轻载时尤甚，这大增加了线路和电网的损耗。长期以来，在不要求调速的场合，例 如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无

41、形中损 失了大量电能。过去的电力拖动中，很少彩同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起 动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。人们亦知道变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题，但在70年代以前，变频电源是可想而不可得的设备。所以，过去的电力拖动中，很少看到用同步电动机作原动机。在大功率范围内，偶尔也有同步电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。自70年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用，主要的原因有： 1高性能永磁材料的发展永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴1： 5,第

42、二代钐钴2： 17和第三钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永 磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而 且要用贵重的金属钴， 成本高，这些不足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。它们不足是温度系数大，居里点低，容易氧化

43、生锈而需涂复处理。经过这几年的不断改进提高，这些缺点大多已经克服，现钕铁硼永磁材料最高的工作温度已可达180C,-般也可达150C，已足以满足绝大多数电机的使用要求。表1是各种永磁材料性能比较。永磁材料的发展极大地推动了永磁同步电动机的开发应用。在同步电动机中用永磁体取代传统的电激磁磁极的好处是：用永磁体替代电激磁磁极，简化了结构，消除了转子的滑环、电刷，实现了无刷结构，缩小 了转子体积；省去了激磁直流电源， 消除了激磁损耗和发热。当今中小功率的同步电动机绝大多数已采用永磁式结构。2、电力电子技术的发展大大促进了永磁同步电动机的开发应用。电力电子技术是信息产业和传统产业间重要的接口，是弱电与被

44、控强电之间的桥梁。自58年世界上第一个功率半导体开关晶闸管发明以来，电力电子元件已经历了第一代半控式晶闸管，第二代有自关断能力的半导体器件（大功率晶体管GTR可关断晶闸管 GTO功率场效应管MOSFET的三代复合场控器件（绝缘栅功率晶体管IGBT、静电感应式晶体管 SIT、MOS控制的晶体管MCT等）直至90年代出现的第四代功率集成电路IPM。半导体开关器件性能不断提高，容量迅速增大，成本大降低，控制电路日趋完美， 它极大地推动了各类电机的控制。70年代出现了通用变频器的系列产品，可将工频电源转变为频率连续可调的变频电源， 这就为交流电机的变频调速创造了条件。这些变频器在频率设定后都有软起动功

45、能，频率会以一定速率从零上升设定的频率，而且此上升速率可以在很大的范围任意调整，这对同步电动机而言就是解决了起动问题。对最新的自同步永磁同步电动机，高性能电力半导体开关组成的逆变电路是其控制系统的必不可少的功率环节。3、规模集成电路和计算机技术的发展完全改观了现代永磁同步电动机的控制集成电路和计 算机技术是电子技术发展的代表，它不仅是高新电子信息产业的核心，又是不少传统产业的改造基础。它们的飞速发展促进了电机控制技术的发展与创新。70年代人们对交流电机提出了矢量控制的概念。这种理论的主要思想是将交流电机电枢绕组的三相电流通过坐标变换分解成励磁电流分量和转矩电流分量，从而将交流电动机模拟成直流电

46、动机来控制，可获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。这种控制方法已经成熟，并已成功地在交流伺服系统中得到应用。因为这种方法采用了坐标变换，所以对控制器地运算速度、数据处理能力，控制地实时性和控制精度等提出了很高的要求，单片机往往都不能满足要求。近年来各种集成化的数字信号处理器（DSP发展很快，性能不断改善，软件和开发工具越来越多，出现了专门用于电机控制的高性能、低价位的DSP集成电路和计算技术的发展对永磁同步电动机控制技术起到了重要的推动作用。、永磁同步电动机的运行控制方法永磁同步电动机的运行可分为外同步和自同步二类。用独立的变频电源向永磁同步电动机供电，同步电动机转速严格地跟随电源频率而变

47、化，此即为外同步式永磁同步电动机运行。外同步运行常用于开环控制， 由于转速与频率的严格关系，此运行方式适合在多台电动机要求严格同步运行的场合使用。例如，纺织行业纱锭驱动，传送带锟道驱动等场合。为此可选用 一台较大容量的变频器， 同时向多台永磁同步电动机供电。当然，变频器必须能软起动，输出频率能由低到高逐步上升到以解决同步电动机的起动问题。所谓自同步的永磁同步电动机，其定子绕组产生的旋转磁场位置由永磁转子的位置所决定， 能自动地维持与转子磁场有 900的空间夹角，以产生最大的电机转矩。 旋转磁场的转速则严 格地由永磁转子的转速所决定。用此种方式运行的永磁同步电动机除仍需逆变器开关电路 外，还需要

48、一个能检测转子位置的传感器，逆变器的开关工作，即永磁同步电动机定子绕组得到的多相电流，完全由转子位置检测装置给出的信号来控制。这种定子旋转磁场由定子位置来决定的运行方式即自同步的永磁同步电动机运行方式，这是从60年代后期发展起来的新方式。自同步的永磁同步电动机运行方式从原理上分析可知，它具有直流电动机的特性， 有稳定的起动转矩， 可以自行起动，并可类似于直流电动机对电机进行闭环控制。自同步的永磁同步电动机已成为当今永磁同步电动机应用的主要方式。自同步永磁同步电动机按电机定子绕组中加入的电流形式可分为方波电动机和正弦波电动 机二类。方波电动机绕组中的电流式方波形电流，分析其工作原理可知，它与有刷

49、直流电动机工作原理完全相同。不同处在于它用电子开关电路和转子位置传感器取代了有刷直流电动 机的换向器和电刷， 从而实现了直流电动机的无刷化，同时保持了直流电动机的良好控制特性，故该类方波电动机人们习惯称为无刷直流电动机。这是当前使用最广泛的， 很有前途的一种自同步永磁同步电动机。正弦波自同步永磁同步电动机其定子绕组得到的是对称三相交流电，但三相交流电的频率、相位和幅值由转子的位置信号所决定。 转子位置检测通常使用光电编码器， 可精确地获得瞬 间转子位置信息。其控制通常采用单片机或数字信号处理器 （DSP作为控制器的核心单元。 因其控制性能、控制精度和转矩的平稳性较无刷直流电动机控制系统为好，故

50、主要用于现代高精度的交流伺服控制系统中。三、永磁同步电动机在现代工业中的应用现代工农业中的驱动电机常用的有交流异步电动机、有刷直流电动机和永磁同步电动机（包括无刷直流电动机）三大类，它们的综合特性比较见表2。按照不同的工农业生产机械的要求，电机驱动又分为定速驱动、调速驱动和精密控制驱动三类。1定速驱动工农业生产中有大量的生产机械要求连续地以大致不变的速度单方向运行，例如风机、泵、压缩机、普通机床等。对这类机械以往大多采用三相或单相异步电动机来驱动。异步电动机成本较低，结构简单牢靠，维修方便，很适合该类机械的驱动。但是，异步电动机效率、功 率因数低、损耗大，而该类电机使用面广量大，故有大量的电能

51、在使用中被浪费了。其次， 工农业中大量使用的风机、水泵往往亦需要调节其流量， 通常是通过调节风门、 阀来完成的，这其中又浪费了大量的电能。70年代起，人们用变频器调节风机、水泵中异步电动机转速来调节它们的流量，取得可观的节能效果，但变频器的成本又限制了它的使用，而且异步电动机本身的低效率依然存在。例如，家用空调压缩机原先都是采用单相异步电动机，开关式控制其运行， 噪声和较高的温度变化幅度是它的不足。90年代初，日本东芝公司首先在压缩机控制上采用了异步电动机的变频调速，变频调速的优点促进了变频空调的发展。近年来日本的日立、 三洋等公司开始采用永磁无刷电动机来替代异步电动机的变频调速，显著提高了效

52、率，获得更好的节能效果和进一步降低了噪声，在相同的额定功率和额定转速下，设单相异步电动要的体积和重量为100%，则永磁无刷直流电动机的体积为38.6%，重量为34.8%，用铜量为20.9%，用铁量为36.5%，效率提高10%以上，而且调速方便，价格和异 步电动机变频调速相当。永磁无刷直流电动机在空调中的应用促进了空调剂的升级换代。再如仪器仪表等设备上大量使用的冷却风扇，以往都采用单相异步电动机外转子结构的驱动方式，它的体积和重量大， 效率低。近年来它已经完全被永磁无刷直流电动机驱动的无刷风 机所取代。现代迅速发展的各种计算机等信息设备上更是无例外地使用着无刷风机。这些年，使用无刷风机已形成了完整的系列，品种规格多，外框尺寸从15mm到120mm共有1