浅谈永磁同步电机

电气082 徐冬学号：0803731153
浅谈永磁同步电机
永磁式同步电动机，是一种利用永磁体建立励磁磁场的小功率同步电动机。

永磁式同步电动机的定子产生旋转磁场，转子由永磁材料制成。

永磁同步电动机能够在石油、煤矿、大型工程机械等比较恶劣的工作环境下运行，这不仅加速了永磁同步电机取代异步电机的速度，同时也为永磁同步电机专用变频器的发展提供了广阔的空间。

一、永磁同步电机原理
当永磁同步电动机的定子通入三相交流电时，三相电流在定子绕组的电阻上产生电压降。

由三相交流电产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场，一方面切割定子绕组，并在定子绕组中产生感应电动势；另一方面以电磁力拖动转子以同步转速旋转。

电枢电流还会产生仅与定子绕组相交链的定子绕组漏磁通，并在定子绕组中产生感应漏电动势。

此外，转子永磁体产生的磁场也以同步转速切割定子绕组，从而产生空载电动势。

二、永磁同步电机的特点
永磁同步电动机结构简单、体积小、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。

和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高、功率因数高、力矩惯量比大、定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可调、控制性能好；但它与异步电机相比，也有成本高、启动困难等缺点。

和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。

永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。

三、永磁同步电机的应用范围
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，显著提高了效率，获得更好的节能效果和进一步降低了噪声，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。

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。

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。

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。

3、精密控制驱动
①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。

②信息技术中的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0.1～0.3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，这类微电机目前国内还不能自己制造，有部分产品在国内组装。

目前，电气传动技术已从简单的速度控制发展到运动轨迹控制，由于永磁同步电动机比异步电动机更易于实现磁场定向矢量变换控制，因此近年来永磁同步伺服电动机系统成了高精度数控机床、机器人等高科技设备的主流。

我国稀土资源丰富，稀土材料是永磁材料的主要成分，为此充分发挥我国稀土资源的优势，大力开展和推动永磁同步电动机系统的应用和研究，对节能和满足上述各种需求是具有重大战略意义的。