0.2 永磁同步電機發(fā)展現(xiàn)狀

0.2.1 永磁同步電機概念

永磁同步電機以高動態(tài)性能、高效率和輕量化等特點著稱，它與電力電子技術(shù)和微電子控制技術(shù)相結(jié)合，可以設(shè)計制造出多種性能優(yōu)異的機電一體化產(chǎn)品和裝備，代表著21世紀電機驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展方向之一。

永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)除電機本身外，還包括逆變器、電流、位置及速度傳感器和控制器等組件。控制器主要負責處理傳感器反饋信息及實現(xiàn)對逆變器的控制。圖0-1是永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)框圖，該種結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于大多數(shù)永磁同步電機應(yīng)用系統(tǒng)中。

在圖0-1所示的驅(qū)動系統(tǒng)中，位置反饋主要用于實現(xiàn)定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈同步，同時也用于速度估計，以完成永磁同步電機速度和位置的控制。電流傳感器用于控制器重構(gòu)三相電流，并實現(xiàn)電機電流控制，從而完成電機轉(zhuǎn)矩控制。直流母線電壓反饋用于PWM控制器，將電機電壓命令轉(zhuǎn)化為開關(guān)周期。由此可見，在永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)中，電力電子、微電子控制器及位置檢測技術(shù)等是永磁同步電機控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，支撐著永磁同步電機控制系統(tǒng)的發(fā)展。

永磁電機是一種電能與機械能進行轉(zhuǎn)換的電磁裝置，它主要通過定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互作用而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。與感應(yīng)電機相比，兩種電機在原理和結(jié)構(gòu)等方面是相似的，定子結(jié)構(gòu)基本一致，永磁電機與感應(yīng)電機主要區(qū)別在于：轉(zhuǎn)子激勵是由固定的永磁體，而不是感應(yīng)線圈實現(xiàn)的。

0.2.2 永磁同步電機發(fā)展歷程

永磁同步電機的發(fā)展與永磁材料的發(fā)展密切相關(guān)。早在20世紀初，工業(yè)領(lǐng)域第一種永磁材料鋁鎳鈷被生產(chǎn)出來，從而開啟了永磁同步電機技術(shù)的發(fā)展歷程。但鋁鎳鈷永磁材料磁能積小，限制了永磁同步電機技術(shù)發(fā)展，直到稀土材料問世，才使永磁同步電機逐漸發(fā)展起來，并廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域。

目前，獲得廣泛應(yīng)用的稀土永磁電機主要經(jīng)歷了如下三個發(fā)展階段。

第一階段：20世紀60—70年代，因稀土永磁材料價格品貴，永磁電機的發(fā)展主要集中于航空、航天等特殊行業(yè)的高端領(lǐng)域。

第二階段：20世紀80年代，隨著釹鐵硼永磁材料的出現(xiàn)及電力電子與微電子技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電機成本大為降低，控制更易實現(xiàn)，故永磁同步電機研究與應(yīng)用開始擴展到工業(yè)和民用領(lǐng)域。

第三階段：20世紀90年代至今，永磁材料、電力電子和微電子及永磁同步電機設(shè)計與開發(fā)等技術(shù)都有了顯著進步，從而使永磁電機的應(yīng)用更為廣泛，已經(jīng)成為驅(qū)動系統(tǒng)的首選電機，代表著21世紀電機驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展的方向。

0.2.3 永磁同步電機分類

永磁同步電機主要由轉(zhuǎn)子和定子兩部分組成，其中定子由對稱三相繞組和電樞鐵芯組成，轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)軸、永磁體及導(dǎo)磁軛鐵構(gòu)成。當三相正弦電流作用于定子時，在定子和轉(zhuǎn)子空隙中會產(chǎn)生一個相同形狀的磁動勢，定子磁通和轉(zhuǎn)子磁通的交互作用使永磁同步電機產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)轉(zhuǎn)子中永磁體位置不同，永磁同步電機可分為面裝式、內(nèi)插式和內(nèi)埋式。面裝式永磁同步電機的轉(zhuǎn)子是由永磁體在轉(zhuǎn)軸表面簡單結(jié)合的，故該結(jié)構(gòu)機械強度有限，但從磁性的角度看，該結(jié)構(gòu)具有一定優(yōu)勢，主要是因為空氣和磁鐵幾乎有相同的磁導(dǎo)率，永磁同步電機直軸和交軸電感相等，故轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場的交互不會產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。

內(nèi)插式和內(nèi)埋式電機，磁鐵被嵌裝于轉(zhuǎn)子內(nèi)，該結(jié)構(gòu)增強了轉(zhuǎn)子機械強度，并且使得電機易于實現(xiàn)弱磁控制，比較適合高速的運行。但該結(jié)構(gòu)電機的主要缺點是有磁阻轉(zhuǎn)矩，增加了電機轉(zhuǎn)矩控制的復(fù)雜度，且安裝制造工藝復(fù)雜。

0.2.4 永磁同步電機特點

相對于感應(yīng)電機，永磁同步電機具有很多優(yōu)點：

（1）永磁同步電機能夠提供較高的功率密度比，與相同功率的感應(yīng)電機相比體積小，重量要輕；

（2）永磁同步電機具有較小的轉(zhuǎn)動慣量，易于應(yīng)用于對電機驅(qū)動系統(tǒng)要求較高的動態(tài)響應(yīng)領(lǐng)域；

（3）永磁同步電機無滑環(huán)和電刷，使其魯棒性增強、可靠性得到提高，更易應(yīng)用于高速、超高速場合；

（4）永磁同步電機轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場同步，且轉(zhuǎn)子磁場是由永磁體構(gòu)成，無直接電能消耗，電機效率相對感應(yīng)電機明顯提高。

由此可知：永磁同步電機相對于感應(yīng)電機具有高功率密度、高效率、高可靠性及結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕等優(yōu)點。