0.2 永磁同步電機發展現狀

0.2.1 永磁同步電機概念

永磁同步電機以高動態性能、高效率和輕量化等特點著稱，它與電力電子技術和微電子控制技術相結合，可以設計制造出多種性能優異的機電一體化產品和裝備，代表著21世紀電機驅動系統發展方向之一。

永磁同步電機驅動系統除電機本身外，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對逆變器的控制。圖0-1是永磁同步電機驅動系統典型結構框圖，該種結構被廣泛應用于大多數永磁同步電機應用系統中。

在圖0-1所示的驅動系統中，位置反饋主要用于實現定子磁鏈和轉子磁鏈同步，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三相電流，并實現電機電流控制，從而完成電機轉矩控制。直流母線電壓反饋用于PWM控制器，將電機電壓命令轉化為開關周期。由此可見，在永磁同步電機驅動系統中，電力電子、微電子控制器及位置檢測技術等是永磁同步電機控制系統的關鍵技術，支撐著永磁同步電機控制系統的發展。

永磁電機是一種電能與機械能進行轉換的電磁裝置，它主要通過定子磁場和轉子磁場相互作用而產生旋轉轉矩。與感應電機相比，兩種電機在原理和結構等方面是相似的，定子結構基本一致，永磁電機與感應電機主要區別在于：轉子激勵是由固定的永磁體，而不是感應線圈實現的。

0.2.2 永磁同步電機發展歷程

永磁同步電機的發展與永磁材料的發展密切相關。早在20世紀初，工業領域第一種永磁材料鋁鎳鈷被生產出來，從而開啟了永磁同步電機技術的發展歷程。但鋁鎳鈷永磁材料磁能積小，限制了永磁同步電機技術發展，直到稀土材料問世，才使永磁同步電機逐漸發展起來，并廣泛應用于國民經濟各個領域。

目前，獲得廣泛應用的稀土永磁電機主要經歷了如下三個發展階段。

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

第二階段：20世紀80年代，隨著釹鐵硼永磁材料的出現及電力電子與微電子技術的發展，永磁同步電機成本大為降低，控制更易實現，故永磁同步電機研究與應用開始擴展到工業和民用領域。

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計與開發等技術都有了顯著進步，從而使永磁電機的應用更為廣泛，已經成為驅動系統的首選電機，代表著21世紀電機驅動系統發展的方向。

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，轉子主要由轉軸、永磁體及導磁軛鐵構成。當三相正弦電流作用于定子時，在定子和轉子空隙中會產生一個相同形狀的磁動勢，定子磁通和轉子磁通的交互作用使永磁同步電機產生電磁轉矩。

根據轉子中永磁體位置不同，永磁同步電機可分為面裝式、內插式和內埋式。面裝式永磁同步電機的轉子是由永磁體在轉軸表面簡單結合的，故該結構機械強度有限，但從磁性的角度看，該結構具有一定優勢，主要是因為空氣和磁鐵幾乎有相同的磁導率，永磁同步電機直軸和交軸電感相等，故轉子磁場和定子磁場的交互不會產生磁阻轉矩。

內插式和內埋式電機，磁鐵被嵌裝于轉子內，該結構增強了轉子機械強度，并且使得電機易于實現弱磁控制，比較適合高速的運行。但該結構電機的主要缺點是有磁阻轉矩，增加了電機轉矩控制的復雜度，且安裝制造工藝復雜。

0.2.4 永磁同步電機特點

相對于感應電機，永磁同步電機具有很多優點：

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

（2）永磁同步電機具有較小的轉動慣量，易于應用于對電機驅動系統要求較高的動態響應領域；

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

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

由此可知：永磁同步電機相對于感應電機具有高功率密度、高效率、高可靠性及結構簡單、體積小、重量輕等優點。