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永磁同步电机 编辑词条词条保护

词条创建者 随风

永磁同步电机简介

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永磁同步电机(Per-manent Magnet Synchronous Motor,PMSM),是由永磁体励磁产生同步旋转磁场的同步电机。1相比于其他电机具有体积小、效率高、高效区域宽、转矩和功率密度高等诸多优点,还可以通过弱磁控制应用于各种变频变速领域,具有宽调速范围和快速响应能力。

1831年,世界上出现的第一台电机是由Barlow发明的永磁电机。到20世纪20年代,美国GE公司利用铁氧体磁钢研制出一系列微型永磁同步电动机。到了20世纪 60~70 年代,第一代和第二代稀土钐钴永磁材料 SmCo5,SmCo17相继问世。51978 年,法国 CEM 公司推出 ISOSYN 系列 0.55~18.5kW 稀土钴永磁同步电动机,效率比一般异步电动机高 2%~8%,功率因数提高 0.05~0.15,但因当时采用钐钴永磁体成本太高,未能推广应用。51980年,中国沈阳工业大学在国内率先从事高效永磁电动机的研制,开发出中国第一台稀土钴永磁同步电动机(4kW 4极)和第一台钕铁硼永磁同步电动机(1.1kW 6极)。61986 年,Tomy Sebastian 发表了永磁同步电动机(PMSM)建模的文章 。1987 年,Tomy Sebastian 又发表了关于永磁同步电动机调速系统的动态建模的文章。51987年,中国沈阳工业大学特种电机研究所又在机械工业技术发展基金资助下,研制成功3kW、4极永磁同步电动机。

永磁同步电动机由定子、转子和端盖等部件构成。3转子磁路结构是永磁同步电动机与其它电动机最主要的区别,转子磁路结构不同。按照永磁体在转子上位置的不同,永磁同步电动机的转子磁路结构一般可分为三种:表面式、内置式(嵌入式)和爪极式。3应用领域遍布工业设备、交通运输、航空航天、医疗器械、家用电器等各行各业。

永磁同步电机发展历程

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1831 年,世界上出现的第一台电机是由 Barlow 发明的永磁电机,但是,由于当时采用的天然磁铁磁性能太差,电机的磁能积很低,制成的电机体积庞大而容量很小,很快被电励磁电机所取代。到二十世纪 20 年代,美国 GE 公司利用铁氧体磁钢研制出一系列微型永磁同步电动机。到了二十世纪 60~70 年代,第一代和第二代稀土钐钴永磁材料 SmCo5,SmCo17 相继问世,其优异的磁性能使得永磁电机的发展呈现出新的、繁荣的生机。

1978 年,法国 CEM 公司推出 ISOSYN 系列 0.55~18.5kW 稀土钴永磁同步电动机,效率比一般异步电动机高 2%~8%,功率因数提高 0.05~0.15,但因当时采用钐钴永磁体成本太高,未能推广应用。

1983 年,日本住友特殊金属公司、美国通用汽车公司分别研制成功稀土钕铁硼永磁材料,国际上称为第三代稀土永磁材料。NdFeB 磁钢磁能积高,性能优越,而且原材料丰富,价格较便宜。从 1984 年起,各工业发达国家竞相研制高性能永磁电机。

1980年,中国沈阳工业大学在国内率先从事高效永磁电动机的研制,开发出中国第一台稀土钴永磁同步电动机(4kW 4极)和第一台钕铁硼永磁同步电动机(1.1kW 6极)。61986 年,Tomy Sebastian 发表了永磁同步电动机(PMSM)建模的文章。1987 年,Tomy Sebastian 又发表了关于永磁同步电动机调速系统的动态建模的文章。51987年,中国沈阳工业大学特种电机研究所又在机械工业技术发展基金资助下,研制成功3kW、4极永磁同步电动机,效率比Y系列电动机高3.8%,功率因数比Y系列电机高0.12。

永磁同步电机工作原理

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永磁同步电机的起动和运行是由定子绕组、转子笼型绕组和永磁体这三者产生的磁场相互作用而实现的。电机静止时,给定子绕组通入三相对称电流,产生定子旋转磁场,定子旋转磁场相对于转子旋转在笼型绕组内产生电流,形成转子旋转磁场,定子旋转磁场与转子旋转磁场相互作用产生的异步转矩使转子由静止开始加速转动。在这个过程中,转子永磁磁场与定子旋转磁场转速不同,会产生交变转矩。当转子加速到速度接近同步转速的时候,转子永磁磁场与定子旋转磁场的转速接近相等,定子旋转磁场速度稍大于转子永磁磁场,它们相互作用产生转矩将转子牵人同步运行状态。在同步运行状态下,转子绕组内不再产生电流。此时转子上只有永磁体产生磁场,它与定子旋转磁场相互作用,产生驱动转矩。由此可知,永磁同步电机是靠转子绕组的异步转矩实现起动的。起动完成后,转子绕组不再起作用,由永磁体和定子绕组产生的磁场相互作用从而产生驱动转矩。

永磁同步电机

基本构造

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永磁同步电机主要由机壳、定子和转子组成。定子包括定子铁芯和定子绕组,定子绕组镶嵌在定子铁芯中,绕组的作用是通电时可以产生磁场,铁芯的作用是可以提高磁导率。永磁同步电机定子结构和工作原理与交流异步电机一样,多为4极形式,三相绕组按3相4极布置,通电产生4极旋转磁场。

永磁同步电机

永磁同步电机与普通三相交流异步电机的不同是转子结构,转子上安装有永磁体磁极。永磁体磁极外凸镶嵌在转子铁芯外侧,组成若干对磁极。一块永磁体有一个N极和一个S极。若干个永磁体和铁芯共同构成了若干条磁路,磁力线方向从N极到S极。将转子和转轴做成一体,两端用轴承安装在机壳上,转子前端安装有散热风扇随轴转动。

永磁同步电机

在定子绕组不断通电产生的磁场吸引下,转子即随定子产生的旋转磁场进行运转。

基本分类

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永磁同步电机主要由转子和定子两部分组成,其中定子由对称三相绕组和电枢铁芯组成,转子主要由转轴、永磁体及导磁轭铁构成。当三相正弦电流作用于定子时,在定子和转子空隙中会产生一个相同形状的磁动势,定子磁通和转子磁通的交互作用使永磁同步电机产生电磁转矩。

根据转子中永磁体位置不同,永磁同步电机可分为面装式、内插式和内埋式。面装式永磁同步电机的转子是由永磁体在转轴表面简单结合的,故该结构机械强度有限,但从磁性的角度看,该结构具有一定优势,主要是因为空气和磁铁几乎有相同的磁导率,永磁同步电机直轴和交轴电感相等,故转子磁场和定子磁场的交互不会产生磁阻转矩。

永磁同步电机

内插式和内埋式电机,磁铁被嵌装于转子内,该结构增强了转子机械强度,并且使得电机易于实现弱磁控制,比较适合高速的运行。但该结构电机的主要缺点是有磁阻转矩,增加了电机转矩控制的复杂度,且安装制造工艺复杂。

永磁同步电机

特点

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相对于感应电机,永磁同步电机具有很多优点:

(1)永磁同步电机能够提供较高的功率密度比,与相同功率的感应电机相比体积小,重量要轻;

(2)永磁同步电机具有较小的转动惯量,易于应用于对电机驱动系统要求较高的动态响应领域;

(3)永磁同步电机无滑环和电刷,使其鲁棒性增强、可靠性得到提高,更易应用于高速、超高速场合;

(4)永磁同步电机转子磁场和定子磁场同步,且转子磁场是由永磁体构成,无直接电能消耗,电机效率相对感应电机明显提高。

由此可知:永磁同步电机相对于感应电机具有高功率密度、高效率、高可靠性及结构简单、体积小、重量轻等优点。

性能指标

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以额定功率为2W的永磁同步电动机为例,其主要技术参数如下。

  1. 额定电压:直流27V;
  2. 额定功率:2W;
  3. 额定转矩:2.2mN·m;
  4. 空载转速:10000r/min;
  5. 空载电流:4.6mA;
  6. 功率因数:0.48。

关键技术

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永磁同步电机关键技术可以分为两大类:一类是以电机本身作为主体的关键技术,包括水磁同步电机设计、制造及永磁材料的研究等,这类关键技术,更加关注永磁同步电机本身的特性和性能、制造工艺及新型永磁材料在电机制造中的应用及发展;另一类是以电机为被控对象的关键技术,主要着力于电机的控制性能如电机运行的稳定性、电机的运行效率、电机的带载能力、特殊场合下的特殊应用等,这类关键技术主要解决如何保证永磁同步电机高效、可靠启动和运行的问题。论文主要讨论第二类永磁同步电机关键技术中的无速度传感器矢量控制技术,下面先简要介绍永磁同步电机的相关控制技术。

恒压频比控制

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VVVF是一种开环的、相对简单的控制方法,并且被较早地应用于异步电机控制中,在水磁同步电机恒压频比控制中,保持电机磁通的恒定,是通过改变逆变器输出电压和频率来实现。控制过程中,保持V/F-C,随着输出频率的加快,逆变器输出电压也随之增加,但是电压频率的比值保持恒定,这就使得定子磁通维持恒定,并且在整个过程中可以保持电机的运行效率和功率因数。在低速阶段,可以通过电压抬升的方法来补偿定子阻抗产生的压降,使电机具有较好的启动能力。当电机运行于额定转速以上时,由于输出电压达到逆变器的额定输出并保持不变,这时气隙磁通与频率为反比关系,即实现了弱磁运行。

VVVF控制实质上属于开环控制,因为系统中无需电流、电压、电机转速及电机位置等闭环控制所需要的反馈信号,这使得系统控制容易实现,系统的成本不高。在实际应用中,大量应用于一些不需要很高控制性能的调速及传动场合,也是通用变频器中应用最多的控制方式。VVVF控制的缺点是系统的跟踪性能差,对于出现负载突变的情况其动态性能没有闭环控制好,主要适用于风机、水泵类对系统动态特性要求不高的场合。

矢量控制

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矢量控制也被称为磁场定向控制,根据旋转坐标定向方式有不同的分类,其中转子磁场定向是在控制系统中被大量应用的定向方式,因为这种定向方式能够较好地实现电机参数之间的解耦问题。其实现方式是将定子电流用两个正交的独立控制分量表示,通过控制这样的两个独立分量可以独立控制电机的励磁和转矩,从而实现电机励磁和转矩的成功解耦,使得水磁同步电机的控制能够像直流电机一样有较好的动态性能。

根据永磁同步电机调速系统要求的不同,矢量控制可以分为:id=0控制、cosφ=1控制、最大转矩电流比控制、弱磁控制等。

id=0控制:在控制过程中保持定子电流的励磁分量为0,将永磁同步电机等效为他励直流电机,这种控制方法,控制简单,电机运行效率高损耗低。

最大转矩电流比控制:通过控制定子电流,实现输出转矩最大,即转矩对应需求电流最小,这种方法主要基于电磁转矩与电流之间的特殊关系达到单位电流能够产生最大转矩的目的。

cosφ=1控制:通过对电机励磁电流和转矩电流的控制来保持功率因数为1,这种控制方法,电机损耗较小,能够最大限度利用逆变器的容量,但其输出转矩较小。

弱磁控制:在很多应用场合要求电机能够在基速以上运行,而当电机达到额定转速时,逆变器的输出电压达到了最大,这时要继续提高电机转速就需要减小电机气隙磁通,也就是需要弱磁运行。保持电压不变,控制磁通的减弱,以达到控制同步电机在基速以上运行的目的。

直接转矩控制

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直接转矩控制是基于定子磁场定向,通过控制定子磁链达到控制转矩的目的,这种方法不需要反馈转子位置信息,也不需要实时辨识电机参数,受电机参数影响较小。该控制方式主要通过已经设计好的电压矢量表来选择合适的矢量电压,从而控制定子磁链按照正六边形或者接近圆形轨迹运行,最终控制转矩的目的。其解决了矢量控制中一些无法解决的问题,但是其带载能力有限并且低速性能较差等问题,限制了这种控制方法的应用。

无速度传感器控制

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由于闭环控制需要反馈转速信号及转子位置信号,因此在一般场合下,电机需要安装测速传感器,但是传感器的安装既加大了系统的投入,又对环境及应用工况有较高要求,这样无速度传感器控制策略就引起了学者们的关注与研究。永磁同步电机无速度控制系统中,需要通过控制算法来可靠估算电机转速和转子位置。目前无速度传感器控制技术主要有三类,一类是开环方法如直接计算法、反电动势法等,这类方法基于电机的理想数学模型;第二类是基于各种观测器的闭环控制方法如滑膜观测器、模型参考自适应、扩展卡尔曼法等;第三类为非理想特性控制方法如高频注入法、低频注入法、INFORM法等。

应用领域

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高性能、较高性价比的永磁材料的出现,为永磁同步电机的研制和应用提供了坚实的基础。近年来,永磁同步电机发展迅速,已在航空航天、石油机械、工程机械、国防等领域得到应用,功率从几kW到数MW。

高精度伺服控制系统

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随着研究力度的加大,各种先进的控制思想和控制策略被不断提出,核心处理芯片也越来越高速化、高效化,使得高精度伺服系统能够被应用于更多的不同领域,如伺服系统、智能机器人、生产自动化、武器随动系统、船舶推进系统及机车牵引等。经过不断的发展,交流伺服系统替代直流伺服系统已成为趋势。作为交流伺服系统中的主要执行机构的交流伺服电机应当具有小体积、轻重量、大转矩,同时要能快速、有效、精确地完成指令要求。永磁同步电机具有转矩稳定、较高的控制精度、迅速的动态响应、并且电机的转动惯量较小等优势,这些都有利于其在精密控制伺服系统中的应用。

永磁同步电机

在实际运行中,永磁同步电机能够带载直接启动在低速情况下,能够输出大转矩并且稳定运行,同时对工作环境要求低耐性好,因此,其在各种伺服系统特别是在中小型的电力传动系统中得到了广泛地应用。目前,由永磁同步电机构成的交流伺服系统因新型控制策略的提出及电机制造技术发展,可以在全速范围内实现高精度控制,且具有较好的动态特性,更加延伸了交流伺服系统的应用范围。随着新型永磁材料性能的不断提升和价格的逐渐降低,其在工业自动化生产中的应用将更加广泛。

电动汽车

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受到全球能源危机的影响以及世界各国对环境保护的重视程度的提高,采用绿色环保能源的电动汽车的研发制造成为了全球各大企业和科研单位的研究热点,并得到了广泛关注。电动汽车具有以下特点:效率高,其能源使用效率是传统燃油汽车的1.5倍;噪声低,其启动和运行过程中的噪声仅为传统汽车的25%;无尾气排放,由于使用的是绿色环保能源,因此相对于燃油汽车而言,没有尾气的排放,避免了对环境造成的污染;排放的废热少,对避免工业城市的高温天气有一定作用;由于整个能量转换过程在电能与机械能之间,避免了燃烧能源过程中的能量利用不足造成的能量损失,可回收利用的能量多;可以改善能源结构,逐步解决化石燃料在动力系统中所占的比重,为解决汽车的能源替代问题提供途径;结构简单,对环境要求低,使用维护方便等。在各种电动车驱动电机中,永磁同步电机是较好的解决方向之一。电动汽车由于车体空间限制和整车布局的考虑,对其驱动电机的使用效率、尺寸、电机质量都提出较高的要求。永磁同步电机由于具有较高的效率、转矩密度较大、控制精度较高、能实现宽调速范围、噪声低等特点,通过对转子磁路结构的合理设计,能达到较高的弱磁特性及磁阻转矩的高效利用,使其在电动汽车驱动系统特别是高档电动汽车驱动系统应用中具有很高的应用价值。

永磁同步电机

风力发电

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永磁同步电机由于其具备的多方面优点也被大量应用于风力发电系统中。目前市场上主流的应用于风力发电系统的变速恒频风力发电机组主要有两种机型:双馈式风力发电机组及永磁直驱式风力发电机组。

永磁直驱式风力发电系统采用的是风轮直接驱动永磁同步发电机。通过功率变流器将电能变换后并入电网,这样就避免了在双馈风力发电系统中广泛应用的价格昂贵且故障率较高的齿轮箱系统。传动系统元部件的减少大大提高了系统运行的可靠性,同时提高了系统的能量的转换效率,降低了系统的维护费用及维护难度,并使系统能够更加稳定地运行,提高了整机的生产效率。其次,由于转子为永磁体,不需要进行外部励磁,从而使得发电机运行效率高,没有滑环和电刷能降低了系统成本,增加了机组使用寿命和可靠性;第三,发电机通过全功率变流装置接入电网,可实现有功功率、无功功率在机侧功率变流器和网侧功率变流器的灵活控制:并且发电机定子不与电网有直接接触,使由发电机与电网之间直接接触造成的相互影响减少,在电网出现故障时对发电机组的影响降到最低,有效地保护了机组。这些优点使永磁直驱式风力发电机组在风力发电系统中得到广泛推广,并且成为了风力发领域的一个重要的发展趋势。

永磁同步电机

电梯曳引系统

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在早期的电梯曳引系统中,带有齿轮间接驱动的异步电机加减速机构电梯曳引系统被长期广泛采用。这种有齿轮驱动系统在使用过程中存在材料消耗大、运行效率不高以及维护繁杂,并且噪声大的缺点。以永磁同步电动机为驱动电机的电梯系统具有使用空间小、控制简单高效,控制精度高,且系统可以实现大负载的低速直接驱动运行,避免了齿轮箱结构,电梯的启停过程平稳无震荡,具有整体运行噪声低,运行舒适性高等优点。永磁同步电机应用于电梯曳引驱动系统中,一般采用多极结构、有利于实现低速大转矩的性能。异步电动机采用多极结构时会使其功率因数和效率因极数增加而降低,而永磁同步电机不论极数多少,都能具备较高的功率因数和效率。永磁同步电机较之异步电机具有更好的抗扰动能力,当负载转矩突变时,只需调整电机的功率因数角就能快速跟踪负载转矩的变化。

永磁同步电机

船舶电力推进

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传统船舶推进系统中采用的是由柴油机驱动螺旋桨推动船舶前进的推进系统,而柴油机的运行要根据舰船的航行速度决定其运转速度,这就使得柴油机一般工作于低速状态,大大降低了其工作效率。随着电力电子技术的发展及可靠电力电子装置的诞生,应用于船舶推进系统的柴电综合推进系统、船舶综合电推进系统得到大力发展和应用,其主要特点是:较高的运行效率;电驱动系统体积小结构紧凑;占用船体空问小;能源消耗低;运行范围宽;系统运行带来的噪声小振动低,大大提高了舰船整体利用效率和布局灵活性。另外,电力推进船舶具有建造周期短、维护简单、自动化程度高、操作简单等特点。在电力推进系统的研究和开发领域中,永磁同步电机由于具备体积小、重量轻、效率高、转动惯量小、可靠性高等优点,大大提高了舰船的作战能力及续航能力,各国船舶设计人员及舰船推进开发人员都对其展开了深入研究。

永磁同步电机

发展趋势

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国内外近阶段,在永磁同步电机本体基础上涌现了不少高端电机,六相永磁同步电动机为典型代表,应用于舰船动力的提供,相比传统的直流电机,体积缩小了60%左右,损耗也大约减少20%;在舰船推进使用的永磁同步电机安装容量最大功率可达38MW;中国目前已经成功研制了功率达到3MW的高速永磁风力发电机。调速范围变得更大及进一步提高精度控制是永磁同步电机目前发展趋势,具备高性能的永磁材料自然引起广泛重视。

技术挑战

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目前,永磁同步电机的技术研究变得日益成熟,正朝高速度,大转矩、大功率、高效率以及微型化、智能化趋势发展。永磁同步电机还有一些技术瓶颈依然无法突破:

(1)控制问题,永磁发电机要通过外部来调节改变其输出电压及功率因数是非常困难的,永磁直流电动机不能再用改变励磁的办法来调节其转速。

(2)退磁问题,稀土永磁电机对于工作环境要求比较苛刻,如果温度超过180℃的稀土永磁材料将发生不可逆的退磁及失效;剧烈振动或较大温差易产生断裂现象;材料也易受到氧化腐蚀,需要表面涂装;同时不耐受过载,一旦发生将发生退磁。

(3)成本问题,稀土永磁价格相对比较昂贵,成本通常高电励磁电机,必须通过发挥它的高性能及节省运行费用方法来得以补偿,故永磁电机在小功率的方面应用比较适合。比如,想解决此类问题,实现技术的升级及广泛应用,国家还必须鼎力扶持和投入足够量的科研经费。

应用前景

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大功率机械设备

研究朝着列车、新能源汽车、电梯、机器人等机械设备方向发展。当前中国新能源客车大部分使用交流异步电机,而新能源乘用车基本使用永磁同步电机。以往一部分企业驱动电机曾经使用的是开关磁阻电机,目前次项技术已渐被市场淘汰,中国未来在新能源汽车驱动电机选择上,主流是采用永磁同步电机。

航空领域

稀土永磁双凸极结构电机是基于开关磁阻电机而研发出来的一种新型的电机,由于定子或转子被植入了稀土永磁体,使其拥有更大的输出转矩,且存在着高度的可靠性和容错性,所以能够在航空领域中显示出良好的应用前景,特别是稀土永磁电机。除此之外,稀土永磁具备了无刷直流电机的优势,如高度可靠性、体积重量变小及具有大功率等,显著提高了在航空领域上的应用速度,功能及性能均朝着更为高级方向发展。

宇航设备

磁同步电机所用材料因有耐高温的特性,同时体积小,故非常适应高温、真空等特殊环境需求。适合应用于宇航设备的机械中,成为将来技术重要的一个研究方向。

医疗器械

由于永磁同步电机寿命长、噪音低和体积小的特性,很适合延伸应用到手术用机器人及微型医疗机器等医疗设备方面,也成为该电机的一个技术研究的重要方向。近阶段,随着医疗器械产业快速发展,对于医疗器械用的永磁电机产品市场需求量显著增加,其市场发展受益匪浅。

国防军工

应用于军用通信设备方面有激光测距仪设备、雷达和战车制造及军用弹道计算机等,应用于武器制造方面有火炮、导弹、宇宙飞船、人造卫星、飞机、坦克、舰艇及火箭等。在将来较长的时间内,中国的军费预算将维持比较快增速,永磁电机具备的寿命长、高速、高效及耐冲击等特性,未来在国防军工领域将得到广泛应用,前景十分广阔。

金融机具

多见的有ATM机及纸币售货机等自动机器,还有一些高精尖的银行点钞机和捆钞机等设备。金融机具在金融信息化中存在不可替代作用,由于内涵及外延的持续扩大延伸,它的地位同样持续提升,应用市场的发展势头也能够得到良好保持。

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