永磁同步馬達(dá)概述

永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理與電勵(lì)磁同步電機(jī)相同，但它以永磁體提供的磁通代替后者的勵(lì)磁繞組勵(lì)磁，使電機(jī)結(jié)構(gòu)更為簡單。PMSM是由永磁體勵(lì)磁產(chǎn)生同步旋轉(zhuǎn)磁場的同步電機(jī)，永磁體作為轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，三相定子繞組在旋轉(zhuǎn)磁場作用下通過電樞反應(yīng)，感應(yīng)三相對稱電流。此時(shí)轉(zhuǎn)子動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，PMSM作發(fā)電機(jī)(generator)用；此外，當(dāng)定子側(cè)通入三相對稱電流，由于三相定子在空間位置上相差120，所以三相定子電流在空間中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場中受到電磁力作用運(yùn)動(dòng)，此時(shí)電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，PMSM作電動(dòng)機(jī)(motor)用 。

PMSM采用永磁體勵(lì)磁，具有電勵(lì)磁電機(jī)無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

（1）效率高：在轉(zhuǎn)子上嵌入永磁材料后，在正常工作時(shí)轉(zhuǎn)子與定子磁場同步運(yùn)行，轉(zhuǎn)子繞組無感生電流，不存在轉(zhuǎn)子電阻和磁滯損耗，提高了電機(jī)效率。

（2）功率因數(shù)高：PMSM轉(zhuǎn)子中無感應(yīng)電流勵(lì)磁，定子繞組呈現(xiàn)阻性負(fù)載，電機(jī)的功率因數(shù)近于1，減小了定子電流，提高了電機(jī)的效率。同時(shí)功率因數(shù)的提高，提高了電網(wǎng)品質(zhì)因數(shù)，減小了輸變電線路的損耗，輸變電容量也可降低，節(jié)省了電網(wǎng)投資。

（3）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大：在需要大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的設(shè)備(如油田抽油電機(jī))中，可以用較小容量的永磁電機(jī)替代較大容量的Y系列電機(jī)。如果37kW永磁同步電機(jī)代替45kW ～ 55kW的Y系列電機(jī)，較好地解決了“大馬拉小車”的現(xiàn)象，節(jié)省了設(shè)備投入費(fèi)用，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效能。

（4）力能指標(biāo)好： Y系列電機(jī)在60%的負(fù)荷下工作時(shí)，效率下降15%，功率因數(shù)下降30%，力能指標(biāo)下降40%；而PMSM的效率和功率因數(shù)下降甚微，當(dāng)電機(jī)只有20%負(fù)荷時(shí)，其力能指標(biāo)仍為滿負(fù)荷的80%以上。

（5）溫升低：轉(zhuǎn)子繞組中不存在電阻損耗，定子繞組中幾乎不存在無功電流，因而電機(jī)溫升低。

（6）體積小，重量輕，耗材少：同容量的永磁同步電機(jī)體積、重量、所用材料可以減小30%左右。

（7）可大氣隙化，便于構(gòu)成新型磁路。

（8）電樞反應(yīng)小，抗過載能力強(qiáng) 。

在開發(fā)高性能永磁同步電機(jī)過程中，存在一些問題：

（1）不可逆退磁問題。如果設(shè)計(jì)或使用不當(dāng)，永磁同步電機(jī)在過高(釹鐵硼永磁)或過低(鐵氧體永磁)溫度時(shí)，在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下，或在劇烈的機(jī)械振動(dòng)時(shí)有可能產(chǎn)生不可逆退磁，或叫失磁，使電機(jī)性能下降，甚至無法使用。因此，既要研究開發(fā)適用于電機(jī)制造廠使用的檢查永磁材料熱穩(wěn)定性的方法和裝置，又要分析各種不同結(jié)構(gòu)型式的抗去磁能力，以便設(shè)計(jì)和制造時(shí)，采用相應(yīng)措施保證永磁同步電機(jī)不失磁。

（2）成本問題。鐵氧體永磁同步電機(jī)由于結(jié)構(gòu)工藝簡單、質(zhì)量減輕，總成本一般比電勵(lì)磁電機(jī)低，因而得到了廣泛應(yīng)用。由于稀土永磁目前的價(jià)格還比較貴，稀土永磁電機(jī)的成本一般比電勵(lì)磁電機(jī)高，這需要用它的高性能和運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)省來補(bǔ)償。在設(shè)計(jì)時(shí)既需要根據(jù)具體使用場合和要求進(jìn)行性能、價(jià)格的比較后取舍，又要進(jìn)行結(jié)構(gòu)工藝的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)優(yōu)化，以降低成本。

（3）控制問題。永磁同步電機(jī)不需外界能量即可維持其磁場，但這也造成從外部調(diào)節(jié)、控制其磁場極為困難。但是隨著MOSFET、IGBT等電力電子器件和控制技術(shù)的發(fā)展，大多數(shù)永磁同步電機(jī)在應(yīng)用中，可以不進(jìn)行磁場控制而只進(jìn)行電樞控制。設(shè)計(jì)時(shí)需把永磁材料、電力電子器件和微機(jī)控制三項(xiàng)新技術(shù)結(jié)合起來，使永磁同步電機(jī)在嶄新的工況下運(yùn)行。此外，以永磁同步電機(jī)作為執(zhí)行元件的永磁交流伺服系統(tǒng)，由于永磁同步電機(jī)本身是具有一定非線性、強(qiáng)耦合性和時(shí)變性的系統(tǒng)，同時(shí)其伺服對象也存在較強(qiáng)的不確定性和非線性，加之系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)易受到不同程度的干擾，因此采用先進(jìn)控制策略、先進(jìn)的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式(如基于DSP控制)，從整體上提高系統(tǒng)的智能化和數(shù)字化水平，這應(yīng)是當(dāng)前發(fā)展高性能永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的一個(gè)主要突破口 。

永磁同步電機(jī)以其效率高、比功率大、結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能效果顯著等一系列優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中逐步得到廣泛應(yīng)用。尤其是近年來高耐熱性、高磁性能釹鐵硼永磁體的成功開發(fā)以及電力電子元件的進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)，稀土永磁同步電機(jī)的研究開發(fā)在國內(nèi)外又進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)期，在理論研究和應(yīng)用領(lǐng)域都將產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，目前正向超高速、高轉(zhuǎn)矩、大功率、微型化、高功能化方向發(fā)展。

永磁同步馬達(dá)超高速電機(jī)

永磁同步電機(jī)不需要?jiǎng)?lì)磁繞組，結(jié)構(gòu)比較簡單，磁場部分沒有發(fā)熱源，不需要冷卻裝置，材料的矯頑力高，氣隙長度可以取較大值從而使大幅度提高轉(zhuǎn)速成為可能。目前已制成(2～ 3)× 10⁴r/min的電機(jī)，如美國通用電氣公司研制的150kW、 23 000r/min的徑向氣隙型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)航空用稀土永磁發(fā)電機(jī)，外轉(zhuǎn)子型用于電動(dòng)車的7.2kW、 27 000r/min的電機(jī)。

永磁同步馬達(dá)高轉(zhuǎn)矩大功率電機(jī)

耐熱、高磁性能釹鐵硼永磁材料的開發(fā)成功將使其在大功率永磁同步電機(jī)中獲得重要應(yīng)用。運(yùn)輸業(yè)和工業(yè)中諸如電動(dòng)汽車、混合型(內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)并用)動(dòng)力汽車、列車、電梯、機(jī)床、機(jī)器人等，對大功率電動(dòng)機(jī)的需求正在增長。船舶推動(dòng)電機(jī)要求低速大轉(zhuǎn)矩。德國西門子公司于1986年研制1 095kW、230r/min的六相永磁同步電動(dòng)機(jī)，用于艦船的推進(jìn)，與過去使用的直流電動(dòng)機(jī)相比，體積可減小60%左右，損耗可降低20%左右。另外1760kW永磁同步推進(jìn)電機(jī)裝于U-212潛艇試用，其長度和有效體積與傳統(tǒng)的直流推進(jìn)電機(jī)相比減少40%。瑞士ABB公司已經(jīng)建造了超過300艘的電力推進(jìn)船舶最大安裝容量達(dá)到了2× 19MW，其研制的400kW到3MW永磁同步電機(jī)用于：“Com-pactAzipod”吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)。法國熱蒙工業(yè)公司1987年研制的400kW、500r/min永磁電機(jī)樣機(jī)與直流電機(jī)相比，體積也減少了40%。 1996年， 12相、1 800kW、180r/min永磁推進(jìn)電機(jī)及控制裝置已完成研制及所有的實(shí)船試驗(yàn)。同年，英國展出了“海航”號(hào)輕型隱身護(hù)衛(wèi)艦設(shè)計(jì)模型。該艦裝有兩臺(tái)21MW永磁同步電機(jī)在巡航或隱身時(shí)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳。

永磁同步馬達(dá)微型化

由于釹鐵硼永磁的最大磁能積很高，特別是能制成超薄型的永磁體，從而使過去難以制作的超微型和低慣量電動(dòng)機(jī)得以實(shí)現(xiàn)。目前已開發(fā)出直徑幾毫米以下的超小型電動(dòng)機(jī)用作醫(yī)療微型機(jī)器、眼球手術(shù)用機(jī)器人手臂或管道檢查用機(jī)器人等場合的驅(qū)動(dòng)源?，F(xiàn)已制成外徑0.8mm、長1.2mm的世界上最小的永磁電動(dòng)機(jī)。

永磁同步馬達(dá)高功能化

在高溫、高真空度或空間狹小等特殊場合難以使用傳統(tǒng)電機(jī)，而稀土永磁電機(jī)可以耐高溫(指釤鈷或高耐熱性釹鐵硼磁體)，且體積小，正好能滿足這些特殊要求。宇航設(shè)備中的機(jī)械手、原子能設(shè)備的檢查機(jī)器人和半導(dǎo)體制造裝置等特殊環(huán)境下工作的電動(dòng)機(jī)，需要使用高溫電動(dòng)機(jī)和高真空電動(dòng)機(jī)。已開發(fā)的有150W、 3 000r/min，工作在200℃ ～ 300℃高溫和133.3× 10^{- 6}Pa真空度環(huán)境下的三相四極永磁電動(dòng)機(jī)，直徑105mm、長145mm，采用高溫特性好的Sm₂Co₁₇永磁體 。

永磁鐵按材料分類分類

（1）合金永磁材料

包括稀土永磁材料（釹鐵硼Nd2Fe14B）、釤鈷(SmCo)、鋁鎳鈷（AlNiCo）

（2）鐵氧體永磁材料（Ferrite）

永磁鐵按生產(chǎn)工藝分類

按生產(chǎn)工藝不同分為：燒結(jié)鐵氧體、粘結(jié)鐵氧體、注塑鐵氧體，這三種工藝依據(jù)磁晶的取向不同又各分為等方性和異方性磁體。

以上是目前市面上的主要永磁材料，還有一些因生產(chǎn)工藝原因或成本原因，不能大范圍應(yīng)用而淘汰，如Cu-Ni-Fe（銅鎳鐵）、Fe-Co-Mo（鐵鈷鉬）、Fe-Co-V（鐵鈷釩）、MnBi（錳鉍）

永磁筒是永磁除鐵器的一種，主要用于去除干粉狀物料、顆粒物料中的鐵雜質(zhì)，廣泛應(yīng)用于食品加工、糧食加工、飼料加工和精細(xì)化工行業(yè)。

因永磁筒設(shè)計(jì)科學(xué)，除鐵效果明顯，是較早應(yīng)用的永磁除鐵器。永磁筒外殼由不銹鋼或碳鋼制成，磁芯表面是不銹鋼，內(nèi)部是永磁鐵。制作永磁筒磁芯的永磁鐵通常是鐵氧體永磁鐵和釹鐵硼永磁鐵，根據(jù)使用要求，選擇對應(yīng)品種和牌號(hào)的永磁體材料。