永磁同步電動機(jī)應(yīng)用前景

1、.永磁同步電動機(jī)的應(yīng)用前景 上海交通大學(xué)電力學(xué)院 金如麟 譚茀娃一、 概述眾所周知，直流電動機(jī)有優(yōu)良的控制性能，其機(jī)械特性和調(diào)速特性均為平行的直線，這是各類交流電動機(jī)所沒有的特性。此外，直流電動機(jī)還有起動轉(zhuǎn)矩大、效率高、調(diào)速方便、動態(tài)特性好等特點(diǎn)。優(yōu)良的控制特性使直流電動機(jī)在70年代前的很長時(shí)間里，在有調(diào)速、控制要求的場合，幾乎成了唯一的選擇。但是，直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其定子上有激磁繞組產(chǎn)生主磁場，對功率較大的直流電動機(jī)常常還裝有換向極，以改善電機(jī)的換向性能。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子上安放電樞繞組和換向器，直流電源通過電刷和換向器將直流電送入電樞繞組并轉(zhuǎn)換成電樞繞組中的交變電流，即進(jìn)行機(jī)械式電流換向。

2、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)限制了直流電動機(jī)體積和重量的進(jìn)一步減小，尤其是電刷和換向器的滑動接觸造成了機(jī)械磨損和火花，使直流電動機(jī)的故障多、可靠性低、壽命短、保養(yǎng)維護(hù)工作量大。換向火花既造成了換向器的電腐蝕，還是一個(gè)無線電干擾源，會對周圍的電器設(shè)備帶來有害的影響。電機(jī)的容量越大、轉(zhuǎn)速越高，問題就越嚴(yán)重。所以，普通直流電動機(jī)的電刷和換向器限制了直流電動機(jī)向高速度、大容量的發(fā)展。在交流電網(wǎng)上，人們還廣泛使用著交流異步電動機(jī)來拖動工作機(jī)械。交流異步電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠、壽命長、成本低，保養(yǎng)維護(hù)簡便。但是，與直流電動機(jī)相比，它調(diào)速性能差，起動轉(zhuǎn)矩小，過載能力和效率低。其旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生需從電網(wǎng)吸取無功功率，故功率

3、因素低，輕載時(shí)尤甚，這大增加了線路和電網(wǎng)的損耗。長期以來，在不要求調(diào)速的場合，例如風(fēng)機(jī)、水泵、普通機(jī)床的驅(qū)動中，異步電動機(jī)占有主導(dǎo)地位，當(dāng)然這類拖動中，無形中損失了大量電能。過去的電力拖動中，很少彩同步電動機(jī)，其主要原因是同步電動機(jī)不能在電網(wǎng)電壓下自行起動，靜止的轉(zhuǎn)子磁極在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，平均轉(zhuǎn)矩為零。人們亦知道變頻電源可解決同步電動機(jī)的起動和調(diào)速問題，但在70年代以前，變頻電源是可想而不可得的設(shè)備。所以，過去的電力拖動中，很少看到用同步電動機(jī)作原動機(jī)。在大功率范圍內(nèi)，偶爾也有同步電動機(jī)運(yùn)行的例子，但它往往是用來改善大企業(yè)的電網(wǎng)功率因數(shù)。 自70年代以來，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展極大地推動了同步電動機(jī)

4、的發(fā)展和應(yīng)用，主要的原因有：1、 高性能永磁材料的發(fā)展永磁材料近年來的開發(fā)很快，現(xiàn)有鋁鎳鈷、鐵氧體和稀土永磁體三大類。稀土永磁體又有第一代釤鈷1：5，第二代釤鈷2：17和第三釹鐵硼。鋁鎳鈷是本世紀(jì)三十年代研制成功的永磁材料，雖其具有剩磁感應(yīng)強(qiáng)度高，熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但它矯頑力低，抗退磁能力差，而且要用貴重的金屬鈷，成本高，這些不足大大限制了它在電機(jī)中的應(yīng)用。鐵氧體磁體是本世紀(jì)五十年代初開發(fā)的永磁材料，其最大的特點(diǎn)是價(jià)格低廉，有較高的矯頑力，其不足是剩磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁能積都較低。釤鈷稀土永磁材料在六十年代中期問世，它具有鋁鎳鈷一樣高的剩磁感應(yīng)強(qiáng)度，矯頑力比鐵氧體高，但釤稀土材料價(jià)格較高。80年代初

5、釹鐵硼稀土永磁材料的出現(xiàn)，它具有高的剩磁感應(yīng)強(qiáng)度，高的矯頑力，高的磁能積，這些特點(diǎn)特別適合在電機(jī)中使用。它們不足是溫度系數(shù)大，居里點(diǎn)低，容易氧化生銹而需涂復(fù)處理。經(jīng)過這幾年的不斷改進(jìn)提高，這些缺點(diǎn)大多已經(jīng)克服，現(xiàn)釹鐵硼永磁材料最高的工作溫度已可達(dá)180，一般也可達(dá)150，已足以滿足絕大多數(shù)電機(jī)的使用要求。表1是各種永磁材料性能比較。 表1各種永磁材料的性能比較永磁材料剩磁（T）Br(T)矯頑力HcB(KA/m)內(nèi)稟矯頑力Hcj(KA/m)最大磁能積(BH)m（KJ/m3）剩磁可逆溫度系數(shù)B(%C)居里溫度Tc8(C)中等水平釹鐵硼1.26967955310-0.12350較高水平的釤鈷1.00

6、746766210-0.03850最高水平鋁鎳鈷1.0812080085-0.02850最高水平的鐵氧體0.4130032532-0.18450永磁材料的發(fā)展極大地推動了永磁同步電動機(jī)的開發(fā)應(yīng)用。在同步電動機(jī)中用永磁體取代傳統(tǒng)的電激磁磁極的好處是： 用永磁體替代電激磁磁極，簡化了結(jié)構(gòu)，消除了轉(zhuǎn)子的滑環(huán)、電刷，實(shí)現(xiàn)了無刷結(jié)構(gòu)，縮小了轉(zhuǎn)子體積；省去了激磁直流電源，消除了激磁損耗和發(fā)熱。當(dāng)今中小功率的同步電動機(jī)絕大多數(shù)已采用永磁式結(jié)構(gòu)。2、電力電子技術(shù)的發(fā)展大大促進(jìn)了永磁同步電動機(jī)的開發(fā)應(yīng)用。 電力電子技術(shù)是信息產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)間重要的接口，是弱電與被控強(qiáng)電之間的橋梁。自58年世界上第一個(gè)功率半導(dǎo)體開

7、關(guān)晶閘管發(fā)明以來，電力電子元件已經(jīng)歷了第一代半控式晶閘管，第二代有自關(guān)斷能力的半導(dǎo)體器件（大功率晶體管GTR、可關(guān)斷晶閘管GTO、功率場效應(yīng)管MOSFET）的三代復(fù)合場控器件（絕緣柵功率晶體管IGBT、靜電感應(yīng)式晶體管SIT、MOS控制的晶體管MCT等）直至90年代出現(xiàn)的第四代功率集成電路IPM。半導(dǎo)體開關(guān)器件性能不斷提高，容量迅速增大，成本大降低，控制電路日趨完美，它極大地推動了各類電機(jī)的控制。70年代出現(xiàn)了通用變頻器的系列產(chǎn)品，可將工頻電源轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率連續(xù)可調(diào)的變頻電源，這就為交流電機(jī)的變頻調(diào)速創(chuàng)造了條件。這些變頻器在頻率設(shè)定后都有軟起動功能，頻率會以一定速率從零上升設(shè)定的頻率，而且此上升速

8、率可以在很大的范圍任意調(diào)整，這對同步電動機(jī)而言就是解決了起動問題。對最新的自同步永磁同步電動機(jī)，高性能電力半導(dǎo)體開關(guān)組成的逆變電路是其控制系統(tǒng)的必不可少的功率環(huán)節(jié)。3、 規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展完全改觀了現(xiàn)代永磁同步電動機(jī)的控制 集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)是電子技術(shù)發(fā)展的代表，它不僅是高新電子信息產(chǎn)業(yè)的核心，又是不少傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造基礎(chǔ)。它們的飛速發(fā)展促進(jìn)了電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新。70年代人們對交流電機(jī)提出了矢量控制的概念。這種理論的主要思想是將交流電機(jī)電樞繞組的三相電流通過坐標(biāo)變換分解成勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，從而將交流電動機(jī)模擬成直流電動機(jī)來控制，可獲得與直流電動機(jī)一樣良好的動態(tài)調(diào)速特

9、性。這種控制方法已經(jīng)成熟，并已成功地在交流伺服系統(tǒng)中得到應(yīng)用。因?yàn)檫@種方法采用了坐標(biāo)變換，所以對控制器地運(yùn)算速度、數(shù)據(jù)處理能力，控制地實(shí)時(shí)性和控制精度等提出了很高的要求，單片機(jī)往往都不能滿足要求。近年來各種集成化的數(shù)字信號處理器（DSP）發(fā)展很快，性能不斷改善，軟件和開發(fā)工具越來越多，出現(xiàn)了專門用于電機(jī)控制的高性能、低價(jià)位的DSP。集成電路和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展對永磁同步電動機(jī)控制技術(shù)起到了重要的推動作用。二、 永磁同步電動機(jī)的運(yùn)行控制方法 永磁同步電動機(jī)的運(yùn)行可分為外同步和自同步二類。用獨(dú)立的變頻電源向永磁同步電動機(jī)供電，同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速嚴(yán)格地跟隨電源頻率而變化，此即為外同步式永磁同步電動機(jī)運(yùn)行。外

10、同步運(yùn)行常用于開環(huán)控制，由于轉(zhuǎn)速與頻率的嚴(yán)格關(guān)系，此運(yùn)行方式適合在多臺電動機(jī)要求嚴(yán)格同步運(yùn)行的場合使用。例如，紡織行業(yè)紗錠驅(qū)動，傳送帶錕道驅(qū)動等場合。為此可選用一臺較大容量的變頻器，同時(shí)向多臺永磁同步電動機(jī)供電。當(dāng)然，變頻器必須能軟起動，輸出頻率能由低到高逐步上升到以解決同步電動機(jī)的起動問題。所謂自同步的永磁同步電動機(jī)，其定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場位置由永磁轉(zhuǎn)子的位置所決定，能自動地維持與轉(zhuǎn)子磁場有900的空間夾角，以產(chǎn)生最大的電機(jī)轉(zhuǎn)矩。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速則嚴(yán)格地由永磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速所決定。用此種方式運(yùn)行的永磁同步電動機(jī)除仍需逆變器開關(guān)電路外，還需要一個(gè)能檢測轉(zhuǎn)子位置的傳感器，逆變器的開關(guān)工作，即永磁同步

11、電動機(jī)定子繞組得到的多相電流，完全由轉(zhuǎn)子位置檢測裝置給出的信號來控制。這種定子旋轉(zhuǎn)磁場由定子位置來決定的運(yùn)行方式即自同步的永磁同步電動機(jī)運(yùn)行方式，這是從60年代后期發(fā)展起來的新方式。自同步的永磁同步電動機(jī)運(yùn)行方式從原理上分析可知，它具有直流電動機(jī)的特性，有穩(wěn)定的起動轉(zhuǎn)矩，可以自行起動，并可類似于直流電動機(jī)對電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制。自同步的永磁同步電動機(jī)已成為當(dāng)今永磁同步電動機(jī)應(yīng)用的主要方式。自同步永磁同步電動機(jī)按電機(jī)定子繞組中加入的電流形式可分為方波電動機(jī)和正弦波電動機(jī)二類。方波電動機(jī)繞組中的電流式方波形電流，分析其工作原理可知，它與有刷直流電動機(jī)工作原理完全相同。不同處在于它用電子開關(guān)電路和轉(zhuǎn)子位

12、置傳感器取代了有刷直流電動機(jī)的換向器和電刷，從而實(shí)現(xiàn)了直流電動機(jī)的無刷化，同時(shí)保持了直流電動機(jī)的良好控制特性，故該類方波電動機(jī)人們習(xí)慣稱為無刷直流電動機(jī)。這是當(dāng)前使用最廣泛的，很有前途的一種自同步永磁同步電動機(jī)。 正弦波自同步永磁同步電動機(jī)其定子繞組得到的是對稱三相交流電，但三相交流電的頻率、相位和幅值由轉(zhuǎn)子的位置信號所決定。轉(zhuǎn)子位置檢測通常使用光電編碼器，可精確地獲得瞬間轉(zhuǎn)子位置信息。其控制通常采用單片機(jī)或數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制器的核心單元。因其控制性能、控制精度和轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性較無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)為好，故主要用于現(xiàn)代高精度的交流伺服控制系統(tǒng)中。三、 永磁同步電動機(jī)在現(xiàn)代工業(yè)中的

13、應(yīng)用 現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)中的驅(qū)動電機(jī)常用的有交流異步電動機(jī)、有刷直流電動機(jī)和永磁同步電動機(jī)（包括無刷直流電動機(jī)）三大類，它們的綜合特性比較見表2。機(jī)械特性過載能力可控性平穩(wěn)性噪聲電磁干擾維修性壽命體積效率成本交流異步電動機(jī)軟小難較差較大小易長大低低有刷直流電動機(jī)軟大易較好大嚴(yán)重難短較小高較高永磁同步電動機(jī)（包括無刷直流電動機(jī)）硬大易好小小易長小高較高按照不同的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的要求，電機(jī)驅(qū)動又分為定速驅(qū)動、調(diào)速驅(qū)動和精密控制驅(qū)動三類。1、 定速驅(qū)動工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有大量的生產(chǎn)機(jī)械要求連續(xù)地以大致不變的速度單方向運(yùn)行，例如風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)、普通機(jī)床等。對這類機(jī)械以往大多采用三相或單相異步電動機(jī)來驅(qū)動。異步電動

14、機(jī)成本較低，結(jié)構(gòu)簡單牢靠，維修方便，很適合該類機(jī)械的驅(qū)動。但是，異步電動機(jī)效率、功率因數(shù)低、損耗大，而該類電機(jī)使用面廣量大，故有大量的電能在使用中被浪費(fèi)了。其次，工農(nóng)業(yè)中大量使用的風(fēng)機(jī)、水泵往往亦需要調(diào)節(jié)其流量，通常是通過調(diào)節(jié)風(fēng)門、閥來完成的，這其中又浪費(fèi)了大量的電能。70年代起，人們用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)、水泵中異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)它們的流量，取得可觀的節(jié)能效果，但變頻器的成本又限制了它的使用，而且異步電動機(jī)本身的低效率依然存在。例如，家用空調(diào)壓縮機(jī)原先都是采用單相異步電動機(jī)，開關(guān)式控制其運(yùn)行，噪聲和較高的溫度變化幅度是它的不足。90年代初，日本東芝公司首先在壓縮機(jī)控制上采用了異步電動機(jī)的變頻調(diào)速

15、，變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)促進(jìn)了變頻空調(diào)的發(fā)展。近年來日本的日立、三洋等公司開始采用永磁無刷電動機(jī)來替代異步電動機(jī)的變頻調(diào)速，顯著提高了效率，獲得更好的節(jié)能效果和進(jìn)一步降低了噪聲，在相同的額定功率和額定轉(zhuǎn)速下，設(shè)單相異步電動要的體積和重量為100%，則永磁無刷直流電動機(jī)的體積為38.6%，重量為34.8%，用銅量為20.9%，用鐵量為36.5%，效率提高10%以上，而且調(diào)速方便，價(jià)格和異步電動機(jī)變頻調(diào)速相當(dāng)。永磁無刷直流電動機(jī)在空調(diào)中的應(yīng)用促進(jìn)了空調(diào)劑的升級換代。再如儀器儀表等設(shè)備上大量使用的冷卻風(fēng)扇，以往都采用單相異步電動機(jī)外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的驅(qū)動方式，它的體積和重量大，效率低。近年來它已經(jīng)完全被永磁無刷直流

16、電動機(jī)驅(qū)動的無刷風(fēng)機(jī)所取代?，F(xiàn)代迅速發(fā)展的各種計(jì)算機(jī)等信息設(shè)備上更是無例外地使用著無刷風(fēng)機(jī)。這些年，使用無刷風(fēng)機(jī)已形成了完整的系列，品種規(guī)格多，外框尺寸從15mm到120mm共有12種，框架厚度有6mm到18mm共7種，電壓規(guī)格有直流1.5V、3V、5V、12V、24V、48V，轉(zhuǎn)速范圍從2100rpm到14000rpm，分為低轉(zhuǎn)速、中轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)速和超高轉(zhuǎn)速4種，壽命30000小時(shí)以上，電機(jī)是外轉(zhuǎn)子的永磁無刷直流電動機(jī)。 近年來的實(shí)踐表明，在功率不大于10kW而連續(xù)運(yùn)行的場合，為減小體積、節(jié)省材料、提高效率和降低能耗等因素，越來越多的異步電動機(jī)驅(qū)動正被永磁無刷直流電動機(jī)逐步替代。而在功率較大的

17、場合，由于一次成本和投資較大，除了永磁材料外，還要功率較大的驅(qū)動器，故還較少有應(yīng)用。2、 調(diào)速驅(qū)動 有相當(dāng)多的工作機(jī)械，其運(yùn)行速度需要任意設(shè)定和調(diào)節(jié)，但速度控制精度要求并不非常高。這類驅(qū)動系統(tǒng)在包裝機(jī)械、食品機(jī)械、印刷機(jī)械、物料輸送機(jī)械、紡織機(jī)械和交通車輛中有大量應(yīng)用。在這類調(diào)速應(yīng)用領(lǐng)域最初用的最多的是直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，70年代后隨電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，異步電動機(jī)的變頻調(diào)速迅速滲透到原來的直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。這是因?yàn)橐环矫娈惒诫妱訖C(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能價(jià)格完全可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，另一方面異步電動機(jī)與直流電動機(jī)相比有著容量大、可靠性高、干擾小、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。故異步電動機(jī)變頻調(diào)速在

18、許多場合迅速取代了直流調(diào)速系統(tǒng)。交流永磁同步電動機(jī)由于其體積小、重量輕、高效節(jié)能等一系列優(yōu)點(diǎn)，越來越引起人們重視，其控制技術(shù)日趨成熟，控制器已產(chǎn)品化。中小功率的異步電動機(jī)變頻調(diào)速正逐步為永磁同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)所取代。電梯驅(qū)動就是一個(gè)典型的例子。電梯的驅(qū)動系統(tǒng)對電機(jī)的加速、穩(wěn)速、制動、定位都有一定的要求。早期人們采用直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其缺點(diǎn)是不言而喻的。70年代變頻技術(shù)發(fā)展成熟，異步電動機(jī)的變頻調(diào)速驅(qū)動迅速取代了電梯行業(yè)中的直流調(diào)速系統(tǒng)。而這幾年電梯行業(yè)中最新驅(qū)動技術(shù)就是永磁同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其體積小、節(jié)能、控制性能好、又容易做成低速直接驅(qū)動，消除齒輪減速裝置；其低噪聲、平層精度和舒適性都優(yōu)于以前的驅(qū)動系統(tǒng)，適合在無機(jī)房電梯中使用。永磁同步電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)很快得到各大電梯公司青睞，與其配套的專用變頻器系列產(chǎn)品已有多種牌號上市?？梢灶A(yù)見，在調(diào)速驅(qū)動的場合，將會是永磁同步電動機(jī)的天下。日本富士公司已推出系列的永磁同步電動機(jī)產(chǎn)品相配的變頻控制器，功率從0.4kW300kW,體積比同容量異步電動機(jī)小12個(gè)機(jī)座號，力能指標(biāo)明顯高于異步電動機(jī)，可用于泵、運(yùn)輸機(jī)械、攪拌機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、升降機(jī)、起重機(jī)等多咱場合。3、 精密控制驅(qū)動 高精度的伺服控制系統(tǒng)伺服電動機(jī)在工業(yè)自動化領(lǐng)域的運(yùn)行控制中扮演了十分重要的角色，應(yīng)用場合的不同對伺服電動機(jī)的控制性能要求也不盡相同。實(shí)際應(yīng)用中，