同步電機(jī)的應(yīng)用

1、永磁同步電機(jī)的應(yīng)用分析電子信息與電氣工程學(xué)院11電氣卓越11020312劉闖摘要：永磁同步電機(jī)在性能具有許多優(yōu)勢，特別是隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得其 應(yīng)用變得越來越廣泛。本文主要介紹永磁同步電機(jī)的工作原理、特點(diǎn)并對永磁同步電機(jī)的應(yīng) 用進(jìn)行分析，同時(shí)指出制約永磁同步電機(jī)應(yīng)用的問題和相應(yīng)的解決措施。關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；工作原理；應(yīng)用1、引言隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷增長，高新技術(shù)也 隨之蓬勃發(fā)展，永磁同步電機(jī)是眾多高新技 術(shù)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，代表了 21世紀(jì) 電機(jī)發(fā)展的方向。因此，對電機(jī)的技術(shù)要求 越來越高，永磁同步電機(jī)由于其一系列優(yōu) 點(diǎn)，在我國各行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用，開發(fā)與 推廣應(yīng)用高效節(jié)能同

2、步電機(jī)具有重要意義。2、永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理2.1、永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)電機(jī)是以磁場為媒介的進(jìn)行機(jī)械能和 電能的相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置為了在電機(jī)內(nèi) 建立進(jìn)行機(jī)一電能轉(zhuǎn)換所需要的氣隙磁場， 可以有兩種方法：一種是在電機(jī)繞組內(nèi)通以 電流，但這既需要專門的繞組和相應(yīng)的裝 置，又要不斷提供能量以維持電流的流動； 另一種是由永磁體來產(chǎn)生氣隙磁場，這樣既 可以簡化電機(jī)結(jié)構(gòu)又可以節(jié)約能量，這就是 永磁同步電機(jī)。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，只是它是用永磁體代替了電勵(lì) 磁，從而省去了勵(lì)磁線圈、滑環(huán)與電刷，其 定子電流與繞線式同步電機(jī)基本相同。永磁同步電機(jī)的主體由轉(zhuǎn)子和定子兩 部分組成。其結(jié)構(gòu)

3、如圖1所示。電機(jī)的定子 指的是電機(jī)在運(yùn)行時(shí)的不動部分，主要由硅 鋼沖壓片，三相對稱的分布在其槽中的繞 組、固定鐵心用的機(jī)殼以及端蓋等部分組 成。永磁同步電機(jī)的定子和異步電動機(jī)的定 子結(jié)構(gòu)基本相同。轉(zhuǎn)子主要由永磁體、導(dǎo)磁 軛和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成。永磁體貼在導(dǎo)磁軛上，導(dǎo)磁 軛為圓筒形，套在轉(zhuǎn)軸上。2.2、永磁同步電機(jī)的原理同步電機(jī)，和感應(yīng)電機(jī)一樣是一種常用 的交流電機(jī)。特點(diǎn)是：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子的 轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間有不變的關(guān)系 n= ns =60f/p，其中f為電網(wǎng)頻率，p為電機(jī) 極數(shù)的一半，ns稱為同步轉(zhuǎn)速。若電網(wǎng)的頻 率不變，則穩(wěn)態(tài)時(shí)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒為常數(shù) 而與負(fù)載的大小無關(guān)。同步電動機(jī)按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分永磁

4、式、磁阻 式、磁滯式和繞線式四種基本類型。其中永 磁式由于其轉(zhuǎn)子是永磁鐵，結(jié)構(gòu)簡單，在小 功率場合得到較廣泛的應(yīng)用。下面以兩極永 磁同步電動機(jī)為例，簡要說明其原理：如圖1，定子繞組中電流產(chǎn)生一個(gè)兩極 的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，中間轉(zhuǎn)子是一個(gè)兩極的永 磁體，當(dāng)定子磁場以同步轉(zhuǎn)速按圖示方向旋 轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)磁極間同性相斥，異性相吸原理， 轉(zhuǎn)子就應(yīng)當(dāng)與旋轉(zhuǎn)磁場一起旋轉(zhuǎn)，由電機(jī)統(tǒng) 一理論知道，兩磁場在電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，必 須保持相對靜止，才能產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn) 矩，驅(qū)動電動機(jī)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。其中轉(zhuǎn)子 磁極軸線與定子磁極軸線之間的夾角隨負(fù) 載轉(zhuǎn)矩的變化而改變，稱為功率角。圖 1 圖 2(a)(b)但永磁式同步電動機(jī)起動比

5、較困難，我 們以圖2來說明這個(gè)問題。電機(jī)原來是靜止 的，剛一合上電源時(shí)，電機(jī)氣隙內(nèi)就產(chǎn)生旋 轉(zhuǎn)磁場，電機(jī)轉(zhuǎn)子受到的力矩為T，方向與 磁場轉(zhuǎn)向相同，如圖2(a)示，由于轉(zhuǎn)子具有 慣性，初速度又為零，所以剛開始時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 速極低，而定子電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn) 動是沒有慣性的，一開始就是同步轉(zhuǎn)速ns。 當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場已轉(zhuǎn)了 180度時(shí)，轉(zhuǎn)子還沒有明 顯的角位移，于是成為圖2(b )中的情況，這 時(shí)轉(zhuǎn)子所受到的轉(zhuǎn)矩與相反，轉(zhuǎn)子應(yīng)以相反 方向轉(zhuǎn)動。3、永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、損耗小、 功率因素高、效率高、功率密度高等顯著特 點(diǎn)。、功率因素高、效率高與感應(yīng)電動機(jī)相比，永磁同步電動機(jī)不 需要

6、無功勵(lì)磁電流，可以顯著提高功率因 素，減少了定子電流和定子電阻損耗，而且 在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)沒有轉(zhuǎn)子電阻損耗，減小或去 掉冷卻風(fēng)扇，使相應(yīng)的風(fēng)磨損耗減小，從而 使效率比同規(guī)格的感應(yīng)電機(jī)提高2%-8%。同 時(shí)功率因素、效率的提高，可減少系統(tǒng)成本。 而且，永磁同步電動機(jī)在25%120%額定負(fù) 載范圍內(nèi)均可以保持較高的功率因素和效 率，使輕載運(yùn)行時(shí)效果更為顯著，在長期的 使用中可以大幅度地節(jié)省電能。美國GM與Unique Mobility公司曾聯(lián) 合對峰值功率100 kW的異步電機(jī)和永磁同 步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)做過比較，結(jié)果參見下表1參數(shù)異步電機(jī)永磁同步電機(jī)峰值功率為W10010.0總重也g,36.28功率,重

7、量比0.41|功率/體積比1.4梆9092.7585進(jìn)過上述的對比分析，永磁同步電機(jī)是 一種比較理想的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)。它相比 較異步電動機(jī)而言有較多的優(yōu)勢。（2）、起動力矩大在需要大起動轉(zhuǎn)矩的設(shè)備中，可以用較 小容量的永磁電機(jī)替代較大容量的感應(yīng)電 機(jī)，較好的解決了 “大馬拉小車”現(xiàn)象，節(jié) 省了設(shè)備的投入費(fèi)用，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效 能。（3）、力能指標(biāo)好感應(yīng)電機(jī)在60%的負(fù)荷下工作時(shí)，效率 下降15%，功率因素下降30%，力能指標(biāo)下 降40%。而永磁電機(jī)在25%-120%額定負(fù)載范 圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因素。當(dāng)只 有20%負(fù)荷時(shí)，其力能指標(biāo)仍為滿負(fù)荷的80% 以上，則使輕載運(yùn)行時(shí)的節(jié)能效

8、果更為顯 著。（4）、溫升低、功率密度高轉(zhuǎn)子無電阻損耗，定子繞組幾乎不存在 無功電流，因而電機(jī)溫升低，同體積、重量 的永磁電機(jī)功率可提高30%左右；同功率容 量的永磁電機(jī)體積、重量、所用材料可減少 30%左右，使永磁電機(jī)的成本優(yōu)勢顯著。（5）、結(jié)構(gòu)多樣化，應(yīng)用范圍廣永磁同步電動機(jī)由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)極其多 樣，產(chǎn)生了特點(diǎn)和性能各異的許許多多的品 種，從工業(yè)到農(nóng)業(yè)，從民用到國防，從日常 生活到航空航天，從簡單電動工具到高科技 產(chǎn)品，幾乎無所不包。（6）、通過增加電機(jī)的勵(lì)磁電流，可以實(shí) 現(xiàn)對電網(wǎng)無功補(bǔ)償在電網(wǎng)電壓U為常值，電磁功率為常值 時(shí)，勵(lì)磁電流與功率因數(shù)的關(guān)系就可以由電 樞電流得到，見右圖。調(diào)節(jié)勵(lì)磁

9、就可以調(diào)節(jié) 同步電動機(jī)的功率因數(shù)，從而使其工作在超 前、平激、滯后三種狀態(tài)。永磁同步電機(jī)U形曲線這樣既提高同步電動機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性， 又給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。4、永磁同步電機(jī)的主要應(yīng)用隨著新材料、機(jī)電一體化、電力電子技 術(shù)、計(jì)算機(jī)等各種相關(guān)新技術(shù)的發(fā)展，永磁 同步電機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)開拓了很廣泛的應(yīng) 用領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)高速、高精度、高穩(wěn)定度、快 速響應(yīng)、高效節(jié)能的運(yùn)動控制。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有大量的生產(chǎn)機(jī)械要求4.1定速連續(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

10、。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。4.2調(diào)速有相當(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。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)，是當(dāng) 今社會的低碳電機(jī)。已越來越引起人們重 視，

11、由于同步電機(jī)的運(yùn)行特性和其控制技術(shù) 日趨成熟。中小功率的直流電動機(jī)、異步電 動機(jī)變頻調(diào)速正逐步被永磁同步電動機(jī)調(diào) 速系統(tǒng)所取代。4.3精密控制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， 伺服電動機(jī)有各種不同的控制方式，例如轉(zhuǎn) 矩控制/電流控制、速度控制、位置控制等。 伺服電動機(jī)系統(tǒng)也經(jīng)歷了直流伺服系統(tǒng)、交 流伺服系統(tǒng)、步進(jìn)系統(tǒng)，直至近年來最為引 人注目的永磁電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)。最近幾 年進(jìn)口的各類自動化設(shè)備、自動加工裝置和 機(jī)器人等絕大多數(shù)都采用永磁的交流伺服 系統(tǒng)。5、制約永磁同步電

12、機(jī)應(yīng)用的問題及改進(jìn)措施5.1制約永磁同步電機(jī)應(yīng)用的問題5.1.1、啟動問題同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是定子旋轉(zhuǎn)磁場 與轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生的。但它們僅僅在 相對靜止時(shí)，也就是轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn) 時(shí)，才有恒定方向的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電動機(jī)啟動時(shí)， 如果仿照異步電動機(jī)那樣直接接在三相定 子繞組中通以額定頻率的三相電流，那么轉(zhuǎn) 子磁極還沒動，但定子電樞繞組中通過三相 交流電形成的以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的磁場，使得 轉(zhuǎn)子磁極所受的電磁轉(zhuǎn)矩的方向瞬息交變， 每經(jīng)過半個(gè)周期，轉(zhuǎn)矩方向就改變一次，因 此轉(zhuǎn)子所受的平均轉(zhuǎn)矩等于零。所以同步電 機(jī)沒有啟動轉(zhuǎn)矩，就不能自啟動。、初始位宣義8初始位傳1同步電機(jī)啟動過程示意圖5.1.2、失步問

13、題同步電機(jī)保持正常同步運(yùn)行的一個(gè)必 要條件和顯著標(biāo)志是：它的轉(zhuǎn)速必須與電網(wǎng) 嚴(yán)格對應(yīng)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子磁場必須與 定子旋轉(zhuǎn)磁場嚴(yán)格同步。這種嚴(yán)格的對應(yīng)和 同步關(guān)系是以轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩平衡為基礎(chǔ)的。 但來自電網(wǎng)、負(fù)載以及電機(jī)本身的各種擾動 不斷地破壞著電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系。盡 管電機(jī)按其本身的特性，具有一定的調(diào)節(jié)能 力，以功角8的相應(yīng)變化自動地調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn) 矩的大小，以抵消各種擾動所引起的不平 衡，使轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩關(guān)系處于動平衡之中。 但電機(jī)的這種自動調(diào)節(jié)能力是有限度的，當(dāng) 擾動大到一定程度或超過一定就會導(dǎo)致電 機(jī)失步。按失步原因及性質(zhì)的不同，可分為 三種失步類型，即斷電失步、帶勵(lì)失步和失 磁失步。

14、5.2改進(jìn)措施5.2.1啟動問題改進(jìn)措施（1）、定子電流的頻率由低到高逐漸增 加，最終將轉(zhuǎn)子牽入同步轉(zhuǎn)速。（2）、利用絕對式光電碼盤或旋轉(zhuǎn)變壓 器獲得轉(zhuǎn)子磁極的初始位置，再給出相應(yīng)的 啟動轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)啟動。（3）、采用帶有簡單磁極定位功能的增 量式編碼器。（4）、在電機(jī)啟動之前向定子通入直流 電，產(chǎn)生一個(gè)靜止的磁場以便將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到事 先約定的零位置上，這樣就完成了轉(zhuǎn)子位置 初始化。5.2.2失步問題改進(jìn)措施（1）、逆功率繼電器的動作時(shí)限應(yīng)大于 引起電機(jī)失步的極限斷電時(shí)間。（2）、逆功率繼電器的動作時(shí)限應(yīng)大于 同步震蕩的半個(gè)周期。（3）、逆功率繼電器的動作時(shí)限一般不 宜大于0.5S（4）、反應(yīng)定于電流

15、增大的保護(hù)。同步 電動機(jī)失步后，定于電流增大超過額定電 流。因此可由有限反時(shí)限特性的過電流器 （GI 一 10或GI 一 20系列）構(gòu)成帶勵(lì)失步或 失磁失步保護(hù)。（5）、反應(yīng)定于電壓和電流之間相位角 變化的保護(hù)。帶勵(lì)失步時(shí)，由于電動機(jī)定于 電壓和轉(zhuǎn)于電動勢之間夾角發(fā)生變化，故定 于電壓和電流間的相位角也隨著變化.失磁 失步時(shí)，電動機(jī)由正常運(yùn)行時(shí)的發(fā)送無功功 率變?yōu)槲o功功率，故定于電壓和電流之 間相監(jiān)角也會發(fā)生變化。因此，利用定子電 壓和電流間相位角的變化，也可構(gòu)成失步保 護(hù)。6、永磁同步電機(jī)應(yīng)用趨勢永磁同步電機(jī)是眾多高新技術(shù)和高新 科技產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，它與電力電子技術(shù)和微電 子控制技術(shù)相結(jié)合，

16、可以制造出許多新型 的、性能優(yōu)異的機(jī)電一體化產(chǎn)品和設(shè)備，代 表了 21世紀(jì)電機(jī)發(fā)展的方向。（1）、向高效節(jié)能方向發(fā)展永磁電機(jī)是一種高效節(jié)能產(chǎn)品，平均節(jié) 電率高達(dá)10%以上，專用稀土永磁電機(jī)可高 達(dá)15%-20%。根據(jù)我國國情，高性能的稀土 永磁材料已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。（2）向機(jī)電一體化方向發(fā)展實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，是發(fā)展各種機(jī) 電一體化需用的各種高性能稀土永磁電機(jī)， 如數(shù)控機(jī)床用伺服電機(jī)，計(jì)算機(jī)用VCM音圈 電機(jī)等。變頻調(diào)速稀土永磁同步電機(jī)和無刷 直流電機(jī)是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)。（3）向高性能方向發(fā)展現(xiàn)代化裝備向電機(jī)工業(yè)提出各種各樣 的高性能要求，如軍事裝備要求提供給各種 高性能信號電機(jī)，移動電站、自動

17、化裝備用 伺服系統(tǒng)及電機(jī)，航空航天用高性能、高可 靠性永磁電機(jī)，化纖設(shè)備用高調(diào)速精度變頻 調(diào)速同步電動機(jī)，數(shù)控車床、加工中心、機(jī) 器人用高調(diào)速比稀土永磁伺服電機(jī)，計(jì)算機(jī) 用高精度擺動電機(jī)及主軸電機(jī)等。（4）向?qū)Ｓ秒姍C(jī)方向發(fā)展電機(jī)所驅(qū)動的負(fù)載千變?nèi)f化，如全部采 用通用型計(jì)算機(jī)，在某些情況下，技術(shù)經(jīng)濟(jì) 很不合理。因此國外大力發(fā)展專用電機(jī)，專 用電機(jī)約占總產(chǎn)量的80%，通用電機(jī)占20%， 而我國恰恰相反。專用電機(jī)是根據(jù)不同負(fù)載 特性專門設(shè)計(jì)的，如油田用抽油機(jī)專用稀土 永磁電機(jī)，節(jié)能率高達(dá)25%。這方面的節(jié)能 潛力很大。（5）向輕型化方向發(fā)展航空航天產(chǎn)品，電動車輛、數(shù)控機(jī)床、 計(jì)算機(jī)、視聽產(chǎn)品、醫(yī)療器

18、械、便攜式光機(jī) 一體化產(chǎn)品等，都對電機(jī)提出體積小重量輕 的嚴(yán)格要求。永磁同步電機(jī)以其體積小、節(jié) 能、控制性能好、又容易做成低速直流驅(qū)動， 消除齒輪減速裝置，可通過頻率的變化進(jìn)行 調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)，在電梯技術(shù)上得以開發(fā)應(yīng)用。 相信隨著電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，稀土 永磁同步電機(jī)技術(shù)會朝著高效節(jié)能、機(jī)電一 體化、高性能、專用電機(jī)、輕型化的方向發(fā)展并日趨完善。7、思考永磁同步電機(jī)的應(yīng)用迅速發(fā)展的原因：（1）、高性能永磁材料的發(fā)展。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。（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。8、總結(jié)隨著電子技術(shù)和控制技