永磁同步电动机发展现状综述

王建设　徐荣　孙友增

摘 要：得益于稀土永磁材料及电力电子技术和控制技术的发展，永磁同步电动机以其质量轻、效率高、体积小等优势，在各个领域得到了广泛应用。首先综述了目前永磁同步电动机的发展和应用状况，然后对永磁同步电机的类型、特点及设计方法和技术作了深入介绍，最后分析了永磁同步电动机的发展趋势。

关键词：永磁同步电动机；稀土永磁材料；新型控制理论；无刷直流电动机

中图分类号：TM351 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.16.005

随着20世纪70年代稀土永磁材料的发展，稀土永磁电机应运而生。永磁电机利用稀土永磁体励磁，永磁体充磁后能够产生永久磁场。它的励磁性能优异，因在稳定性、质量、降低损耗等方面都优于电励磁电机而动摇了传统的电机市场。近年来，随着现代科学技术的快速发展，电磁材，料特别是稀土电磁材料性能及工艺逐渐得以提高和改善，再加上电力电子与电力传动技术、自动控制技术的高速发展，永磁同步电机的性能越来越好。再者，永磁同步电动机具有质量轻、结构较简单、体积小、特性好、功率密度大等优点，很多科研机构、企业都在努力积极开展永磁同步电机的研发工作，其应用领域将进一步扩大。

1 永磁同步电机的发展及研究现状

1.1 永磁同步电机的发展基础

1.1.1 高性能稀土永磁材料的应用

稀土永磁材料经历了SmCo5、Sm2Co17、Nd2Fe14B三个阶段。现在以钕铁硼为代表的永磁材料因其在磁学性能上表现优异成为应用最广泛的一类稀土永磁材料。永磁材料的发展带动了永磁电机的发展。与传统的电励磁三相感应电机相比，永磁体替代了电激磁磁极，简化了结构，消除了转子的滑环、电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积。这使得电机的功率密度、转矩密度和工作效率提高，且使电机体积变小，质量减轻，使其应用领域进一步扩大，促使电动机向更大功率方向发展。

1.1.2 新型控制理论的应用

近年来，控制算法发展很快，其中，矢量控制算法从原理上解决了交流电机的驱动策略问题，使得交流电机具有良好的控制性能。直接转矩控制的出现使控制结构更加简单，以及具有对参数变化电路棒性能强和转矩动态响应速度快的特点。间接转矩控制技术解决了直接转矩在低速时转矩脉动大的问题，提高了电动机的转速和控制精度。

1.1.3 高性能电力电子器件和处理器的应用

现代电力电子技术是信息产业与传统产业间重要的接口，是弱电与被控强电之间的桥梁。电力电子技术的发展使驱动控制策略得以实现。比如20世纪70年代出现了通用变频器的系列产品，它们能将工频电源转换成频率连续可调的变频电源，如此就为交流电的变频调速创造了条件。这些变频器在频率设定后具有软启动能力，频率能以一定的速率从零上升到设定的频率，并且上升速率在很大范围内可连续调整，解决了同步电动机的启动问题。

1.2 国内外永磁同步电机的发展现状

历史上第一台电机是永磁电机。当时，永磁材料性能比较差，永磁体矫顽力和剩磁都太低，不久就被电励磁电机取代了。到了20世纪70年代，以钕铁硼为代表的稀土永磁材料拥有很大的矫顽力、剩磁，退磁能力强和较大的磁能积使大功率永磁同步电机登上历史的舞台。现在，关于永磁同步电机的研究日趋成熟，正朝向高速度，大转矩、大功率、高效率以及微型化、智能化发展。近年来，在永磁同步电机本体上出现了很多高端电机，比如1986年德国西门子公司开发的230 r/min、1 095 kW的六相永磁同步电动机。用它为舰船提供动力，其体积比传统的直流电机小近60%，损耗降低近20%. 瑞士ABB公司建造的用于舰船推进的永磁同步电动机最大安装容量达38 MW。我国对永磁电机的研究起步晚，随着国内学者和政府的大力投入，它发展得很快。目前，我国已经研制生产出3 MW高速度永磁风力发电机，南车株洲公司也在研制更大功率的永磁电机。

随着微型计算机技术及自动控制技术的发展，永磁同步电动机在各领域得到了广泛的应用。现在由于社会的进步，人们对永磁同步电机的要求更加苛刻，促使永磁电动机向着拥有更大的调速范围和更高的精度控制发展。由于现在生产工艺的提高，具有高性能的永磁材料得到进一步的发展。这使其成本大大降低，逐渐被应用于生活的各个领域。

2 永磁同步电机特点及分类

2.1 永磁同步电机的特点

永磁同步电动机自身结构简单，损耗低，功率因数高。与电励磁电机相比，因为没有电刷、换向器等装置，不需要无功励磁电流，因此定子电流、电阻损耗都较小，效率更高，励磁转矩更大，能控性能更好。但存在成本高，启动困难等不足。由于现在控制技术在电机上的应用，特别是矢量控制系统的应用，永磁同步电机能实现大范围调速、快速动态响应和高精度定位控制，所以永磁同步电机将会吸引更多的人进行广泛的研究。

2.2 永磁同步电动机的分类

2.2.1 按转子磁场形成波形的不同划分

由于永磁同步电动机转子磁钢形状不一样，转子磁场在空间分布形成的波形也有所不同，习惯上分为正弦型永磁同步电机调速系统（转子在定子上产生的反电动势是正弦波）和无刷直流电动机BLDCM（转子在定子上产生的反电动势是梯形波）。

2.2.2 按永磁体在转子空间结构的不同划分

永磁同步电动机因永磁体在转子空间结构的不同分表贴式和内置式。表贴式永磁同步电动机永磁体的形状通常呈瓦片形，紧贴在转子铁芯的外表面。表贴式永磁电机的特点是直轴和交轴的电感相等。内置式永磁电机的永磁体在转子铁芯内部，永磁体外表面与定子铁芯内圆之间有铁磁物质制成的极靴。极靴起聚磁作用，可以提高气隙磁密，还可以改善空载气隙磁场波形。这种永磁电机的重要特点是直、交轴磁路不对称。这两种电机的性能有所不同，与表面式永磁电机相比，内置式永磁电机具有弱磁扩速能力强、动态响应快、齿槽转矩小等优点。

3 现阶段的永磁同步电动机技术

3.1 永磁同步电机设计技术

与普通电励磁电机相比，永磁同步电动机由于没有电励磁绕组、集电环和励磁柜，不仅稳定性、可靠性大大提高，而且效率也有很大改善。其中，内置式永磁电机具有效率高、功率因数大、单位功率密度大、弱磁扩速能力强和动态响应速度快等优点，成为驱动电机的理想选择。永磁体提供永磁电机的全部励磁磁场，齿槽转矩会加大电机运行时的震动和噪声。过大的齿槽转矩会使电机速度控制系统的低速性能及位置控制系统的高精度定位受到影响，所以在电机设计时，应尽量通过电机优化来减小齿槽转矩。经研究，减小齿槽转矩的一般方法有改变极弧系数，减小定子的槽口宽度，斜槽、极槽配合，改变磁极位置、尺寸和形状等。但应该注意，在减小齿槽转矩时，可能会对电机的其他性能造成影响，比如电磁转矩可能会随之变小。所以在设计时，要尽量平衡好各种因素，使电机性能达到最好。

3.2 永磁同步电机仿真技术

永磁电机中永磁体的存在给设计人员计算参数带来了难度，比如空载漏磁系数的设计、极弧系数的设计。一般利用有限元分析软件计算优化永磁电机各项参数。有限元软件能使电机参数计算很精确，且利用它分析电机参数对性能的影响是非常可信的。有限元计算方法使我们计算及分析电机电磁场更方便、更快速、更准确。这是一种数值的方法，是在差分法的基础上发展而来的，现已被广泛运用于科学和工程领域。用数学方法把一些连续的求解域离散成一组组单元，再在每个单元内分片插值。这样就形成了一个线性插值函数，即近似函数利用有限元进行仿真分析，它可以让我们直观地观察电机内部磁场磁力线走向和磁通密度的分布。

3.3 永磁同步电机控制技术

提高电机驱动系统性能对工业控制领域的发展同样具有重要意义，它使系统处于最佳的性能驱动，其基本特点体现在速度较小方面，尤其是在快速启动、静止加速等情况下，能够输出较大转矩；而在高速行驶时，可以实现大范围内的恒功率调速控制。表1为几种主要电机性能的比较。

从表1中可以看出，永磁电机有很好的可靠性，且调速范围宽，效率较高。如果以相应的控制方法配合，能使电机的整个系统发挥最好的性能。因此，要选合适的控制算法来达到高效调速，从而使电机的驱动系统在相对较宽的调速区域、恒功率区间运行。

矢量控制方法在永磁电机调速控制算法中使用较广，它有调速范围广、效率高、可靠性高、稳定性好、经济效益好等优点，被广泛应用于电机驱动、轨道交通及机床伺服等领域中。由于用途不同，所采用的电流矢量控制策略也是不相同的。

4 永磁同步电动机的设计方法分类

4.1 磁路法

电机中分布不匀的交变磁场可等效成相应的磁路，使磁场计算转化为磁路计算。由于等效磁路计算中采用较多修正系数，因此无法通过理论计算出其精确值。一般使用经验数据。如果初步设计出来的方案不满足设计需要，设计者必须重新选定修正值再次计算。

4.2 有限元法

为使计算准确，需对电磁场进行分析，比如永磁磁极形状与尺寸、局部退磁现象等。用有限元软件对电磁场数值计算分析，节省了产品的开发成本，为电机的优化设计提供了准确的依据。计算机性能的提高使得电磁场数值计算理论的各种分析方法得以发展。有限元法实质是将问题转化成适合数值求解的结构性问题，它将无限个自由度的连续系统理想化成有限多个自由度单元集合。目前，最常用的有限元仿真软件是ansoft，它能对整个电机系统进行联合仿真。

4.3 场路结合法

磁路法计算速度虽快，但是精确度不高，计算机计算精确度高，但计算较慢且对计算机要求较高。因此，将有限元法与传统的磁路法相结合应用到电机电磁的数值计算中，不仅可以提高计算效率，还可以提升精度。这对电机参数设计有很大的实用价值。场路结合法的基本思路是先参考磁路计算结果，初步建立几何模型，然后通过有限元进行磁场分析，准确计算出等效磁路法中需要修正的系数。

5 永磁同步电动机发展趋势

5.1 永磁无刷直流电动机（BLDCM）

自20世纪80年代起，控制技术，尤其是控制理论策略发展很快，其中一些先进的控制策略，比如滑模控制、变结构控制等正在被引入永磁无刷电动机的控制器中。这为推动高性能向智能化、柔性化、全数字化的发展开辟了新途径。现在人们生活水平越来越高，保护生存环境的意识不断增强，使用高性能的电机系统成为电机产业发展的必然趋势，并且将来也会在电动车、家用电器等小电机行业中得到更广泛的应用。

5.2 PMSM的发展趋势

PMSM伺服系统因其自身技术和应用领域，将会朝着2个方向发展：①办公自动化设备、简易数控机床、计算机外围设备、家用电器及对性能要求不高的工业运动控制等领域的简易、低成本伺服系统；②高精度数控机床、机器人、特种加工设备精细进给驱动，以及航空、航天用的高性能全数字化、智能化、柔性化的伺服系统。后者更能充分体现伺服系统的优点，它将是今后发展的主要方向。

参考文献

[1]Shoudao Huang，Guangsheng Wang，Jian Gao，et al.Optimization Design Of Permanent Magnet Synchronous Servo Motor With New High Dynamic Performance.International Conference on Electrical Machinas and Systems，2011.

[2]王广生，高剑，浦清云，等.不同定转子结构对表贴式永磁电机齿槽转矩的影响[C]//湖南省第四届研究生创新论坛，2011.

[3]Studer C，Keyhani A，Sebastian T，et al.Study of Cogging Torque in Permanent Magnet Machines.Electric Machines&Power Systems，1997，27（7）：665-678.

[4]Dutta R，Sayeef S，Rahman M F.Cogging Torque Analysis of a Segmented Interior Permanent Magnet Machine.International Electric Machines&Drivers，2007（5）：781-786.

[5]王莹，唐任远，曹先庆，等.内置式永磁同步电动机弱磁控制实验研究[J].微电机，2008，41（11）：1-4.

[6]李静，程小华.永磁同步电机的发展趋势[J].防爆电机，2009，44（5）：1-4.

[7]徐衍亮.电动汽车用永磁同步电动机功率特性及弱磁扩速能力研究[J].山东大学学报，2002，32（5）：31-37.

[8]林河成.稀土永磁材料的现状及发展[J].粉末冶金工业，2010，9（2）：47-52.

[9]刘立军，张映明，康基宏.自启动永磁同步电动机研究开发与分析[J].电气技术，2010，11：017.

[10]Tseng K J，Chen G H.Computer-aided design and analysis of direct-driven wheel motor drive.Power Electronics IEEE Transactions on，1997，12（3）：517-527.

[11]闫萍，吴梦艳.现代永磁电机技术的研究[J].防爆电机，2014，49（2）：51-52.

〔编辑：刘晓芳〕