永磁同步電機原理、特點(diǎn)、應用詳解

電機對于工農業(yè)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，本文將會(huì )對電機的定義、分類(lèi)、電機驅動(dòng)的分類(lèi)進(jìn)行簡(jiǎn)介，并詳細介紹永磁同步電機的原理、特點(diǎn)以及應用。

電機的定義

所謂電機，顧名思義，就是將電能與機械能相互轉換的一種電力元器件。當電能被轉換成機械能時(shí)，電機表現出電動(dòng)機的工作特性;當電能被轉換成機械能時(shí)，電機表現出發(fā)電機的工作特性。電機主要由轉子，定子繞組，轉速傳感器以及外殼，冷卻等零部件組成。

電機的分類(lèi)

按結構和工作原理劃分：直流電動(dòng)機、異步電動(dòng)機、同步電動(dòng)機。

按工作電源種類(lèi)劃分：可分為直流電機和交流電機。

交流電機還可分：?jiǎn)蜗嚯姍C和三相電機。

直流電動(dòng)機按結構及工作原理可劃分：無(wú)刷直流電動(dòng)機和有刷直流電動(dòng)機。

有刷直流電動(dòng)機可劃分：永磁直流電動(dòng)機和電磁直流電動(dòng)機。

電磁直流電動(dòng)機劃分：串勵直流電動(dòng)機、并勵直流電動(dòng)機、他勵直流電動(dòng)機和復勵直流電動(dòng)機。

永磁直流電動(dòng)機劃分：稀土永磁直流電動(dòng)機、鐵氧體永磁直流電動(dòng)機和鋁鎳鈷永磁直流電動(dòng)機。

按結構和工作原理劃分：可分為直流電動(dòng)機、異步電動(dòng)機、同步電動(dòng)機。

同步電機可劃分：永磁同步電動(dòng)機、磁阻同步電動(dòng)機和磁滯同步電動(dòng)機。

異步電機可劃分：感應電動(dòng)機和交流換向器電動(dòng)機。

感應電動(dòng)機可劃分：三相異步電動(dòng)機、單相異步電動(dòng)機和罩極異步電動(dòng)機等。

交流換向器電動(dòng)機可劃分：?jiǎn)蜗啻畡铍妱?dòng)機、交直流兩用電動(dòng)機和推斥電動(dòng)機。

按起動(dòng)與運行方式劃分：電容起動(dòng)式單相異步電動(dòng)機、電容運轉式單相異步電動(dòng)機、電容起動(dòng)運轉式單相異步電動(dòng)機和分相式單相異步電動(dòng)機。

按用途劃分：驅動(dòng)用電動(dòng)機和控制用電動(dòng)機。

永磁同步電機

所謂永磁，指的是在制造電機轉子時(shí)加入永磁體，使電機的性能得到進(jìn)一步的提升。而所謂同步，則指的是轉子的轉速與定子繞組的電流頻率始終保持一致。因此，通過(guò)控制電機的定子繞組輸入電流頻率，電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)速將最終被控制。而如何調節電流頻率，則是電控部分所要解決的問(wèn)題。

永磁同步電動(dòng)機的特點(diǎn)

永磁電動(dòng)機具有較高的功率/質(zhì)量比，體積更小，質(zhì)量更輕，比其他類(lèi)型電動(dòng)機的輸出轉矩更大，電動(dòng)機的極限轉速和制動(dòng)性能也比較優(yōu)異，因此永磁同步電動(dòng)機已成為現今電動(dòng)汽車(chē)應用最多的電動(dòng)機。但永磁材料在受到振動(dòng)、高溫和過(guò)載電流作用時(shí)，其導磁性能可能會(huì )下降，或發(fā)生退磁現象，有可能降低永磁電動(dòng)機的性能。另外，稀土式永磁同步電動(dòng)機要用到稀土材料，制造成本不太穩定

永磁同步電機與異步電機

除了永磁同步電機，異步電機也因特斯拉的使用而被廣泛關(guān)注。與同步電機相比起來(lái)，電機轉子的轉速總是小于旋轉磁場(chǎng)(由定子繞組電流產(chǎn)生)的轉速。因此，轉子看起來(lái)與定子繞組的電流頻率總是“不一致”，這也是其為什么叫異步電機的原因。

相比于永磁同步電機，異步電機的優(yōu)點(diǎn)是成本低，工藝簡(jiǎn)單;當然其缺點(diǎn)就是其功率密度與轉矩密度要低于永磁同步電機。而特斯拉ModelS為何選用異步電機而不是永磁同步電機，除了控制成本這個(gè)主要原因之外，較大的ModelS車(chē)體能夠有足夠空間放的下相對大一點(diǎn)的異步電機，也是一個(gè)很重要的因素。

永磁同步電動(dòng)機怎樣產(chǎn)生動(dòng)力?

在交流異步電動(dòng)機中，轉子磁場(chǎng)的形成要分兩步走：第一步是定子旋轉磁場(chǎng)先在轉子繞組中感應出電流;第二步是感應電流再產(chǎn)生轉子磁場(chǎng)。在楞次定律的作用下，轉子跟隨定子旋轉磁場(chǎng)轉動(dòng)，但又“永遠追不上”，因此才稱(chēng)其為異步電動(dòng)機。如果轉子繞組中的電流不是由定子旋轉磁場(chǎng)感應的，而是自己產(chǎn)生的，則轉子磁場(chǎng)與定子旋轉磁場(chǎng)無(wú)關(guān)，而且其磁極方向是固定的，那么根據同性相斥、異性相吸的原理，定子的旋轉磁場(chǎng)就會(huì )拉動(dòng)轉子旋轉，并且使轉子磁場(chǎng)及轉子與定子旋轉磁場(chǎng)“同步”旋轉。這就是同步電動(dòng)機的工作原理。

根據轉子自生磁場(chǎng)產(chǎn)生方式的不同，又可以將同步電動(dòng)機分為兩種：

一是將轉子繞組通上外接直流電(勵磁電流)，然后由勵磁電流產(chǎn)生轉子磁場(chǎng)，進(jìn)而使轉子與定子磁場(chǎng)同步旋轉。這種由勵磁電流產(chǎn)生轉子磁場(chǎng)的同步電動(dòng)機稱(chēng)為勵磁同步電動(dòng)機。

二是干脆在轉子上嵌上永久磁體，直接產(chǎn)生磁場(chǎng)，省去了勵磁電流或感應電流的環(huán)節。這種由永久磁體產(chǎn)生轉子磁場(chǎng)的同步電動(dòng)機，就稱(chēng)為永磁同步電動(dòng)機。

永磁同步電機的應用

永磁同步電機逐漸在工農業(yè)中廣泛應用，近十多年來(lái)，由于新技術(shù)，新工藝和新器件的涌現和使用，使得永磁同步電機的勵磁方式得到了不斷的發(fā)展和完善。在自動(dòng)調節勵磁裝置方面，也不斷研制和推廣使用了許多新型的調節裝置。目前很多國家都在研制和試驗用微型機計算機配以相應的外部設備構成的數字自動(dòng)調節勵磁裝置，這種調節裝置將能實(shí)現自適應最佳調節。

永磁同步電機在工農業(yè)生產(chǎn)中大量的生產(chǎn)機械要求連續地以大致不變的速度單方向運行，例如風(fēng)機、泵、壓縮機、普通機床等。永磁同步電機成本較低，結構簡(jiǎn)單牢靠，維修方便，很適合該類(lèi)機械的驅動(dòng)。

當然，憑借永磁同步電機自身的優(yōu)勢，廣大新能源汽車(chē)制造商首選永磁同步電機，在電梯中也得到了廣泛的應用。

電機驅動(dòng)的分類(lèi)

按照不同的工農業(yè)生產(chǎn)機械的要求，電機驅動(dòng)又分為定速驅動(dòng)、調速驅動(dòng)和精密控制驅動(dòng)三類(lèi)。

1、  定速驅動(dòng)工農業(yè)生產(chǎn)中有大量的生產(chǎn)機械要求連續地以大致不變的速度單方向運行，例如風(fēng)機、泵、壓縮機、普通機床等。對這類(lèi)機械以往大多采用三相或單相異步電動(dòng)機來(lái)驅動(dòng)。異步電動(dòng)機成本較低，結構簡(jiǎn)單牢靠，維修方便，很適合該類(lèi)機械的驅動(dòng)。但是，異步電動(dòng)機效率、功率因數低、損耗大，而該類(lèi)電機使用面廣量大，故有大量的電能在使用中被浪費了。其次，工農業(yè)中大量使用的風(fēng)機、水泵往往亦需要調節其流量，通常是通過(guò)調節風(fēng)門(mén)、閥來(lái)完成的，這其中又浪費了大量的電能。70年代起，人們用變頻器調節風(fēng)機、水泵中異步電動(dòng)機轉速來(lái)調節它們的流量，取得可觀(guān)的節能效果，但變頻器的成本又限制了它的使用，而且異步電動(dòng)機本身的低效率依然存在。

2、  調速驅動(dòng)有相當多的工作機械，其運行速度需要任意設定和調節，但速度控制精度要求并不非常高。這類(lèi)驅動(dòng)系統在包裝機械、食品機械、印刷機械、物料輸送機械、紡織機械和交通車(chē)輛中有大量應用。在這類(lèi)調速應用領(lǐng)域最初用的最多的是直流電動(dòng)機調速系統，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(dòng)機的變頻調速迅速滲透到原來(lái)的直流調速系統的應用領(lǐng)域。這是因為一方面異步電動(dòng)機變頻調速系統的性能價(jià)格完全可與直流調速系統相媲美，另一方面異步電動(dòng)機與直流電動(dòng)機相比有著(zhù)制造工藝簡(jiǎn)單、效率高、同功率電機用銅量少、維護保養方便等優(yōu)點(diǎn)。故異步電動(dòng)機變頻調速在許多場(chǎng)合迅速取代了直流調速系統。

3、 精密控制驅動(dòng)

①  高精度的伺服控制系統伺服電動(dòng)機在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的運行控制中扮演了十分重要的角色，應用場(chǎng)合的不同對伺服電動(dòng)機的控制性能要求也不盡相同。實(shí)際應用中，伺服電動(dòng)機有各種不同的控制方式，例如轉矩控制/電流控制、速度控制、位置控制等。伺服電動(dòng)機系統也經(jīng)歷了直流伺服系統、交流伺服系統、步進(jìn)電機驅動(dòng)系統，直至近年來(lái)最為引人注目的永磁電動(dòng)機交流伺服系統。最近幾年進(jìn)口的各類(lèi)自動(dòng)化設備、自動(dòng)加工裝置和機器人等絕大多數都采用永磁同步電動(dòng)機的交流伺服系統。

②  信息技術(shù)中的永磁同步電動(dòng)機當今信息技術(shù)高度發(fā)展，各種計算機外設和辦公自動(dòng)化設備也隨之高度發(fā)展，與其配套的關(guān)鍵部件微電機需求量大，精度和性能要求也越來(lái)越高。對這類(lèi)微電機的要求是小型化、薄形化、高速、長(cháng)壽命、高可靠、低噪聲和低振動(dòng)，精度要求更是特別高。例如，硬盤(pán)驅動(dòng)器用主軸驅動(dòng)電機是永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機，它以近10000rpm的高速帶動(dòng)盤(pán)片旋轉，盤(pán)片上執行數據讀寫(xiě)功能的磁頭在離盤(pán)片表面只有0.1～0.3微米處作懸浮運動(dòng)，其精度要求之高可想而知了。信息技術(shù)中各種設備如打印機、軟硬盤(pán)驅動(dòng)器、光盤(pán)驅動(dòng)、傳真機、復印機等中所使用的驅動(dòng)電機絕大多數是永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機。受技術(shù)水平限制，這類(lèi)微電機目前國內還不能自己制造，有部分產(chǎn)品在國內組裝。