永磁同步電機原理、特點、應用詳解

電機對于工農業(yè)來說至關重要，本文將會對電機的定義、分類、電機驅動的分類進行簡介，并詳細介紹永磁同步電機的原理、特點以及應用。

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，電機表現(xiàn)出電動機的工作特性;當電能被轉換成機械能時，電機表現(xiàn)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

按結構和工作原理劃分：直流電動機、異步電動機、同步電動機。

按工作電源種類劃分：可分為直流電機和交流電機。

交流電機還可分：單相電機和三相電機。

直流電動機按結構及工作原理可劃分：無刷直流電動機和有刷直流電動機。

有刷直流電動機可劃分：永磁直流電動機和電磁直流電動機。

電磁直流電動機劃分：串勵直流電動機、并勵直流電動機、他勵直流電動機和復勵直流電動機。

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

按結構和工作原理劃分：可分為直流電動機、異步電動機、同步電動機。

同步電機可劃分：永磁同步電動機、磁阻同步電動機和磁滯同步電動機。

異步電機可劃分：感應電動機和交流換向器電動機。

感應電動機可劃分：三相異步電動機、單相異步電動機和罩極異步電動機等。

交流換向器電動機可劃分：單相串勵電動機、交直流兩用電動機和推斥電動機。

按起動與運行方式劃分：電容起動式單相異步電動機、電容運轉式單相異步電動機、電容起動運轉式單相異步電動機和分相式單相異步電動機。

按用途劃分：驅動用電動機和控制用電動機。

永磁同步電機

所謂永磁，指的是在制造電機轉子時加入永磁體，使電機的性能得到進一步的提升。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，通過控制電機的定子繞組輸入電流頻率，電動汽車的車速將最終被控制。而如何調節(jié)電流頻率，則是電控部分所要解決的問題。

永磁同步電動機的特點

永磁電動機具有較高的功率/質量比，體積更小，質量更輕，比其他類型電動機的輸出轉矩更大，電動機的極限轉速和制動性能也比較優(yōu)異，因此永磁同步電動機已成為現(xiàn)今電動汽車應用最多的電動機。但永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時，其導磁性能可能會下降，或發(fā)生退磁現(xiàn)象，有可能降低永磁電動機的性能。另外，稀土式永磁同步電動機要用到稀土材料，制造成本不太穩(wěn)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注。與同步電機相比起來，電機轉子的轉速總是小于旋轉磁場(由定子繞組電流產生)的轉速。因此，轉子看起來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)點是成本低，工藝簡單;當然其缺點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，除了控制成本這個主要原因之外，較大的ModelS車體能夠有足夠空間放的下相對大一點的異步電機，也是一個很重要的因素。

永磁同步電動機怎樣產生動力?

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

根據(jù)轉子自生磁場產生方式的不同，又可以將同步電動機分為兩種：

一是將轉子繞組通上外接直流電(勵磁電流)，然后由勵磁電流產生轉子磁場，進而使轉子與定子磁場同步旋轉。這種由勵磁電流產生轉子磁場的同步電動機稱為勵磁同步電動機。

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

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，由于新技術，新工藝和新器件的涌現(xiàn)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。在自動調節(jié)勵磁裝置方面，也不斷研制和推廣使用了許多新型的調節(jié)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(shù)字自動調節(jié)勵磁裝置，這種調節(jié)裝置將能實現(xiàn)自適應最佳調節(jié)。

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

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

電機驅動的分類

按照不同的工農業(yè)生產機械的要求，電機驅動又分為定速驅動、調速驅動和精密控制驅動三類。

1、  定速驅動工農業(yè)生產中有大量的生產機械要求連續(xù)地以大致不變的速度單方向運行，例如風機、泵、壓縮機、普通機床等。對這類機械以往大多采用三相或單相異步電動機來驅動。異步電動機成本較低，結構簡單牢靠，維修方便，很適合該類機械的驅動。但是，異步電動機效率、功率因數(shù)低、損耗大，而該類電機使用面廣量大，故有大量的電能在使用中被浪費了。其次，工農業(yè)中大量使用的風機、水泵往往亦需要調節(jié)其流量，通常是通過調節(jié)風門、閥來完成的，這其中又浪費了大量的電能。70年代起，人們用變頻器調節(jié)風機、水泵中異步電動機轉速來調節(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，而且異步電動機本身的低效率依然存在。

2、  調速驅動有相當多的工作機械，其運行速度需要任意設定和調節(jié)，但速度控制精度要求并不非常高。這類驅動系統(tǒng)在包裝機械、食品機械、印刷機械、物料輸送機械、紡織機械和交通車輛中有大量應用。在這類調速應用領域最初用的最多的是直流電動機調速系統(tǒng)，70年代后隨電力電子技術和控制技術的發(fā)展，異步電動機的變頻調速迅速滲透到原來的直流調速系統(tǒng)的應用領域。這是因為一方面異步電動機變頻調速系統(tǒng)的性能價格完全可與直流調速系統(tǒng)相媲美，另一方面異步電動機與直流電動機相比有著制造工藝簡單、效率高、同功率電機用銅量少、維護保養(yǎng)方便等優(yōu)點。故異步電動機變頻調速在許多場合迅速取代了直流調速系統(tǒng)。

3、 精密控制驅動

①  高精度的伺服控制系統(tǒng)伺服電動機在工業(yè)自動化領域的運行控制中扮演了十分重要的角色，應用場合的不同對伺服電動機的控制性能要求也不盡相同。實際應用中，伺服電動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。伺服電動機系統(tǒng)也經(jīng)歷了直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)、步進電機驅動系統(tǒng)，直至近年來最為引人注目的永磁電動機交流伺服系統(tǒng)。最近幾年進口的各類自動化設備、自動加工裝置和機器人等絕大多數(shù)都采用永磁同步電動機的交流伺服系統(tǒng)。

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