磁同步电动机的应用前景

磁同步电动机的应用前景

cam 2003-6-26 10:55:54

上海交通大学电力学院 金如麟 谭茀娃

Jin Rulin Tan Fuwa

关键词:永磁同步电动机 永磁材料 无刷直流电动机

Keywords: PMSM permanent magnet material brushless DC motor

[中图分类号] TM921 [文献标识码] A 文章编号 1561-0330(2002)02-0004-04

1 概 述 摘 要:近年来，随着电子技术的发展，永磁电动机驱动控制出现了全新的面貌，再加上永磁电动机本身的高效率、高可靠性等特点Abstract: In the last few years, with the development of electronic tech, the control system of permanent magnet motor has flourished. Acco

众所周知，直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电动机常常还装有换向极，以改善电机的换向性能。直流电机的转子上安放电枢绕组和换花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰速的场合，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无形中损失了大量电能。 同步电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。

自70年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用，主要的原因有:

(1) 高性能永磁材料的发展 在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低过去的电力拖动中，很少采用同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的

永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴1:5，第二代钐钴2:17和第体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。永磁材料的发展极大地推动了永磁同步电动机的开发应用。在同步电动机中用永磁体取代传统的电激磁磁极的好处是: 用永磁体替代电激磁磁极，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;

省去了激磁直流电源，消除了激磁损耗和发热。

当今中小功率的同步电动机绝大多数已采用永磁式结构。

(2) 电力电子技术的发展大大促进了永磁同步电动机的开发应用 点特别适合在电机中使用。它们不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈而需涂复处理。经过这几年的不断改进提高，这些

电力电子技术是信息产业和传统产业间重要的接口，是弱电与被控强电之间的桥梁。自58年世界上第一个功率半导体开关晶闸管MOS 控制的晶体管MCT 等) 直至90年代出现的第四代功率集成电路IPM 。半导体开关器件性能不断提高，容量迅速增大，成本大大

(3) 大规模集成电路和计算机技术的发展完全改观了现代永磁同步电动机的控制 功能，频率会以一定速率从零上升到设定的频率，而且此上升速率可以在很大的范围任意调整，这对同步电动机而言就是解决了

集成电路和计算机技术是电子技术发展的代表，它不仅是高新电子信息产业的核心，又是不少传统产业的改造基础。它们的飞速70年代人们对交流电机提出了矢量控制的概念。这种理论的主要思想是将交流电机电枢绕组的三相电流通过坐标变换分解成励磁控制器地运算速度、数据处理能力，控制地实时性和控制精度等提出了很高的要求，单片机往往都不能满足要求。近年来各种集2 永磁同步电动机的运行控制方法

为此可选用一台较大容量的变频器同时向多台永磁同步电动机供电。

当然，变频器必须能软起动，输出频率能由低到高逐步上升到以解决同步电动机的起动问题。 永磁同步电动机的运行可分为外同步和自同步二类。用独立的变频电源向永磁同步电动机供电，同步电动机转速严格地跟随电源

所谓自同步的永磁同步电动机，其定子绕组产生的旋转磁场位置由永磁转子的位置所决定，能自动地维持与转子磁场有900 的空闭环控制。自同步的永磁同步电动机已成为当今永磁同步电动机应用的主要方式。 定子绕组得到的多相电流，完全由转子位置检测装置给出的信号来控制。这种定子旋转磁场由由定子位置来决定的运行方式即自

自同步永磁同步电动机按电机定子绕组中加入的电流形式可分为方波电动机和正弦波电动机二类。方波电动机绕组中的电流式方好控制特性，故该类方波电动机人们习惯称为无刷直流电动机。这是当前使用最广泛的，很有前途的一种自同步永磁同步电动机要用于现代高精度的交流伺服控制系统中。

3 永磁同步电动机在现代工业中的应用

按照不同的工农业生产机械的要求，电机驱动又分为定速驱动、调速驱动和精密控制驱动三类。

(1) 定速驱动 正弦波自同步永磁同步电动机其定子绕组得到的是对称三相交流电，但三相交流电的频率、相位和幅值由转子的位置信号所决定现代工农业中的驱动电机常用的有交流异步电动机、有刷直流电动机和永磁同步电动机(包括无刷直流电动机) 三大类，它们的综

工农业生产中有大量的生产机械要求连续地以大致不变的速度单方向运行，例如风机、泵、压缩机、普通机床等。对这类机械以了。其次，工农业中大量使用的风机、水泵往往亦需要调节其流量，通常是通过调节风门、阀来完成的，这其中又浪费了大量的例如，家用空调压缩机原先都是采用单相异步电动机，开关式控制其运行，噪声和较高的温度变化幅度是它的不足。90年代初，节能效果和进一步降低了噪声，在相同的额定功率和额定转速下，设单相异步电动机的体积和重量为100%，则永磁无刷直流电动再如仪器仪表等设备上大量使用的冷却风扇，以往都采用单相异步电动机外转子结构的驱动方式，它的体积和重量大，效率低。有12中，框架厚度有6mm 到18mm 共有7种，电压规格有直流1.5V 、3V 、5V 、12V 、24V 、48V ，转速范围从2100rpm 到14000rpm

(2) 调速驱动 近年来的实践表明，在功率不大于10kW 而连续运行的场合，为减小体积、节省材料、提高效率和降低能耗等因素，越来越多的异

有相当多的工作机械其运行速度需要任意设定和调节，但速度控制精度要求并不非常高。这类驱动系统在包装机械、食品机械、步电动机变频调速在许多场合迅速取代了直流调速系统。 在这类调速应用领域最初用的最多的是直流电动机调速系统，70年代后随电力电子技术和控制技术的发展，异步电动机的变频调

交流永磁同步电动机由于其体积小、重量轻、高效节能等一系列优点，越来越引起人们重视，其控制技术日趋成熟，控制器已产是不言而喻的。70年代变频技术发展成熟，异步电动机的变频调速驱动迅速取代了电梯行业中的直流调速系统。而这几年电梯行卷扬机、升降机、起重机等多种场合。

(3) 精密控制驱动

① 高精度的伺服控制系统

系统。最近几年进口的各类自动化设备、自动加工装置和机器人等绝大多数都采用永磁同步电动机的交流伺服系统。

② 信息技术中的永磁同步电动机 驱动系统很快得到各大电梯公司的青睐，与其配套的专用变频器系列产品已有多种牌号上市。可以预见，在调速驱动的场合，将会伺服电动机在工业自动化领域的运行控制中扮演了十分重要的角色，应用场合的不同对伺服电动机的控制性能要求也不尽相同。

当今信息技术高度发展，各种计算机外设和办公自动化设备也随之高度发展，与其配套的关键部件微电机需求量大，精度和性能片上执行数据读写功能的磁头在离盘片表面只有0.1～0.3微米处作悬浮运动，其精度要求之高可想而知了。信息技术中各种设备4 永磁同步电动机的应用前景

显。 由于电子技术和控制技术的发展，永磁同步电动机的控制技术亦已成熟并日趋完善。以往同步电动机的概念和应用范围已被当今