永磁同步電機原理、特點、應(yīng)用詳解

電機對于工農(nóng)業(yè)來說至關(guān)重要，本文將會對電機的定義、分類、電機驅(qū)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(yīng)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(zhuǎn)換的一種電力元器件。當電能被轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子，定子繞組，轉(zhuǎn)速傳感器以及外殼，冷卻等零部件組成。

電機的分類

按結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fù)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(jié)構(gòu)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(yīng)電動機和交流換向器電動機。

感應(yīng)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(zhuǎn)式單相異步電動機、電容起動運轉(zhuǎn)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(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)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(diào)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(zhì)量比，體積更小，質(zhì)量更輕，比其他類型電動機的輸出轉(zhuǎn)矩更大，電動機的極限轉(zhuǎn)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(yīng)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(dǎo)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(guān)注。與同步電機相比起來，電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速總是小于旋轉(zhuǎn)磁場(由定子繞組電流產(chǎn)生)的轉(zhuǎn)速。因此，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)生動力?

在交流異步電動機中，轉(zhuǎn)子磁場的形成要分兩步走：第一步是定子旋轉(zhuǎn)磁場先在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出電流;第二步是感應(yīng)電流再產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場。在楞次定律的作用下，轉(zhuǎn)子跟隨定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動，但又“永遠追不上”，因此才稱其為異步電動機。如果轉(zhuǎn)子繞組中的電流不是由定子旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)的，而是自己產(chǎn)生的，則轉(zhuǎn)子磁場與定子旋轉(zhuǎn)磁場無關(guān)，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(zhuǎn)磁場就會拉動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并且使轉(zhuǎn)子磁場及轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場“同步”旋轉(zhuǎn)。這就是同步電動機的工作原理。

根據(jù)轉(zhuǎn)子自生磁場產(chǎn)生方式的不同，又可以將同步電動機分為兩種：

一是將轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子磁場，進而使轉(zhuǎn)子與定子磁場同步旋轉(zhuǎn)。這種由勵磁電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場的同步電動機稱為勵磁同步電動機。

二是干脆在轉(zhuǎn)子上嵌上永久磁體，直接產(chǎn)生磁場，省去了勵磁電流或感應(yīng)電流的環(huán)節(jié)。這種由永久磁體產(chǎn)生轉(zhuǎn)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(yīng)用

永磁同步電機逐漸在工農(nóng)業(yè)中廣泛應(yīng)用，近十多年來，由于新技術(shù)，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(diào)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(diào)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(yīng)的外部設(shè)備構(gòu)成的數(shù)字自動調(diào)節(jié)勵磁裝置，這種調(diào)節(jié)裝置將能實現(xiàn)自適應(yīng)最佳調(diào)節(jié)。

永磁同步電機在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量的生產(chǎn)機械要求連續(xù)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(jié)構(gòu)簡單牢靠，維修方便，很適合該類機械的驅(qū)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(yīng)用。

電機驅(qū)動的分類

按照不同的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械的要求，電機驅(qū)動又分為定速驅(qū)動、調(diào)速驅(qū)動和精密控制驅(qū)動三類。

1、  定速驅(qū)動工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有大量的生產(chǎn)機械要求連續(xù)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。對這類機械以往大多采用三相或單相異步電動機來驅(qū)動。異步電動機成本較低，結(jié)構(gòu)簡單牢靠，維修方便，很適合該類機械的驅(qū)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(nóng)業(yè)中大量使用的風(fēng)機、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，這其中又浪費了大量的電能。70年代起，人們用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機、水泵中異步電動機轉(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，而且異步電動機本身的低效率依然存在。

2、  調(diào)速驅(qū)動有相當多的工作機械，其運行速度需要任意設(shè)定和調(diào)節(jié)，但速度控制精度要求并不非常高。這類驅(qū)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(yīng)用。在這類調(diào)速應(yīng)用領(lǐng)域最初用的最多的是直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，70年代后隨電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，異步電動機的變頻調(diào)速迅速滲透到原來的直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。這是因為一方面異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能價格完全可與直流調(diào)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(diào)速在許多場合迅速取代了直流調(diào)速系統(tǒng)。

3、 精密控制驅(qū)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(lǐng)域的運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的控制性能要求也不盡相同。實際應(yīng)用中，伺服電動機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(qū)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(shè)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(shù)中的永磁同步電動機當今信息技術(shù)高度發(fā)展，各種計算機外設(shè)和辦公自動化設(shè)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(qū)動器用主軸驅(qū)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(zhuǎn)，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(shù)中各種設(shè)備如打印機、軟硬盤驅(qū)動器、光盤驅(qū)動、傳真機、復(fù)印機等中所使用的驅(qū)動電機絕大多數(shù)是永磁無刷直流電動機。受技術(shù)水平限制，這類微電機目前國內(nèi)還不能自己制造，有部分產(chǎn)品在國內(nèi)組裝。