淺談大扭矩永磁同步電機(jī)在工程中的應(yīng)用

劉全新,劉加嶺,杜傳明,阮文陽(yáng)（山東科技大學(xué),山東 青島 266590）

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淺談大扭矩永磁同步電機(jī)在工程中的應(yīng)用

劉全新,劉加嶺,杜傳明,阮文陽(yáng)
（山東科技大學(xué),山東 青島 266590）

摘 要：隨著國(guó)家工業(yè)化的發(fā)展，大扭矩永磁同步電機(jī)高效節(jié)能的特點(diǎn)已經(jīng)成為市場(chǎng)新貴。本文基于大扭矩永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，分析了永磁同步電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域、船舶電力推進(jìn)領(lǐng)域以及交通工具領(lǐng)域中的應(yīng)用，最后總結(jié)了永磁同步電機(jī)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)前景，希望對(duì)未來(lái)永磁同步電機(jī)的新應(yīng)用有所助益。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；風(fēng)力發(fā)電；船舶電力推進(jìn)；交通工具

1 永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

永磁同步電機(jī)（PMSM）是用永磁體來(lái)代替普通同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)，為發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁的一種發(fā)電機(jī)。作為電機(jī)工業(yè)技術(shù)的主要發(fā)展方向之一的永磁同步電機(jī)具有高效節(jié)能、輕型化、響應(yīng)快速可靠等突出優(yōu)點(diǎn)：

（1）大扭矩永磁同步電機(jī)勵(lì)磁繞組被永磁體取代，沒(méi)有轉(zhuǎn)子上的銅耗，是一種高效、節(jié)能的產(chǎn)品,平均節(jié)電率高達(dá)10%以上,特別是稀土永磁電機(jī)節(jié)電率可高達(dá)15%至20%。水泵,風(fēng)機(jī),壓縮機(jī)需要無(wú)級(jí)變頻調(diào)速,異步變頻節(jié)電25%左右,永磁變頻節(jié)電率高達(dá)30%以上。

（2）采用大扭矩永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“電機(jī)+減速器”的傳動(dòng)模式，無(wú)機(jī)械換向器和電刷，去掉了笨重的減速機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少了故障率，且避免了減速機(jī)構(gòu)帶來(lái)的傳動(dòng)間隙、機(jī)械磨損、維護(hù)繁瑣等各種不利影響。

（3）大扭矩永磁同步電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、可靠性高。一方面，由于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)一般都存在機(jī)械傳動(dòng)部件，所以機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)會(huì)比較大，從而使響應(yīng)速度變慢。另一方面，大扭矩永磁同步電機(jī)的應(yīng)用使得機(jī)械振動(dòng)帶來(lái)的磨損、變形、疲勞等故障大大降低，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2 大扭矩永磁同步電機(jī)在工程中的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、新型電機(jī)控制理論和稀土永磁材料的迅速發(fā)展,永磁同步電動(dòng)機(jī)得到推廣應(yīng)用。尤其是高磁能永磁材料的應(yīng)用在永磁電機(jī)的研究和應(yīng)用開(kāi)辟了一個(gè)非常廣闊的空間。目前,永磁同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用廣泛，如：風(fēng)力發(fā)電、船舶電力推進(jìn)、交通工具、家用電器、航空航天、數(shù)控機(jī)床、石油化工等行業(yè)。

（1）風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域。隨著風(fēng)力發(fā)電新技術(shù)方案的出現(xiàn)，永磁發(fā)電機(jī)逐漸在一些大型風(fēng)力發(fā)電的場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用，并將成為未來(lái)風(fēng)力發(fā)電的一種趨勢(shì)。如包頭市天隆永磁電機(jī)制造有限責(zé)任公司創(chuàng)業(yè)于1996年，當(dāng)年成功研發(fā)了中國(guó)首臺(tái)5KW直驅(qū)式稀土永磁低速發(fā)電機(jī)。已經(jīng)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的50 轉(zhuǎn)/分- 750 轉(zhuǎn)/分,功率30 瓦 ～ 300千瓦水平軸,垂直軸式,外轉(zhuǎn)子型三大系列300多種稀土永磁低速發(fā)電機(jī)。現(xiàn)已成為中小風(fēng)電行業(yè)永磁發(fā)電機(jī)品種最全、覆蓋面最廣的企業(yè)。又如2003年，日本三菱重工完全自行制造的MWT-S2000型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上采用了2MW永磁同步電機(jī)，在Okinawa電力公司開(kāi)始運(yùn)行，是當(dāng)時(shí)商業(yè)化應(yīng)用的最大永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)。可見(jiàn)，永磁發(fā)電機(jī)以其自身的優(yōu)越性正在越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，估計(jì)在未來(lái)幾年，以永磁同步電機(jī)為主體的風(fēng)力發(fā)電機(jī)將在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域被全面應(yīng)用。

（2）船舶電力推進(jìn)領(lǐng)域。船舶電力推進(jìn)是船舶依靠自身配備的發(fā)電裝置獲取電能來(lái)驅(qū)動(dòng)船舶推進(jìn)的運(yùn)動(dòng)方式。相比與傳統(tǒng)的直接由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳推進(jìn)的方法，電力推進(jìn)具有經(jīng)濟(jì)性好，噪音低、振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，可提高船舶的機(jī)動(dòng)性和操縱性。近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，船舶電力推進(jìn)領(lǐng)域出現(xiàn)了綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)，其中以永磁同步電機(jī)推進(jìn)最為突出。推進(jìn)永磁同步電動(dòng)機(jī),如緊湊的Azipod和固定螺距螺旋槳直接安裝在電機(jī)輸出軸上。使用永磁推進(jìn)系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn),其中之一是減小吊艙的形狀,以提高流體動(dòng)力的效率;也通過(guò)小吊艙的平衡設(shè)計(jì),推進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以直接用海水冷卻包圍,沒(méi)有任何其他額外的外部冷卻設(shè)備。

（3）交通工具領(lǐng)域。以大扭矩永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)正在以其高效率、高控制精度、低振動(dòng)噪聲和轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)等特點(diǎn)日益受到國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)界的青睞。2013年，南車(chē)株洲電力有限公司,經(jīng)過(guò)一個(gè)多月的嚴(yán)格的測(cè)試,和浙江重點(diǎn)大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了列入國(guó)家863項(xiàng)目的“高速鐵路重大關(guān)鍵技術(shù)及裝備研制重點(diǎn)項(xiàng)目”，具有完全獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TQ - 600型永磁同步牽引電機(jī),在國(guó)家檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)成功通過(guò)測(cè)試,具有良好的抗退磁”能力,每一個(gè)性能指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。該技術(shù)在交通工具領(lǐng)域的應(yīng)用標(biāo)志著我國(guó)高鐵已經(jīng)打破國(guó)際技術(shù)壟斷，成功跨入永磁驅(qū)動(dòng)時(shí)代。

3 大扭矩永磁同步電機(jī)的應(yīng)用前景

在當(dāng)今高速發(fā)展的信息技術(shù),各種各樣的計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、辦公自動(dòng)化設(shè)備高度發(fā)展,及其關(guān)鍵部件配套微電機(jī)的高需求,隨之對(duì)精度和性能的要求也越來(lái)越高。所以，永磁同步電機(jī)高效節(jié)能的特點(diǎn)及優(yōu)越技術(shù)性能，必將成為市場(chǎng)新貴，在未來(lái)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能領(lǐng)域應(yīng)用前景一片光明。

一方面，永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)將會(huì)朝著數(shù)字化、智能化和一體化方向發(fā)展。未來(lái)永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)中會(huì)采用數(shù)字控制芯片，并結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)控制理論和傳感技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的數(shù)字化和智能化控制，此外還可能將多臺(tái)電機(jī)進(jìn)行組合，將電機(jī)和其他機(jī)械進(jìn)行組合，將電機(jī)與控制器進(jìn)行組合，甚至將電機(jī)本體與傳感器和控制器等集成于一體，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)模塊化。另一方面，永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性與使用的柔性也將成為永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。為了獲得良好的可靠性與使用的柔性，可以讓控制系統(tǒng)采用更多的數(shù)字信號(hào)處理器、數(shù)字電路以及軟件控制與處理。總而言之，隨著新的電機(jī)品種和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，永磁同步電機(jī)的應(yīng)用前景十分樂(lè)觀。

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DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.103