永磁同步電機(jī)原理、特點(diǎn)、應(yīng)用詳解

電機(jī)對于工農(nóng)業(yè)來說至關(guān)重要，本文將會對電機(jī)的定義、分類、電機(jī)驅(qū)動的分類進(jìn)行簡介，并詳細(xì)介紹永磁同步電機(jī)的原理、特點(diǎn)以及應(yīng)用。

電機(jī)的定義

所謂電機(jī)，顧名思義，就是將電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的一種電力元器件。當(dāng)電能被轉(zhuǎn)換成機(jī)械能時(shí)，電機(jī)表現(xiàn)出電動機(jī)的工作特性;當(dāng)電能被轉(zhuǎn)換成機(jī)械能時(shí)，電機(jī)表現(xiàn)出發(fā)電機(jī)的工作特性。電機(jī)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(jī)的分類

按結(jié)構(gòu)和工作原理劃分：直流電動機(jī)、異步電動機(jī)、同步電動機(jī)。

按工作電源種類劃分：可分為直流電機(jī)和交流電機(jī)。

交流電機(jī)還可分：單相電機(jī)和三相電機(jī)。

直流電動機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可劃分：無刷直流電動機(jī)和有刷直流電動機(jī)。

有刷直流電動機(jī)可劃分：永磁直流電動機(jī)和電磁直流電動機(jī)。

電磁直流電動機(jī)劃分：串勵(lì)直流電動機(jī)、并勵(lì)直流電動機(jī)、他勵(lì)直流電動機(jī)和復(fù)勵(lì)直流電動機(jī)。

永磁直流電動機(jī)劃分：稀土永磁直流電動機(jī)、鐵氧體永磁直流電動機(jī)和鋁鎳鈷永磁直流電動機(jī)。

按結(jié)構(gòu)和工作原理劃分：可分為直流電動機(jī)、異步電動機(jī)、同步電動機(jī)。

同步電機(jī)可劃分：永磁同步電動機(jī)、磁阻同步電動機(jī)和磁滯同步電動機(jī)。

異步電機(jī)可劃分：感應(yīng)電動機(jī)和交流換向器電動機(jī)。

感應(yīng)電動機(jī)可劃分：三相異步電動機(jī)、單相異步電動機(jī)和罩極異步電動機(jī)等。

交流換向器電動機(jī)可劃分：單相串勵(lì)電動機(jī)、交直流兩用電動機(jī)和推斥電動機(jī)。

按起動與運(yùn)行方式劃分：電容起動式單相異步電動機(jī)、電容運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電動機(jī)、電容起動運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電動機(jī)和分相式單相異步電動機(jī)。

按用途劃分：驅(qū)動用電動機(jī)和控制用電動機(jī)。

永磁同步電機(jī)

所謂永磁，指的是在制造電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)加入永磁體，使電機(jī)的性能得到進(jìn)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(jī)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(jī)的特點(diǎn)

永磁電動機(jī)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(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩更大，電動機(jī)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(jī)已成為現(xiàn)今電動汽車應(yīng)用最多的電動機(jī)。但永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時(shí)，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(jī)的性能。另外，稀土式永磁同步電動機(jī)要用到稀土材料，制造成本不太穩(wěn)定

永磁同步電機(jī)與異步電機(jī)

除了永磁同步電機(jī)，異步電機(jī)也因特斯拉的使用而被廣泛關(guān)注。與同步電機(jī)相比起來，電機(jī)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(jī)的原因。

相比于永磁同步電機(jī)，異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是成本低，工藝簡單;當(dāng)然其缺點(diǎn)就是其功率密度與轉(zhuǎn)矩密度要低于永磁同步電機(jī)。而特斯拉ModelS為何選用異步電機(jī)而不是永磁同步電機(jī)，除了控制成本這個(gè)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(diǎn)的異步電機(jī)，也是一個(gè)很重要的因素。

永磁同步電動機(jī)怎樣產(chǎn)生動力?

在交流異步電動機(jī)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(yuǎn)追不上”，因此才稱其為異步電動機(jī)。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(jī)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(jī)分為兩種：

一是將轉(zhuǎn)子繞組通上外接直流電(勵(lì)磁電流)，然后由勵(lì)磁電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場，進(jìn)而使轉(zhuǎn)子與定子磁場同步旋轉(zhuǎn)。這種由勵(lì)磁電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場的同步電動機(jī)稱為勵(lì)磁同步電動機(jī)。

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(lì)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(jī)，就稱為永磁同步電動機(jī)。

永磁同步電機(jī)的應(yīng)用

永磁同步電機(jī)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(jī)的勵(lì)磁方式得到了不斷的發(fā)展和完善。在自動調(diào)節(jié)勵(lì)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(yàn)用微型機(jī)計(jì)算機(jī)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(lì)磁裝置，這種調(diào)節(jié)裝置將能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)最佳調(diào)節(jié)。

永磁同步電機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量的生產(chǎn)機(jī)械要求連續(xù)地以大致不變的速度單方向運(yùn)行，例如風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)、普通機(jī)床等。永磁同步電機(jī)成本較低，結(jié)構(gòu)簡單牢靠，維修方便，很適合該類機(jī)械的驅(qū)動。

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

電機(jī)驅(qū)動的分類

按照不同的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的要求，電機(jī)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(jī)械要求連續(xù)地以大致不變的速度單方向運(yùn)行，例如風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)、普通機(jī)床等。對這類機(jī)械以往大多采用三相或單相異步電動機(jī)來驅(qū)動。異步電動機(jī)成本較低，結(jié)構(gòu)簡單牢靠，維修方便，很適合該類機(jī)械的驅(qū)動。但是，異步電動機(jī)效率、功率因數(shù)低、損耗大，而該類電機(jī)使用面廣量大，故有大量的電能在使用中被浪費(fèi)了。其次，工農(nóng)業(yè)中大量使用的風(fēng)機(jī)、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(fèi)了大量的電能。70年代起，人們用變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)、水泵中異步電動機(jī)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(jī)本身的低效率依然存在。

2、  調(diào)速驅(qū)動有相當(dāng)多的工作機(jī)械，其運(yùn)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(jī)械、食品機(jī)械、印刷機(jī)械、物料輸送機(jī)械、紡織機(jī)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(jī)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(jī)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?yàn)橐环矫娈惒诫妱訖C(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能價(jià)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(jī)與直流電動機(jī)相比有著制造工藝簡單、效率高、同功率電機(jī)用銅量少、維護(hù)保養(yǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)。故異步電動機(jī)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(jī)在工業(yè)自動化領(lǐng)域的運(yùn)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(jī)的控制性能要求也不盡相同。實(shí)際應(yīng)用中，伺服電動機(jī)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(jī)系統(tǒng)也經(jīng)歷了直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，直至近年來最為引人注目的永磁電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)。最近幾年進(jìn)口的各類自動化設(shè)備、自動加工裝置和機(jī)器人等絕大多數(shù)都采用永磁同步電動機(jī)的交流伺服系統(tǒng)。

②  信息技術(shù)中的永磁同步電動機(jī)當(dāng)今信息技術(shù)高度發(fā)展，各種計(jì)算機(jī)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(jī)需求量大，精度和性能要求也越來越高。對這類微電機(jī)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(jī)是永磁無刷直流電動機(jī)，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(yùn)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(jī)、軟硬盤驅(qū)動器、光盤驅(qū)動、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)等中所使用的驅(qū)動電機(jī)絕大多數(shù)是永磁無刷直流電動機(jī)。受技術(shù)水平限制，這類微電機(jī)目前國內(nèi)還不能自己制造，有部分產(chǎn)品在國內(nèi)組裝。