淺談大扭矩永磁同步電機在工程中的應(yīng)用

劉全新,劉加嶺,杜傳明,阮文陽（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在工程中的應(yīng)用

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

摘 要：隨著國家工業(yè)化的發(fā)展，大扭矩永磁同步電機高效節(jié)能的特點已經(jīng)成為市場新貴。本文基于大扭矩永磁同步電機的特點和優(yōu)勢，分析了永磁同步電機在風力發(fā)電領(lǐng)域、船舶電力推進領(lǐng)域以及交通工具領(lǐng)域中的應(yīng)用，最后總結(jié)了永磁同步電機未來的發(fā)展趨勢前景，希望對未來永磁同步電機的新應(yīng)用有所助益。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機；風力發(fā)電；船舶電力推進；交通工具

1 永磁同步電機的特點和優(yōu)勢

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

（1）大扭矩永磁同步電機勵磁繞組被永磁體取代，沒有轉(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10%以上,特別是稀土永磁電機節(jié)電率可高達15%至20%。水泵,風機,壓縮機需要無級變頻調(diào)速,異步變頻節(jié)電25%左右,永磁變頻節(jié)電率高達30%以上。

（2）采用大扭矩永磁同步電機直接驅(qū)動來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“電機+減速器”的傳動模式，無機械換向器和電刷，去掉了笨重的減速機構(gòu)，機構(gòu)簡單，減少了故障率，且避免了減速機構(gòu)帶來的傳動間隙、機械磨損、維護繁瑣等各種不利影響。

（3）大扭矩永磁同步電機動態(tài)響應(yīng)速度快、可靠性高。一方面，由于傳統(tǒng)驅(qū)動一般都存在機械傳動部件，所以機械傳動系統(tǒng)的機電時間常數(shù)會比較大，從而使響應(yīng)速度變慢。另一方面，大扭矩永磁同步電機的應(yīng)用使得機械振動帶來的磨損、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在工程中的應(yīng)用

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

（1）風力發(fā)電領(lǐng)域。隨著風力發(fā)電新技術(shù)方案的出現(xiàn)，永磁發(fā)電機逐漸在一些大型風力發(fā)電的場合得到了廣泛的應(yīng)用，并將成為未來風力發(fā)電的一種趨勢。如包頭市天隆永磁電機制造有限責任公司創(chuàng)業(yè)于1996年，當年成功研發(fā)了中國首臺5KW直驅(qū)式稀土永磁低速發(fā)電機。已經(jīng)開發(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?，F(xiàn)已成為中小風電行業(yè)永磁發(fā)電機品種最全、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型風力發(fā)電機組上采用了2MW永磁同步電機，在Okinawa電力公司開始運行，是當時商業(yè)化應(yīng)用的最大永磁風力發(fā)電機?？梢?，永磁發(fā)電機以其自身的優(yōu)越性正在越來越廣泛的應(yīng)用于風力發(fā)電機組中，估計在未來幾年，以永磁同步電機為主體的風力發(fā)電機將在風力發(fā)電領(lǐng)域被全面應(yīng)用。

（2）船舶電力推進領(lǐng)域。船舶電力推進是船舶依靠自身配備的發(fā)電裝置獲取電能來驅(qū)動船舶推進的運動方式。相比與傳統(tǒng)的直接由柴油機驅(qū)動螺旋槳推進的方法，電力推進具有經(jīng)濟性好，噪音低、振動小等優(yōu)點，可提高船舶的機動性和操縱性。近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，船舶電力推進領(lǐng)域出現(xiàn)了綜合電力推進系統(tǒng)，其中以永磁同步電機推進最為突出。推進永磁同步電動機,如緊湊的Azipod和固定螺距螺旋槳直接安裝在電機輸出軸上。使用永磁推進系統(tǒng)有許多優(yōu)點,其中之一是減小吊艙的形狀,以提高流體動力的效率;也通過小吊艙的平衡設(shè)計,推進電動機可以直接用海水冷卻包圍,沒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直接驅(qū)動的電動汽車正在以其高效率、高控制精度、低振動噪聲和轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)等特點日益受到國內(nèi)外電動汽車界的青睞。2013年，南車株洲電力有限公司,經(jīng)過一個多月的嚴格的測試,和浙江重點大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了列入國家863項目的“高速鐵路重大關(guān)鍵技術(shù)及裝備研制重點項目”，具有完全獨立知識產(chǎn)權(quán)的TQ - 600型永磁同步牽引電機,在國家檢測試驗臺成功通過測試,具有良好的抗退磁”能力,每一個性能指標都達到了設(shè)計要求。該技術(shù)在交通工具領(lǐng)域的應(yīng)用標志著我國高鐵已經(jīng)打破國際技術(shù)壟斷，成功跨入永磁驅(qū)動時代。

3 大扭矩永磁同步電機的應(yīng)用前景

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

一方面，永磁同步電機直接驅(qū)動將會朝著數(shù)字化、智能化和一體化方向發(fā)展。未來永磁同步電機的控制系統(tǒng)中會采用數(shù)字控制芯片，并結(jié)合現(xiàn)代先進控制理論和傳感技術(shù)等實現(xiàn)對電機的數(shù)字化和智能化控制，此外還可能將多臺電機進行組合，將電機和其他機械進行組合，將電機與控制器進行組合，甚至將電機本體與傳感器和控制器等集成于一體，實現(xiàn)永磁同步電機直接驅(qū)動模塊化。另一方面，永磁同步電機控制系統(tǒng)的可靠性與使用的柔性也將成為永磁同步電機控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。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)字信號處理器、數(shù)字電路以及軟件控制與處理?？偠灾?，隨著新的電機品種和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，永磁同步電機的應(yīng)用前景十分樂觀。

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