对永磁同步电动机的几点思考

对永磁同步电动机的几点思考
作者：杜强
来源：《商品与质量·学术观察》2013年第01期
摘要：永磁同步电机的工作原理与同步电机的工作原理相同，是一种常用的交流电动机。

本文从永磁同步电动机的工作原理出发，了解它的优势和在应用中的发展趋势，通过它目前存在的一些问题，提出日常使用中的相关注意事项，并积极探寻技术上的创新，提高它的使用性能。

关键词：永磁同步电动机稀土材料缺陷分析注意事项
一、永磁同步电动机的工作原理及优点
我们通常所说的永磁同步电动机是正弦波永磁同步电动机，同一般的同步电动机一样，正弦波PMSM的定子绕组通常采用三相对称的正弦分布绕组，或者转子采用特殊形状的永磁体以确保气隙磁密沿空间呈正弦分布。

这样，当电动机恒速运行时，定子三相绕组所感应的电势则为正弦波，正弦波永磁同步电动机由此而得名。

作为一种典型的机电一体化电机，在结构上不仅包括电动机本身，还包括位置传感器、电力电子变流器以及驱动电路等。

同普通的交流变频电机相比，它的转速恒定，同时又能补偿功率因数。

而且，它的耗能小，效率高。

永磁同步电动机的矢量控制系统能够进行高精度和大范围的定位控制，还是一个环保低碳的高端产品，因而引起国内外的高度重视。

近几年来，随着永磁材料的不断发展和完善，用以制作永磁材料的钕铁硼等稀土所制作的材料在性能上有所改善，价格上也逐步降低，我国的电子器械也在这一时期得到进一步发展，永磁同步电动机的研发条件逐渐成熟。

经过几年来在国防、工农生产和日常生活中的广泛推广运用，已经取得了一定的研究成果，接下来就要向更高功能和更大的效率上进行技术转化。

世界能源危机已经成为制约经济大力发展的瓶颈，节能成为现在机器制造和能源节约的重要课题。

恰好，在永磁材料所需的稀土资源上，我国的储存量特别丰富，利用这一方面的优势，我国在稀土永磁材料以及永磁电动机的研发上都处于世界领先水平，因而永磁同步电动机在我国拥有广阔的市场发展前景。

这也使得我国稀土资源的开发和使用拥有广阔的应用前景，提高了资源的利用率。

传统的蜗轮蜗杆减速机同永磁同步电机相比，拥有很多难以弥补的缺点。

例如，工作效率低，只能达到60%——70%；而且涡轮杆通常都是以轴输出，控制空回会很困难，尤其是在蜗轮与蜗杆磨合使用时间长了以后，空回会更大更难控制。

二、永磁同步电机目前存在的缺陷
工业化生产投入不断加大，对电动机在投入使用过程中的要求越来越高，从前能够适应生产力发展要求的产品又受到了新的挑战。

由于国内外在永磁同步电动机研究中投入的力度和认识能力不同，因此，国内外的产品在很多方面都存在着很大的差异。

1、国内外对永磁同步电动机研究的起步时间不同
国际上在上个世纪70年代就已经研制出了高效率的电动机，90年代又在原有基础上研制出更高效率的电动机。

而我国则是从90年代开始起步，在这一方面主要借鉴的是国外的经验，起步晚，没有形成自己的技术基础和理论基础。

2、执行的技术标准不同
我国是在2006通过修订的电动机能效等级之后，才要求在国内推行这一欧盟电机能效标准的，而欧洲国家在1999年就已经达到了该标准。

简而言之，我国的电机能效标准远远低于欧洲发达国家所制定的水平。

由于国内缺乏相关政策法规的强力支持，因此执行执法力度相当薄弱，标准实施存在很大困难，高效率的电动机在推广运用上就更显得困难重重。

要想弥补存在的这些缺陷，针对以上问题，可以从两个方面入手：
首先，在积累原有经验的基础上进行实时更新，不要固步自封，多与国外进行技术交流，派遣相关技术人员出国进修学习，根据一定的技术知识生成一定的理论基础，为后学者提供借鉴信息。

其次，国家在能源的执行标准上，一定要加大执法监督力度，为政府决策提供坚实的法律依据。

对于高效率电机的推广运用，要加大宣传力度和普及力度，明确它的主要作用和节能减排、节约能源的重要意义。

三、影响使用寿命的因素
1、人为因素
操作人员存在技术性的差异，那么在电动机的操作使用中，就会出现自身不易觉察的失误或者违规操作行为，电机要么出现负载启动，要么出现故障启动的状况，这就直接影响了电动机的使用寿命。

2、工作环境因素
因为电动机使用的范围广泛，机车、采矿、化学化工等方面都有涉猎，因此不同行业的工作环境也不尽相同，电动机容易受到环境的影响而降低使用寿命。

例如油田使用的电动机，白昼温差对其影响很大，白天工作负荷量也比较大，对电动机的性能都有隐患和损害。

还有出现工作环境恶劣所造成的内部零件生锈卡死，轴承损坏。

3、电动机自身因素的影响
电压的质量和负载率影响电动机的工作效率，如果频繁转换电动机的电路，那么它在工作中负荷的电流就会受到影响，频繁波动，电流在一定时间内急剧变化，给电动机的输电线路和绕组带来一定的附加力。

电流的平方与这些力是有关的，它会通过输电线路外部的绝缘体对外部固定件产生作用力，槽楔、支承部件等固定件经过长时间的影响，外部的绝缘物质就会遭到破坏造成短路或者断路，影响电动机使用。

另外，转速的变化过程也会在线组内产生作用力，在运动部件上增加负荷，从而造成部件老化失去工作能力。

使用过程中的热负荷会破坏电动机内线组的绝缘层，绝缘材料受到高温影响表面膨胀变形，说明电动机的工作强度和工作环境出现严重问题，那么使用寿命肯定会受到极大地影响。

所以，在永磁同步电动机使用过程中，应该遵循必要的保护措施。

虽然，同其他电动机相比它拥有很多优势，但也应该看到它自身存在的一些不足。

例如，最大转矩受永磁体的去磁约束，抗震能力比较差，高转速也容易受限制，功率小，成本高，启动困难等。

在这种前提下，生产活动就需要考虑这些制约因素，做好必要的维护工作，规范操作，避免机器故障给工作带来的人身安全和财产安全方面的隐患。

四、永磁同步电动机内部零件对其性能的影响
在零部件加工制造的过程中，制造工艺和材料的性能的波动，对电动机的性能影响很大。

当转子铁心外径尺寸偏小或者定子铁心内径尺寸偏大，都会使气隙增大；当转子和定子的轴向发生偏移后，就会引起铁心的有效长度减小，在这两种情况下，都会造成电动机空载电流增大，那么它的功率因数就会因此降低。

对转子铁心的槽部和导条间的电阻要进行检测，看看电阻值是否正常，当两者之间的电阻过小时，横向电流就会增大，在电磁上的杂散损耗增加，电动机的温度升高，效率降低。

机器在使用过程中，经过长时间的磨合会出现一定的磨损现象，零部件的结合就没有之前的稳定，转动不灵活或者有空隙，都是会影响电动机的工作，给电动机带来破坏性因素。

例如，当绕组上的绝缘装置出现质量问题，或者使用中承受的压力过大，发生破裂，都会使得涡流损耗加大，使电动机的老化加快。

因此，永磁同步电动机在使用过程中，要为其提供一个相对比较稳定的环境，避免使用时外部环境对机器零部件的损害。

施工中也应尽量保证电压的质量，因为影响永磁同步电动机功率因数的是电压和负载率。

当电网电压高于电动机的反电势点时，永磁电机呈感性负载运行；反之，电动机则呈容性负载运行。

所以，电网中的电压波动会带来电动机的功率因数波动，补偿困难。

五、永磁同步电动机的磁力检测与保护
永磁同步电动机中的磁轴是它的一个重要组成部分，防止磁轴失磁是使用过程中一项必不可少的工作。

一般，基本的部件，如电容器、感应线圈等经过周密的检查没有发现故障时，磁电机的火花仍然很微弱，就可以判定是磁轴失磁造成的。

可将磁轴拆卸下来，将一枚大头针放在磁轴下面3——4cm处，看看能不能将其吸起，如果不能，就是磁轴失去了磁性，要进行充磁处理。

针对电动机的磁通量检测，市场上出现了很多的专业测试仪器，在测试过程中，只需要配备一台测试仪、探针、一个电源变压器、一个防护工具箱就可以了。

测试时，将测试仪连接到电源变压器上，保证输入电压达到220V，根据磁间隙大小挑选合适的探针并接好就可以了。

如果测试过程中，磁间隙中有磁液或者磁屑，应先擦干净再进行测试。

测试磁回路磁通密度时，不要将磁回路放置于金属工作台上，否则会使测试结果偏小出现误差，影响测试结果。

永磁同步电动机运行中的转速升高，电动机的电压会逐步达到极限，要想继续提高转速，就要从定子电流和去磁电流的调节来提高转速。

目前，国内外提出了很多弱磁的设计方案，如采用定子深槽结构、复合转子结构和双套定子绕组这几种新方法和新思
路，最后一个方法通过实验，已证实确实可以提高电动机的最高转速。

而且，新的研究还为永磁同步电动机的弱磁控制由电流控制转向电压控制提供了可能和发展方向。

根据这种发展情况来看，实现磁量的监控与保护，减少失磁现象的产生也是指日可待的。

无论从哪一方面来讲，国内外在永磁同步电动机上所关心还是它的效率问题。

国外通过增加常见的有效材料，最大限度减少铁耗和绕组的损耗；改进产品的设计工艺减少杂耗；在产品的通风散热和轴承上下手，减少机器零件的损耗，延长使用寿命。

我国则是利用国内丰富的稀土资源对产品进行改良，并取得比国外技术更好地成效。

六、小结：
从市场使用情况来看，目前很多高端高性能的机械产品都在使用永磁同步电动机进行驱动，德国的电器和日本的汽车公司都是利用它的优势增加产品的机动性能。

由此看来，永磁同步电动机将拥有无限广阔的发展空间，它同时还促进电子器械向更高性能的智能化方向发展。

当然，这条路上还有许多准备工作要做，需要在不断地探索中寻找新的出路，以期达到符合社会生产生活需求的新要求，不断创新。

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