永磁同步电机研究的热点及发展趋势

永磁同步电机研究的热点及发展趋势

龚小茂

西安交通大学机硕1005班 3111003040

摘要

与传统电机相比，永磁同步电机具有它突出的优势。本文对永磁同步电机的原理、结构、优缺点进行了介绍，同时分析了它的研究现状、热点和未来的发展趋势。

关键词：永磁同步电机现状热点发展趋势

Research Hotspot and Development trend of Permanent Magnet

Synchronous Motor

Gong Xiaomao

Xi’an Jiaotong University,Class 1005,3111003040

Abstract

Permanent magnet synchronous motor has its outstanding advantages in contrast to traditional motors.This paper introduces theory, structure and advantages and disadvantages

of permanent magnet synchronous motor.Then analyzes its research status,hotspot and development trend in the future.

Keywords: permanent magnet synchronous motor,status,hotspot,development trend

1.前言

由于低碳经济的要求、化石能源的紧缺，我国汽车需求量、保有量稳步增长、电动汽车技术逐渐成熟、国家政策的支持因素，未来电动汽车发展前景相

当看好[1-3]。驱动电机作为动力系统的核心部件，在很大程度上可以说驱动电机性能和控制性能的好坏决定于电动机的主要性能。而目前在用或开发的电动

车用电动机主要有直流电动机(DCM) 、感应电动机( IM) 、永磁电动机( PM) 、开关磁阻电动机( SRM)四类。下面简述一下各电机驱动系统的优缺点[4-10]：1）直流电机：20世纪90年代前开发的电动汽车通常采用的是直流电动机驱动系统，如有轨和无轨电车，点叉车等等。机械特性、调速特性均为平行直线，

启动转矩大、效率高、效率高、调速方便，动态特性好，易于控制；但是由于

采用机械换向结构，结构复杂，尤其是电刷和换向器的滑动接触容易引起机械

磨损和火花，使直流电机的故障多、可靠性低、寿命短。保养维护工作量大，

这大大降低了直流电动机的进一步使用。

2）感应电机：也称异步电机，结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简单，缺点为调速性能差、起动转矩小，过载能力和效率低，功率因素低调速性能感应电动机现在普遍采用变频驱动方式，常见的变频控制技术有三种：V/F控制、转差频率控制、矢量控制。20世纪90年代以前主要以脉冲宽度调制( PWM)方式实现V/F控制和转差频率控制，但这两种控制技术因转速控制范围小、转矩特性不理想,而对于需频繁起动、加减速的电动汽车不太适用。矢量控制技术成为主流高效的控制方式。电机的电流解耦为转矩和励磁分量进行分别控制，从理论上讲实现了线性的控制特性，能够明显改善交流电机的转矩输出特性。

3）开关磁阻电机：开关磁阻电动机驱动系统（SRD）是20世纪80年代初，随着电力电子、微电脑和控制技术的迅猛发展而发展起来的一种新型的交流无级调速驱动系统。是一种结构简单，制造工艺简单，可靠性高，起动转矩大于额定转矩的2-3倍，起动电流小（≤30%的额定电流），调速范围广（调速比大于20:1）等优点。但在振动、噪声、转矩脉动、控制方式等方面还有很多问题正在研究阶段，目前应用还受到限制。

4）永磁电机：永磁电动机驱动系统可以分为无刷直流电动机(BLDCM)系统和永磁同步电动机(PMSM)系统。

无刷直流电动机转子采用铁磁或稀土永磁材料，低惯量，高效率（转子发热量小）。没有电刷和机械换向器带来的一系列问题（机械噪声、火花、电磁干扰、寿命短）。具有动转矩大、过载能力强、体积小、效率高、控制方便等优点。但永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降或发生退磁现象，将降低永磁电动机的性能，严重时还会损坏电动机。在高性能家用电器、计算机外设、轻工机械、交通用设备和机器人驱动上都有广泛应用。

永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的磁通替代后者的励磁绕组励磁。具有无电流励磁，无电刷和滑环；损耗低，效率高；功率因素高；转子结构多样，灵活；体积小，重量轻；起动转矩大等等优点。

美国GM与Unique Mobility公司曾联合对峰值功率100 kW的异步电机和永磁同步电机驱动系统做过比较，结果参见表1[11]。

表1异步电机与永磁同步电机驱动系统比较

的高度重视，并在日本得到了普遍的应用，比如铃木every EV、日产Hyper Mini、丰田RAV4 EV、本田EV Plus等等[12-13]。也在有轨机车[14]、航空航

天[15]、电梯[16]、家用电器[17]、航海等领域应用较广。

进过上述的对比分析，永磁同步电机是一种比较理想的电动汽车驱动系统。它的研究热点、发展现状和趋势也值得关注。

同时，我国是盛产永磁材料的国家[18]，特别是稀土永磁材料铰铁硼资源

在我国非常丰富，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4倍左右，号称“稀

土王国”。对我国来说，永磁同步电动机有很好的应用前景。充分发挥我国稀

土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，对实现我国社会主义现代化具有重要的理论意义和实用价值。

2永磁同步电机结构和工作原理简介

永磁同步电机的结构如图1所示。主体是由转子和定子两部分组成。电机

的定子指的是电机在运行过程中不动部分，主要是由硅钢冲压片，三相对称地

分布在其槽中的绕组、固定铁心用的机壳以及端盖等部分组成。永磁同步电机

的定子和异步电动机的定子结构基本相同。转子主要山永磁体、导磁扼和转轴

构成。永磁体贴在导磁扼上，导磁扼为圆筒形，套在转轴上。

永磁同步电动机的转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布

可分为正弦波和梯形波两种。习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系

统称为正弦型永磁同步电动机(PMSM)调速系统，而由梯形波(方波)永磁同步电动机组成的调速系统，在原理和控制方法上与直流电动机系统类似，故称这种

系统为无刷直流电动机(BLDCM)调速系统。

永磁同步电机又可以根据永磁体在转子上的位置的不同，永磁同步电动机

主要可分为：表面式转子结构（又细分为表面凸出式转子结构和表面插入式转

子结构）和内置式（又细分为径向式、切向式和混合式）。