永磁同步馬達

永磁同步電機的運行原理與電勵磁同步電機相同，但它以永磁體提供的磁通代替後者的勵磁繞組勵磁，使電機結構更為簡單。PMSM是由永磁體勵磁產生同步旋轉磁場的同步電機，永磁體作為轉子產生旋轉磁場，三相定子繞組在旋轉磁場作用下通過電樞反應，感應三相對稱電流。此時轉子動能轉化為電能，PMSM作發電機(generator)用；此外，當定子側通入三相對稱電流，由於三相定子在空間位置上相差120，所以三相定子電流在空間中產生旋轉磁場，轉子旋轉磁場中受到電磁力作用運動，此時電能轉化為動能，PMSM作電動機(motor)用 ^[1]  。

PMSM採用永磁體勵磁，具有電勵磁電機無可比擬的優點。

（1）效率高：在轉子上嵌入永磁材料後，在正常工作時轉子與定子磁場同步運行，轉子繞組無感生電流，不存在轉子電阻和磁滯損耗，提高了電機效率。

（2）功率因數高：PMSM轉子中無感應電流勵磁，定子繞組呈現阻性負載，電機的功率因數近於1，減小了定子電流，提高了電機的效率。同時功率因數的提高，提高了電網品質因數，減小了輸變電線路的損耗，輸變電容量也可降低，節省了電網投資。

（3）起動轉矩大：在需要大起動轉矩的設備(如油田抽油電機)中，可以用較小容量的永磁電機替代較大容量的Y系列電機。如果37kW永磁同步電機代替45kW ～ 55kW的Y系列電機，較好地解決了“大馬拉小車”的現象，節省了設備投入費用，提高了系統的運行效能。

（4）力能指標好： Y系列電機在60%的負荷下工作時，效率下降15%，功率因數下降30%，力能指標下降40%；而PMSM的效率和功率因數下降甚微，當電機只有20%負荷時，其力能指標仍為滿負荷的80%以上。

（5）温升低：轉子繞組中不存在電阻損耗，定子繞組中幾乎不存在無功電流，因而電機温升低。

（6）體積小，重量輕，耗材少：同容量的永磁同步電機體積、重量、所用材料可以減小30%左右。

（7）可大氣隙化，便於構成新型磁路。

（8）電樞反應小，抗過載能力強 ^[2]  。

在開發高性能永磁同步電機過程中，存在一些問題：

（1）不可逆退磁問題。如果設計或使用不當，永磁同步電機在過高(釹鐵硼永磁)或過低(鐵氧體永磁)温度時，在衝擊電流產生的電樞反應作用下，或在劇烈的機械振動時有可能產生不可逆退磁，或叫失磁，使電機性能下降，甚至無法使用。因此，既要研究開發適用於電機制造廠使用的檢查永磁材料熱穩定性的方法和裝置，又要分析各種不同結構型式的抗去磁能力，以便設計和製造時，採用相應措施保證永磁同步電機不失磁。

（2）成本問題。鐵氧體永磁同步電機由於結構工藝簡單、質量減輕，總成本一般比電勵磁電機低，因而得到了廣泛應用。由於稀土永磁目前的價格還比較貴，稀土永磁電機的成本一般比電勵磁電機高，這需要用它的高性能和運行費用的節省來補償。在設計時既需要根據具體使用場合和要求進行性能、價格的比較後取捨，又要進行結構工藝的創新和設計優化，以降低成本。

（3）控制問題。永磁同步電機不需外界能量即可維持其磁場，但這也造成從外部調節、控制其磁場極為困難。但是隨着MOSFET、IGBT等電力電子器件和控制技術的發展，大多數永磁同步電機在應用中，可以不進行磁場控制而只進行電樞控制。設計時需把永磁材料、電力電子器件和微機控制三項新技術結合起來，使永磁同步電機在嶄新的工況下運行。此外，以永磁同步電機作為執行元件的永磁交流伺服系統，由於永磁同步電機本身是具有一定非線性、強耦合性和時變性的系統，同時其伺服對象也存在較強的不確定性和非線性，加之系統運行時易受到不同程度的干擾，因此採用先進控制策略、先進的控制系統實現方式(如基於DSP控制)，從整體上提高系統的智能化和數字化水平，這應是當前發展高性能永磁同步電機伺服系統的一個主要突破口 ^[2]  。

永磁同步電機以其效率高、比功率大、結構簡單、節能效果顯著等一系列優點在工業生產和日常生活中逐步得到廣泛應用。尤其是近年來高耐熱性、高磁性能釹鐵硼永磁體的成功開發以及電力電子元件的進一步發展和改進，稀土永磁同步電機的研究開發在國內外又進入了一個新的時期，在理論研究和應用領域都將產生質的飛躍，目前正向超高速、高轉矩、大功率、微型化、高功能化方向發展。

永磁同步電機不需要勵磁繞組，結構比較簡單，磁場部分沒有發熱源，不需要冷卻裝置，材料的矯頑力高，氣隙長度可以取較大值從而使大幅度提高轉速成為可能。目前已製成(2～ 3)× 10⁴r/min的電機，如美國通用電氣公司研製的150kW、 23 000r/min的徑向氣隙型轉子結構航空用稀土永磁發電機，外轉子型用於電動車的7.2kW、 27 000r/min的電機。

耐熱、高磁性能釹鐵硼永磁材料的開發成功將使其在大功率永磁同步電機中獲得重要應用。運輸業和工業中諸如電動汽車、混合型(內燃機與電動機並用)動力汽車、列車、電梯、機牀、機器人等，對大功率電動機的需求正在增長。船舶推動電機要求低速大轉矩。德國西門子公司於1986年研製1 095kW、230r/min的六相永磁同步電動機，用於艦船的推進，與過去使用的直流電動機相比，體積可減小60%左右，損耗可降低20%左右。另外1760kW永磁同步推進電機裝於U-212潛艇試用，其長度和有效體積與傳統的直流推進電機相比減少40%。瑞士ABB公司已經建造了超過300艘的電力推進船舶最大安裝容量達到了2× 19MW，其研製的400kW到3MW永磁同步電機用於：“Com-pactAzipod”吊艙式電力推進系統。法國熱蒙工業公司1987年研製的400kW、500r/min永磁電機樣機與直流電機相比，體積也減少了40%。 1996年， 12相、1 800kW、180r/min永磁推進電機及控制裝置已完成研製及所有的實船試驗。同年，英國展出了“海航”號輕型隱身護衞艦設計模型。該艦裝有兩台21MW永磁同步電機在巡航或隱身時直接驅動螺旋槳。

由於釹鐵硼永磁的最大磁能積很高，特別是能製成超薄型的永磁體，從而使過去難以製作的超微型和低慣量電動機得以實現。目前已開發出直徑幾毫米以下的超小型電動機用作醫療微型機器、眼球手術用機器人手臂或管道檢查用機器人等場合的驅動源。現已製成外徑0.8mm、長1.2mm的世界上最小的永磁電動機。

在高温、高真空度或空間狹小等特殊場合難以使用傳統電機，而稀土永磁電機可以耐高温(指釤鈷或高耐熱性釹鐵硼磁體)，且體積小，正好能滿足這些特殊要求。宇航設備中的機械手、原子能設備的檢查機器人和半導體制造裝置等特殊環境下工作的電動機，需要使用高温電動機和高真空電動機。已開發的有150W、 3 000r/min，工作在200℃ ～ 300℃高温和133.3× 10^{- 6}Pa真空度環境下的三相四極永磁電動機，直徑105mm、長145mm，採用高温特性好的Sm₂Co₁₇永磁體 ^[2]  。