淺談大扭矩永磁同步電機在工程中的應用

劉全新,劉加嶺,杜傳明,阮文陽（山東科技大學,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用

劉全新,劉加嶺,杜傳明,阮文陽
（山東科技大學,山東 青島 266590）

摘 要：隨著國家工業化的發展，大扭矩永磁同步電機高效節能的特點已經成為市場新貴。本文基于大扭矩永磁同步電機的特點和優勢，分析了永磁同步電機在風力發電領域、船舶電力推進領域以及交通工具領域中的應用，最后總結了永磁同步電機未來的發展趨勢前景，希望對未來永磁同步電機的新應用有所助益。

關鍵詞：永磁同步電機；風力發電；船舶電力推進；交通工具

1 永磁同步電機的特點和優勢

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

（1）大扭矩永磁同步電機勵磁繞組被永磁體取代，沒有轉子上的銅耗，是一種高效、節能的產品,平均節電率高達10%以上,特別是稀土永磁電機節電率可高達15%至20%。水泵,風機,壓縮機需要無級變頻調速,異步變頻節電25%左右,永磁變頻節電率高達30%以上。

（2）采用大扭矩永磁同步電機直接驅動來代替傳統的“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，機構簡單，減少了故障率，且避免了減速機構帶來的傳動間隙、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響應速度快、可靠性高。一方面，由于傳統驅動一般都存在機械傳動部件，所以機械傳動系統的機電時間常數會比較大，從而使響應速度變慢。另一方面，大扭矩永磁同步電機的應用使得機械振動帶來的磨損、變形、疲勞等故障大大降低，提高了系統的可靠性。

2 大扭矩永磁同步電機在工程中的應用

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

（1）風力發電領域。隨著風力發電新技術方案的出現，永磁發電機逐漸在一些大型風力發電的場合得到了廣泛的應用，并將成為未來風力發電的一種趨勢。如包頭市天隆永磁電機制造有限責任公司創業于1996年，當年成功研發了中國首臺5KW直驅式稀土永磁低速發電機。已經開發和生產的50 轉/分- 750 轉/分,功率30 瓦 ～ 300千瓦水平軸,垂直軸式,外轉子型三大系列300多種稀土永磁低速發電機。現已成為中小風電行業永磁發電機品種最全、覆蓋面最廣的企業。又如2003年，日本三菱重工完全自行制造的MWT-S2000型風力發電機組上采用了2MW永磁同步電機，在Okinawa電力公司開始運行，是當時商業化應用的最大永磁風力發電機。可見，永磁發電機以其自身的優越性正在越來越廣泛的應用于風力發電機組中，估計在未來幾年，以永磁同步電機為主體的風力發電機將在風力發電領域被全面應用。

（2）船舶電力推進領域。船舶電力推進是船舶依靠自身配備的發電裝置獲取電能來驅動船舶推進的運動方式。相比與傳統的直接由柴油機驅動螺旋槳推進的方法，電力推進具有經濟性好，噪音低、振動小等優點，可提高船舶的機動性和操縱性。近年來，隨著電力電子技術的發展，船舶電力推進領域出現了綜合電力推進系統，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。使用永磁推進系統有許多優點,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備。

（3）交通工具領域。以大扭矩永磁同步電機直接驅動的電動汽車正在以其高效率、高控制精度、低振動噪聲和轉矩平穩等特點日益受到國內外電動汽車界的青睞。2013年，南車株洲電力有限公司,經過一個多月的嚴格的測試,和浙江重點大學聯合開發了列入國家863項目的“高速鐵路重大關鍵技術及裝備研制重點項目”，具有完全獨立知識產權的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計要求。該技術在交通工具領域的應用標志著我國高鐵已經打破國際技術壟斷，成功跨入永磁驅動時代。

3 大扭矩永磁同步電機的應用前景

在當今高速發展的信息技術,各種各樣的計算機外圍設備、辦公自動化設備高度發展,及其關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能的特點及優越技術性能，必將成為市場新貴，在未來電機系統節能領域應用前景一片光明。

一方面，永磁同步電機直接驅動將會朝著數字化、智能化和一體化方向發展。未來永磁同步電機的控制系統中會采用數字控制芯片，并結合現代先進控制理論和傳感技術等實現對電機的數字化和智能化控制，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，實現永磁同步電機直接驅動模塊化。另一方面，永磁同步電機控制系統的可靠性與使用的柔性也將成為永磁同步電機控制系統發展的必然趨勢。為了獲得良好的可靠性與使用的柔性，可以讓控制系統采用更多的數字信號處理器、數字電路以及軟件控制與處理。總而言之，隨著新的電機品種和應用領域的不斷擴展，永磁同步電機的應用前景十分樂觀。

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