永磁同步电机研究的热点及发展趋势详述

尝小茂

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，同时分析了它的硏究现状、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 Univcrsity^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 statusjiotspot and development trend in the future・

Keywords: permanent magnet synchronous motor5status,hotspot.dcvelopnient 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。机械持性、调速持性均为平行直线, 启动转矩大、效率高、效率高、调速方便，动态持性好，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,功率因素彳氐调 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、转矩持性不理想,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z从理论上讲实现了线性的控制持性z能够明显改善交流电机的转矩输出

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, 随看电力电子、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。

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^氐永磁电动机的性能，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 永磁同步电机駆动系统做过鼎交，结果参见表l[ll]o

表]异步电机与永磁同步电机^动系统比较

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狡铁硼资源 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）。

图i永磁同步电机结构

工作原理是：当定子绕组中通入由三相逆变器经脉冲调制的共相交流电源 后，绕组内产生个旋转磁场,旋转磁场与永磁体间发生相互作用,使转子（电 机轴旋转）。其电机转速为n=60f/p , f为电流频率,P为极对数。

3发展和研究现状

3.1发展现状

新型永磁材料的出现大大促进了永磁同步电机的发展,同时也解决了制约 稀土永磁电机发展的项共性关键技术，其中之一就是改进永磁体加工工艺、提 高材料利用率、降低成本，使用率提高20% ,加工费降低50%［19］。

日本1965年就开始研制电动车，于1967年成立了日本电动车协会［20］。从 1996年，丰田汽车公司的电动车RAV4就采用了东京电机公司的插入式永磁同步 电机作为驱动电机,最大功率50kW,最高转速1300r/min］到本田公2001年推 出的燃料电池试验车FCX-V4的驱动电机最高功率为60kW,最大转矩为272Nm 欧洲许多发达国家很早就开始了对电动车的研究。在电动车驱动电机的选择上， 不同国家各有侧重:英国、法国偏重于永磁无刷直流电机,德国偏重于开关磁阻 电机。德国第三代奥迪混合电动车驱动电机采用了永磁同步电机。其最高转速 为12,500r/min,最大输出功率32kW。美国的电动车开发比日本晩。在美国，感 应电机的设计及其控制策略的发展较为成熟，所以电动车驱动电机还主要以感应 电机为主。美国两个最高车速分别为72km/h和56km/h的短程混合电动公交 车上也采用了永磁同步电机作为驱动电机［21］。我国1996年之前由郑州华联电 动车辆硏究所已研制成功的四人座电动轿车采用了额定功率为10kW的永磁同 步电机，2002年，哈尔滨工业大学硏制了额定功率20kW的混合电动车驱动用 永磁同步电机［20］,西安交通大学曹秉刚团队研制的速达牌纯电动汽车在三门 峡试制成功，20辆速达牌纯电动汽车2010年8月31日下线并正式挂牌运行。 锂电池纯电动汽车续驶里程达到260km , 0-100km/h的加速时间仅为9秒左右, 最高时速为150km/h ,而使用的电机为永磁同步电机仅有15kW ,使用的电池 仅有252kg。如处于国外领先水平的日产凌风（LEAF ）续驶里程为160km ,最 高时速为140km/h ,所使用的电机为80kW［22］,可见曹秉刚团队硏制的速达 牌纯电动汽车技术处于国际领先地位，有望走出中国，走向世界。

3.2研究现状

研究现状主要在于设计（结构设计、驱动器设计、控制器或控制系统设计 等）,优化,控制,诊断等等方面。

设计方面如范坚坚等［23］以降低加工难度与优化气隙磁通密度为目标，设 计了表贴式极间隔断Halbach型磁钢的永磁同步电机的多目标设计方法；皮秀 ［24］等与以往针对给定的永磁同步电动机分析其弱磁性能不同,讨论了满足特 定的弱磁性能要求的电机参数的设计；张程［25］计了一种采用永磁同步电机驱 动、STM32处理器、空间磁场定向控制技术（FOC）和空间电压矢量脉宽调制技 术等开发的专用驱动器,实现永磁同步电机的数字化变频调速，大大降低了驱 动器成本；刘治钢等［26］设计了神经网络自适应滑模控制器。用RBF神经网络 自动调整滑模控制器的切换项增益，无需建立包含参数摄动和干扰在内的整个系 统的精确数学模型，有效提高了系统的稳定性和鲁棒性;Shi・Uk Chung等［27］— 种绕组和转子新的安排设计方式减少了双凸极永磁直线同步电机的力矩波动和 减^ 了磁场不平衡等等。

优化方面如G・H. Lee等［28］通过分析扭矩波动的缘由，通过电流补偿使力 矩波动最小的优化控制;WU Zhihong等［29］通过使用神经网络以速度和力矩作 为输入,正交轴电流作为输出达到最优效率的永磁同步电机控制；赵朝会等［30］ 针对切向结构永磁同步电机漏磁大、结构复杂的缺陷，利用有限元分析方法探讨 了引入辅助磁极后非导磁衬套等后的结构优化等等。

控制方面国内外展开了大量的研究,主要集中在矢量控制、直接转矩控制、 无传感器控制、弱磁控制和解耦控制等方面。张绍等［31］采用双空间矢量调制 的矩阵变换器•永磁同步电机系统取得了良好的控制效果与较好的网侧性能,加 入的电流补偿环节效果明显；Yongchang Zhang等［32］通过采用改进的直接转 矩控制降低了转矩和磁通波动,同时获得了简化和较强的鲁棒性；谷善茂等［33］ 对近年提出的多种估算永磁同步电动机转子位置、速度的方法进行了综述,比 较了各种无传感器方法的优缺点；朱磊等［34］介绍了弱磁控制理论建立和发展 的历程，对比列举了当前多种以双电流环PI调节为基础的弱磁控制策略,分析 了创门在高倍转速弱磁应用中遇到的瓶颈和原因；等［35］为了解决电机参 数变化和负载扰动的不确定性、影响基于非线性解耦控制的永磁同步电机调速 系统性能的问题,提出了一种带干扰抑制的永磁同步电机调速系统非线性解耦控 制方法等等。

诊断方面硏究的不多，关键是目前的诊断技术还有待发展［36］。田静等［37］ 建立了有效的故障诊断模型；Byoung-Gun Park等［38］使用了递推最小二乘算 法去评估永磁同步电机中的每相绕组中的电阻进行故障诊断；Jawad Ahmed Farooq等［39］建立了永磁同步电机模型去诊断绕组匝见短路故障,—系列的仿 真证明了它的有效性等等。

4研究热点

永磁同步电机虽有永磁式同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、 效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电 动机相比,它由于不需要无功励磁电流，因而效率高、功率因数高、力矩惯量 比大、定子电流和定子电阻损耗减小,且转子参数可测、控制性能好。但存在 最大转矩受永磁体去磁约束,抗黑能力差，高转速受,功率较小，成本高 和启动困难等缺点［40］。正因为有缺点的存在和未来发展的需要以及市场的竞 争，带来了永磁同步电机的研究热点问题。

4.1无传感器控制技术及各种先逬、智能控制

由于永磁同步电机闭环控制当中需要电机转子位置，因此需要在电机轴上 安装机械位置传感器。由于机械传感器的存在,增加了系统复杂程度和成本, 降低了系统鲁棒性。永磁同步电机的无速度传感器控制成为现今研究的一个热 点问题［41］。

谷善茂等［32］就对永磁同步电机无传感器控制技术现状与发展做了一个很 好的综述。目前适用于中、高速运行的无传感器控制技术主要有以下几类：磁 链估计法、模型参考自适应(Model Referencing Adaptive System , MRAS)法、 状态观测器法、滑模变结构法、检测电机相电感变化的位置估计法、卡尔曼滤 波法等；适合于零速和低速方法有：基于测试矢量励磁及电流幅值测量的初始 位置估计技术、基于测试脉冲励磁和电流幅值测量的内插式PMSM (IPMSM)初 始位置估计、基于脉动矢量励磁和相位检测的IPMSM初始位置估计方法、基于 脉动矢量励磁和高频阻杭测量的IPMSM低速和零速转子位置估计和基于旋转矢 量励磁和电流解调技术的低速和零速无传感器控制方法。分析了这些方法的原 理、优点和局限性，并指出了复合控制方法是未来发展的趋势。

模糊控制、分数阶微积分控制、神经网络、变结构控制、预测控制、最优 控制慢慢应用于永磁同步电机的控制［42・45］。

4.2良好的起动性能

永磁同步电机起动转矩小、起动速度慢,这导致起动困难。同步电机的起 动方法主要有异步起动法和变频起动法［46］。异步起动使永磁同步电机加工工 艺更为复杂，机械强度更差，而变频起动对变频器的性能和质量有较高的要求。 所以对于异步起动，如何去优化结构，降彳氐异步起动永磁同步电机的工艺复杂 性,增强机械强度和可靠性可以说也是一个研究方向，对于变频起动,随看变 频器应用得越来越广泛以及现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展,变频 器的研究发展趋势也可以说是永磁同步电机发展趋势之一。而变频器未来发展 方向主要是高压大功率和低压小功率、小型化、轻型化的方向发展，全面实现 数字化和自动化等等方向［47］。

同时也有待开发一些新的良好的快速、大转矩的起动方法。岳明［48］提出 了对电机定子特定位置加电压，并保持加电位置与转子相对位置不变的加速启动 方法并通过相关实验，证明了该方法可以满足永磁同步电机的快速可靠启动； 沈建新等［49］发明了起动永磁同步电机V型槽转子,与目前国内外使用的V型 槽转子相比,避免了起动过程中永磁体局部退磁的现象，同时也减小了稳态运行过 程中转子内部的涡流损耗，对提高自起动永磁同步机的可靠性和稳态性能均有一 定的效果等等。

4.3弱磁扩速与弱磁控制

永磁同步电机由于转子是永磁体励磁，随看转速的升高，电动机电压会逐浙 达到逆变器所能输出的电压极限，这时要想继续升高转速只有靠调节定子电流的 大小和相位增加直轴去磁电流来等效弱磁提高转速。电机的弱磁能力大小主要 与直轴电抗和反电势大小有关，但永磁体串联在直轴磁路中,所以直轴磁路一般磁 阻较大，弱磁能力较小;电机反电势较大时,也会降低电机的最高转速。国内外提 出了许多弱磁设计方案。文献［50］总结出具有代表性的提高效率、扩大弱磁能 力的方法,有定子采用深槽结构、复合转子结构和双套定子绕组。港大学通过 实验证明采用双套绕组后永磁同步电机的最高转速可由2 000 r/m in扩大到4 500 r/m in以上。有待新的弱磁扩速技术产生。

文献［34］介绍了弱磁控制理论建立和发展历程，对比列举了当前多种以双 电流环PI调节为基础的弱磁控制策略,分析了它们在高倍转速弱磁应用中遇到 的瓶颈和原因。最近的单电流调节器,将有可能引导永磁同步电机弱磁控制由 电流环控制向电压控制发展。将来弱磁控制可能在单电流控制器的基础上,进 —步向无电流控制器发展，完全使用电压指令控制取代电流环控制。

4.4性能改善

国内外好多学者在性能改善方面提出了很多想法，比如在电机结构上，开 发出新机构电机、力矩补偿减少力矩波动、改善永磁体的抗消磁,增大磁滞性 能等方面对电机性能进行^#［28-30,51-53］.

5发展趋势

5.1大功率、高转速、高力矩、高效率同时质轻

如前言所示，目前永磁同步电机广泛应用于电动汽车、有轨无轨机车、航 空航天、电梯、家用电器、航海等领域，开发出高功率、高转速、高力矩、高 效率、质轻的永磁同步电机可见对节能环保、高效高质量服务等方面具有很大 的推动作用，这也是永磁同步电机的发展趋势。

高功率：德国西门子公司于1986年完成了 1100kWz230r/ min机电一体化 的交流永磁同步推进电机;另外1760kW永磁同步推进电机装于U - 212潜艇 试用,其长度和有效体积与传统的直流推进电机相比减少4096。目前硏制的永 磁同步电动机最大功率为14MW,转速150r/min ,用于Siemens公司和Schotel 公司联合生产的SSP吊仓式电力推进系统［54］。

高转速：超高速电机典型产品如美国通用电气公司早期研制的 150kW23000r/min的航空用起动/发电机和日本的1000kW15000r/min的彩钻 永磁同步发电机。超高速电机在旋转时有很大的离心力,为使永磁体和其他材 料不致于飞散，需要采取机械加固措施，一般在转子外径处套一非磁性钢的护 环［55］。

高效率：永磁电机又是一种高效节能产品，平均节电率高达10%以上,专用 稀土永磁电机的节电率可高达15%~20%。美国GM公司硏制的妆铁硼永磁起 动电机与老式串激直流起动电机相比,不仅重量由原来的6.21 kg降低到4.2 kg , 体积减少了 1/3,而且效率提高了 45%。在水泵、风机、压缩机需要无级变频调 速的场合,异步变频调速可节电25%左右,而永磁变频调速节电率高达30%以上

［56］;窦满锋等［48］提出了油田抽油机专用稀土永磁同步电机的设计方法，研 制的REPMSM比相应的异步电机效率提高6.5%,功率因数提高13%,起动转矩 提高50%。在油田抽油机上使用节能效果明显等等。国外提高电动机效率的主 要途径是：(i)通过对异步电动机的优化设计，増加铜、铝、电工钢板等有效材料 用量，降低绕组损耗和铁耗;(2)采用较好的磁性材料和工艺，以降低铁耗;(3)合理 设计通风结构和选用高性能轴承，降低机械损耗;(4)通过改进设计和工艺，降低杂 散损耗。国外已开发出高效异步电机。美国提出将电动机推至极限，于2007年 生产超高效电动机。据有关资料介绍J60M-4 11 kW电机的Y系列效率为88%, 高效电机为91.8%,超高效电机92・4%。我国沈阳工业大学开发的超高效稀土 永磁电机效率为94.7%［57］O

5.2轻型化，微型化，高功能化、专业化

航空航天产品，电动车辆、数控机床,计算机、视听产品、医疗器械、便 携式光机电一体化产品、电梯等，都对电机提出体积小、重量轻,不同性能侧 重点都提出了严格的要求；医疗微型机器、管道检修机器人等等都对微型化电 机提出了挑战；宇航设备、宇宙空间的机械手、原子能设备的检查机器人和半 导造装置等特殊环境下工作的电动机,需要使用高温电动机和高真空电动 机。已开发的有150W、3 000 r/m in,工作在200 ~ 300°C高温和133.3 xlO^Pa 真空度环境下的三相四极永磁电动机，直径105 mm.长145 mm,采用高温特性 好的Sm2Coi7永磁体［56］。体国外专用电机占有量达80% ,通用电机占有量占 20% ,而我国正好相反。资料［49］表明专用电机是根据不同负载特性专门设计 的，如油田用抽油机专用稀土永磁电机，节电率高达20% ,可见专业电机的节 能潜力和高功能匹配性。

5.3动力传动一体化电机驱动系统

对整个动力传动系统（电机、减速齿轮、传动轴））进行一体化建模和控制， 构建高性能、高可靠性或高精度的一体他区动系统。

5・4高性能、高档永磁同步电机伺服系统

随看我国航空®t天、：气车、船舶、电站设备和国防工业等制造业的高速发 展,数控机床在装备制造业中的重要性愈来愈明显,特别是中高端NC机床产品的 需求也将与日俱增。2007年我国NC机床的年产量达11万台，中档NC机床已达 4. 2万台，高档NC机床也已进入产业化。世界NC机床产量中，低、中、高档NC 机床之比为30:60:10。高档NC机床主要被德国、美国所垄断;日本占据了中档 NC机床的主要市场;韩国则是中低档NC机床的主要供货商［58］。所以发展我国 的中高档数控机床迫在眉睫。伺服电机经历20世纪60年代以前的以步进电机 驱动的液压伺服马达的第一发展阶段，到20世纪60-70年代以直流伺服电机为 驱动电机的第二阶段，到20世纪80年代至今的永磁无刷直流伺服电机和永磁 同步伺服电机的第三个阶段［59］。

到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控 制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国 西门子、百格拉，美国科尔摩根和日本松下、三菱及安川等公司［60］。所以高性 能、高档永磁同步电机伺服系统成为未来的发展方向。同时驱动装置电子器件 不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用。

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