介紹了永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)、工作原理及其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，指出因其高效節(jié)能，簡(jiǎn)化傳動(dòng)系統(tǒng)，在不久的將來(lái)必有廣闊的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】永磁同步 電動(dòng)機(jī) 低速大扭矩 高效節(jié)能

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類社會(huì)對(duì)能源的需求也日益增加，石油、煤炭等不可再生資源也日益枯竭，能源緊張也成為了全球共同關(guān)注的話題，黨的十六屆五中全會(huì)強(qiáng)調(diào)，要加快建設(shè)資源節(jié)約型，環(huán)境友好型社會(huì)。同時(shí)，國(guó)家也提出了推廣變頻永磁電動(dòng)機(jī)技術(shù)的要求，在這種背景下，低速永磁同步電動(dòng)機(jī)技術(shù)也日益成熟，廣泛運(yùn)用到了各個(gè)行業(yè)中。

2 低速永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

永磁同步電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)工作原理基本相同，都是由定子產(chǎn)生磁場(chǎng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子，其不同之處在于低速永磁同步電動(dòng)機(jī)由永磁體勵(lì)磁替代了傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電勵(lì)磁。永磁同步電動(dòng)機(jī)具有低速大扭矩、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率因數(shù)高、效率高、體積小、噪聲低、可靠性高等顯著優(yōu)點(diǎn)。

低速大扭矩、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。與傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)相比，低速永磁電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場(chǎng)是有永磁體產(chǎn)生的，加上永磁體形狀及磁路設(shè)計(jì)的多樣性，這樣就可以簡(jiǎn)化電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，根據(jù)需要靈活設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)的外形尺寸。傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)存在最小轉(zhuǎn)矩，通常來(lái)說(shuō)其最小轉(zhuǎn)矩倍數(shù)小于1，而低速永磁同步電動(dòng)機(jī)是變頻起動(dòng)，在起動(dòng)時(shí)無(wú)最小轉(zhuǎn)矩倍數(shù)的限制，只要負(fù)載所需起動(dòng)扭矩小于最大轉(zhuǎn)矩，都可以順利起動(dòng)。在某些領(lǐng)域，傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)低起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的特性，使其在選型時(shí)不得不提高電動(dòng)機(jī)功率來(lái)增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速100rpm為例，由公式

可知，相同功率的低速永磁同步電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)4P電動(dòng)機(jī)相比，其起動(dòng)扭矩是傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的15倍。

效率、功率因數(shù)高。傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)因存在定子電阻和定子電流損耗，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)風(fēng)磨耗也占據(jù)一定比例，這些因素限制了功率因數(shù)的提高；低速永磁同步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生無(wú)功勵(lì)磁電流，且風(fēng)磨耗、雜耗、機(jī)械耗等損耗都低于傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，這些因素都使永磁同步電動(dòng)機(jī)的效率、功率因素高于傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。大量統(tǒng)計(jì)表明，就效率而言，同規(guī)格永磁電動(dòng)機(jī)比傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)提高了2～8%。圖1是低速永磁同步電動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)不同負(fù)載下的效率、功率因數(shù)曲線，從圖中可以看出，低速永磁同步電動(dòng)機(jī)在25%～120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可以保持較高的功率因數(shù)和效率，而傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在低負(fù)載率或者高負(fù)載率時(shí)效率、功率因數(shù)同額定負(fù)載率相比下降很多，在低負(fù)載率時(shí)下降尤為明顯。低速永磁同步電動(dòng)機(jī)這種高效率、高功率因數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)所不具備的。

體積小。對(duì)于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，尤其是末級(jí)傳動(dòng)需要較低速度時(shí)，一般需要異步電動(dòng)機(jī)加減速機(jī)或者是異步電動(dòng)機(jī)加2～3級(jí)皮帶輪減速來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種機(jī)構(gòu)體積龐大且笨重，不僅增加了設(shè)計(jì)成本，在設(shè)備安裝方面也占據(jù)了大量的空間。而低速永磁同步電動(dòng)機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)的體積和重量通常不到傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一半，加上可以靈活設(shè)計(jì)永磁電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，在設(shè)備的安裝、調(diào)試等方面要求大大降低。

噪聲低，運(yùn)行平穩(wěn)。應(yīng)用低速永磁同步電動(dòng)機(jī)的直驅(qū)系統(tǒng)取消了減速機(jī)、皮帶輪等機(jī)械減速裝置，消除了齒輪嚙合或皮帶輪傳動(dòng)時(shí)的噪聲，系統(tǒng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于各個(gè)部件中間不平衡帶來(lái)的噪聲、震動(dòng)大大降低。

可靠性高。機(jī)械減速傳動(dòng)裝置的取消，消除了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的機(jī)械故障，同時(shí)，由于設(shè)備磨損、機(jī)械變形、零部件松動(dòng)等帶來(lái)的潤(rùn)滑油泄露問(wèn)題也不復(fù)存在，大大提高了傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如圖1所示。

3 低速永磁同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

自1831年科學(xué)家巴洛發(fā)明世界上第一臺(tái)永磁電動(dòng)機(jī)以來(lái)，各國(guó)的科技工作者一直在探索永磁同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展，但由于永磁材料性能的限制，一直停滯不前。二十世紀(jì)三十年代以來(lái)，隨著鋁鎳鈷和鐵氧體材料的先后出現(xiàn)，永磁材料的性能得到了很大的提升，用永磁體做成的電動(dòng)機(jī)也不斷的出現(xiàn)在軍事裝備、工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備、日常家電等領(lǐng)域。但是，由于鋁鎳鈷和鐵氧體材料矯頑力偏低、剩磁密度不高等缺陷，永磁電動(dòng)機(jī)性能并沒有達(dá)到預(yù)期效果，加上當(dāng)時(shí)永磁電動(dòng)機(jī)成本較高，在一定程度上限制了永磁電動(dòng)機(jī)的發(fā)展。1983年，銣鐵硼（NdFeB）永磁材料的出現(xiàn)，極大的提高了永磁材料的各項(xiàng)性能，且加上價(jià)格相對(duì)便宜，加快了國(guó)內(nèi)外對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)研究的步伐，研究的重點(diǎn)也逐漸的轉(zhuǎn)移到了工業(yè)裝備自動(dòng)化和日常生活領(lǐng)域。隨著科學(xué)工作者對(duì)永磁材料研究的不斷深入，永磁材料的電磁性能、耐高溫性能也在不斷的提升。同時(shí)，伴隨著電力電子控制技術(shù)的發(fā)展，與傳統(tǒng)電勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)相比，永磁電動(dòng)機(jī)高效節(jié)能的優(yōu)勢(shì)更加明顯，低速永磁同步電動(dòng)機(jī)也朝著大功率化、高轉(zhuǎn)矩化、微型化、智能化等多個(gè)方向發(fā)展。

目前，由于低速永磁同步電動(dòng)機(jī)低速大扭矩、體積小、輸出平穩(wěn)、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在很多方面作為驅(qū)動(dòng)裝置得到應(yīng)用，如電動(dòng)車輛、煤炭開采、石油開采、冶金、電梯等領(lǐng)域。在電動(dòng)車輛方面，日本已將其用于低地板式電動(dòng)車、獨(dú)立車輪式電動(dòng)車上；德國(guó)、法國(guó)也將永磁同步電動(dòng)機(jī)用于高速列車組和低地板車；在煤炭、石油、冶金、港口起重等工業(yè)裝備自動(dòng)化領(lǐng)域，低速永磁同步電動(dòng)機(jī)在保證高性能、高效率、高精度需求的同時(shí)，省去了傳統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)中的機(jī)械減速裝置，已經(jīng)成功得到應(yīng)用；在電梯曳引機(jī)上，由于低速永磁同步電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)需機(jī)械減速裝置的直驅(qū)運(yùn)行，日本三菱公司首先采用了永磁同步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，美國(guó)奧迪斯公司研發(fā)的GEN2系統(tǒng)也廣泛采用了永磁無(wú)齒輪曳引機(jī)技術(shù)。

4 低速永磁同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

目前來(lái)看，去除減速機(jī)、多級(jí)皮帶輪等機(jī)械減速裝置，采用低速永磁直驅(qū)系統(tǒng)，更能夠充分發(fā)揮低速永磁同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)。低速永磁同步電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力提供者，正向著專用化、高性能化、輕型化、機(jī)電一體化等等方向發(fā)展。

4.1 專用化發(fā)展

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，有很多設(shè)備需要減速機(jī)等機(jī)械減速裝置來(lái)減速進(jìn)而驅(qū)動(dòng)負(fù)載，這就需要電動(dòng)機(jī)行業(yè)技術(shù)人員仔細(xì)分析其負(fù)載特性，專門設(shè)計(jì)一種性能優(yōu)良、運(yùn)行可靠且價(jià)格合理的低速永磁同步電動(dòng)機(jī)，來(lái)替代傳統(tǒng)傳動(dòng)裝置。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有些專用低速永磁同步電動(dòng)機(jī)節(jié)電率可以達(dá)到20%左右，如油田用到的抽油機(jī)電機(jī)、泥漿泵電機(jī)，陶瓷行業(yè)用到了陶瓷球磨機(jī)電機(jī)等。

4.2 高性能方向發(fā)展

隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求不僅僅是簡(jiǎn)單的提供動(dòng)力，而是提出了各種各樣的性能要求。如航空航天領(lǐng)域要求具備高性能同時(shí)，還要具備高可靠性；化纖行業(yè)、數(shù)控機(jī)床、智能加工中心等設(shè)備要求電動(dòng)機(jī)具有高調(diào)速精度。

4.3 輕型化方向發(fā)展

由于安裝空間、攜帶等方面的因素，都對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)提出了重量輕、體積小的要求。如地下煤礦開采、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械、船舶推進(jìn)、便攜式機(jī)電一體化產(chǎn)品等都有這方面的要求。

4.4 機(jī)電一體化方向發(fā)展

高性能的永磁電動(dòng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的基礎(chǔ)，電力電子技術(shù)、微電子控制技術(shù)和永磁同步電動(dòng)機(jī)技術(shù)的結(jié)合催化出了一批新型且性能優(yōu)異的機(jī)電一體化產(chǎn)品。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)具有豐富的稀土礦產(chǎn)資源，且對(duì)以稀土作為原材料的永磁材料和永磁電動(dòng)機(jī)技術(shù)研究都已位列世界先進(jìn)水平，充分發(fā)揮這種優(yōu)勢(shì)，加快低速永磁同步電動(dòng)機(jī)技術(shù)的研究和推廣，對(duì)加快我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有十分重要的意義。低速永磁同步電動(dòng)機(jī)較傳統(tǒng)電勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)在性能上有很大優(yōu)勢(shì)，但目前在我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域并沒有得到廣泛應(yīng)用，其市場(chǎng)還正處在推廣階段。相信隨著永磁材料技術(shù)的發(fā)展、電力電子和驅(qū)動(dòng)裝置技術(shù)的進(jìn)步，以及人類社會(huì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)、能源問(wèn)題社會(huì)意識(shí)的提高，在不久的將來(lái)，低速永磁同步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)裝置會(huì)慢慢滲透到工業(yè)和日常生活的各個(gè)方面，低速永磁同步電動(dòng)機(jī)也將得到廣泛應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介

王錦涵（2000-），女，河南省南陽(yáng)市人。現(xiàn)為南陽(yáng)第一高級(jí)中學(xué)在讀學(xué)生。

作者單位

南陽(yáng)第一高級(jí)中學(xué) 河南省南陽(yáng)市 473000