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1、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 MotorGong XiaomaoXian Jiaotong University,Class 1005,3111003040AbstractPermanent magnet syn
2、chronous 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 sync
3、hronous motor,status,hotspot,development trend1.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
4、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( P
5、WM)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、
6、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
7、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111。表1异步电机与永磁同步电机驱动系统比较参数异步电机永磁同步电机峰值功率/kW100100总重/kg3628功率/重量比0.41功率/体积比1.43.3效率(额定功率)/%9092效率(峰值功率)/%7585因此在电动车驱动方面具有较高的应用价值，已经受到国内外电动汽车界的高
8、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
9、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
10、)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1 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
11、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
12、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晚。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研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,哈尔滨工业大学研制了额定功率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，
13、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80kW22，可见曹秉刚团队研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
14、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27一种绕组和
15、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弱了磁场不平衡等等。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
16、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；刘刚等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。诊断方面研究的不多，关键是
