永磁同步電動機的應用前景
| 眾所周知，直流電動機有優(yōu)良的控制性能，其機械特性和調(diào)速特性均為平行的直線，這是各類交流電動機所沒有的 特性。此外，直流電動機還有起動轉(zhuǎn)矩大、效率高、調(diào)速方便、動態(tài)特性好等特點。優(yōu)良的控制特性使直流電動機 在70年代前的很長時間里，在有調(diào)速、控制要求的場合，幾乎成了唯一的選擇。但是，直流電動機的結(jié)構(gòu)復雜，其 定子上有激磁繞組產(chǎn)生主磁場，對功率較大的直流電動機常常還裝有換向極，以改善電機的換向性能。直流電機的 轉(zhuǎn)子上安放電樞繞組和換向器，直流電源通過電刷和換向器將直流電送入電樞繞組并轉(zhuǎn)換成電樞繞組中的交變電 流，即進行機械式電流換向。復雜的結(jié)構(gòu)限制了直流電動機體積和重量的進一步減小，尤其是電刷和換向器的滑動 接觸造成了機械磨損和火花，使直流電動機的故障多、可靠性低、壽命短、保養(yǎng)維護工作量大。換向火花既造成了 換向器的電腐蝕，還是一個無線電干擾源，會對周圍的電器設備帶來有害的影響。電機的容量越大、轉(zhuǎn)速越高，問 題就越嚴重。所以，普通直流電動機的電刷和換向器限制了直流電動機向高速度、大容量的發(fā)展。 在交流電網(wǎng)上，人們還廣泛使用著交流異步電動機來拖動工作機械。交流異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠、壽 命長、成本低，保養(yǎng)維護簡便。但是，與直流電動機相比，它調(diào)速性能差，起動轉(zhuǎn)矩小，過載能力和效率低。其旋 轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生需從電網(wǎng)吸取無功功率，故功率因素低，輕載時尤甚，這大增加了線路和電網(wǎng)的損耗。長期以來，在 不要求調(diào)速的場合，例如風機、水泵、普通機床的驅(qū)動中，異步電動機占有主導地位，當然這類拖動中，無形中損 失了大量電能。 過去的電力拖動中，很少彩同步電動機，其主要原因是同步電動機不能在電網(wǎng)電壓下自行起動，靜止的轉(zhuǎn)子磁極在 旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，平均轉(zhuǎn)矩為零。人們亦知道變頻電源可解決同步電動機的起動和調(diào)速問題，但在70年代以前， 變頻電源是可想而不可得的設備。所以，過去的電力拖動中，很少看到用同步電動機作原動機。在大功率范圍內(nèi)， 偶爾也有同步電動機運行的例子，但它往往是用來改善大企業(yè)的電網(wǎng)功率因數(shù)。 自70年代以來，科學技術的發(fā)展極大地推動了同步電動機的發(fā)展和應用，主要的原因有： 1、 高性能永磁材料的發(fā)展 永磁材料近年來的開發(fā)很快，現(xiàn)有鋁鎳鈷、鐵氧體和稀土永磁體三大類。稀土永磁體又有第一代釤鈷1：5，第二代 釤鈷2：17和第三釹鐵硼。鋁鎳鈷是本世紀三十年代研制成功的永磁材料，雖其具有剩磁感應強度高，熱穩(wěn)定性好 等優(yōu)點，但它矯頑力低，抗退磁能力差，而且要用貴重的金屬鈷，成本高，這些不足大大限制了它在電機中的應 用。鐵氧體磁體是本世紀五十年代初開發(fā)的永磁材料，其******的特點是價格低廉，有較高的矯頑力，其不足是剩磁 感應強度和磁能積都較低。釤鈷稀土永磁材料在六十年代中期問世，它具有鋁鎳鈷一樣高的剩磁感應強度，矯頑力 比鐵氧體高，但釤稀土材料價格較高。80年代初釹鐵硼稀土永磁材料的出現(xiàn)，它具有高的剩磁感應強度，高的矯頑 力，高的磁能積，這些特點特別適合在電機中使用。它們不足是溫度系數(shù)大，居里點低，容易氧化生銹而需涂復處 理。經(jīng)過這幾年的不斷改進提高，這些缺點大多已經(jīng)克服，現(xiàn)釹鐵硼永磁材料最高的工作溫度已可達180℃，一般 也可達150℃，已足以滿足絕大多數(shù)電機的使用要求。表1是各種永磁材料性能比較。 表1各種永磁材料的性能比較 永磁材料 剩磁（T）Br(T) 矯頑力HcB(KA/m) 內(nèi)稟矯頑力Hcj(KA/m) ******磁能積(BH)m（KJ/m3） 剩磁可逆溫度系 數(shù)αB(%C) 居里溫度Tc8(C) 中等水平釹鐵硼`` 1.26 967 955 310 -0.12 350 較高水平的釤鈷 1.00 746 766 210 -0.03 850 最高水平鋁鎳鈷 1.08 120 800 85 -0.02 850 最高水平的鐵氧體 0.41 300 325 32 -0.18 450 永磁材料的發(fā)展極大地推動了永磁同步電動機的開發(fā)應用。在同步電動機中用永磁體取代傳統(tǒng)的電激磁磁極的好處 是： 用永磁體替代電激磁磁極，簡化了結(jié)構(gòu)，消除了轉(zhuǎn)子的滑環(huán)、電刷，實現(xiàn)了無刷結(jié)構(gòu)，縮小了轉(zhuǎn)子體積； 省去了激磁直流電源，消除了激磁損耗和發(fā)熱。 當今中小功率的同步電動機絕大多數(shù)已采用永磁式結(jié)構(gòu)。 2、電力電子技術的發(fā)展大大促進了永磁同步電動機的開發(fā)應用。 電力電子技術是信息產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)間重要的接口，是弱電與被控強電之間的橋梁。自58年世界上第一個功率半導 體開關晶閘管發(fā)明以來，電力電子元件已經(jīng)歷了第一代半控式晶閘管，第二代有自關斷能力的半導體器件（大功率 晶體管GTR、可關斷晶閘管GTO、功率場效應管MOSFET）的三代復合場控器件（絕緣柵功率晶體管IGBT、靜電感應式 晶體管SIT、MOS控制的晶體管MCT等）直至90年代出現(xiàn)的第四代功率集成電路IPM。半導體開關器件性能不斷提高， 容量迅速增大，成本大降低，控制電路日趨完美，它極大地推動了各類電機的控制。70年代出現(xiàn)了通用變頻器的系 列產(chǎn)品，可將工頻電源轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率連續(xù)可調(diào)的變頻電源，這就為交流電機的變頻調(diào)速創(chuàng)造了條件。這些變頻器在頻 率設定后都有軟起動功能，頻率會以一定速率從零上升設定的頻率，而且此上升速率可以在很大的范圍任意調(diào)整， 這對同步電動機而言就是解決了起動問題。對最新的自同步永磁同步電動機，高性能電力半導體開關組成的逆變電 路是其控制系統(tǒng)的必不可少的功率環(huán)節(jié)。 3、 規(guī)模集成電路和計算機技術的發(fā)展完全改觀了現(xiàn)代永磁同步電動機的控制 集成電路和計算機技術是電子技術發(fā)展的代表，它不僅是高新電子信息產(chǎn)業(yè)的核心，又是不少傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造基 礎。它們的飛速發(fā)展促進了電機控制技術的發(fā)展與創(chuàng)新。 70年代人們對交流電機提出了矢量控制的概念。這種理論的主要思想是將交流電機電樞繞組的三相電流通過坐標變 換分解成勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，從而將交流電動機模擬成直流電動機來控制，可獲得與直流電動機一樣良 好的動態(tài)調(diào)速特性。這種控制方法已經(jīng)成熟，并已成功地在交流伺服系統(tǒng)中得到應用。因為這種方法采用了坐標變 換，所以對控制器地運算速度、數(shù)據(jù)處理能力，控制地實時性和控制精度等提出了很高的要求，單片機往往都不能 滿足要求。近年來各種集成化的數(shù)字信號處理器（DSP）發(fā)展很快，性能不斷改善，軟件和開發(fā)工具越來越多，出 現(xiàn)了專門用于電機控制的高性能、低價位的DSP。集成電路和計算技術的發(fā)展對永磁同步電動機控制技術起到了重 要的推動作用。 二、 永磁同步電動機的運行控制方法 永磁同步電動機的運行可分為外同步和自同步二類。用獨立的變頻電源向永磁同步電動機供電，同步電動機轉(zhuǎn)速嚴 格地跟隨電源頻率而變化，此即為外同步式永磁同步電動機運行。外同步運行常用于開環(huán)控制，由于轉(zhuǎn)速與頻率的 嚴格關系，此運行方式適合在多臺電動機要求嚴格同步運行的場合使用。例如，紡織行業(yè)紗錠驅(qū)動，傳送帶錕道驅(qū) 動等場合。為此可選用一臺較大容量的變頻器，同時向多臺永磁同步電動機供電。 當然，變頻器必須能軟起動，輸出頻率能由低到高逐步上升到以解決同步電動機的起動問題。 所謂自同步的永磁同步電動機，其定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場位置由永磁轉(zhuǎn)子的位置所決定，能自動地維持與轉(zhuǎn)子磁 場有900的空間夾角，以產(chǎn)生******的電機轉(zhuǎn)矩。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速則嚴格地由永磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速所決定。用此種方式運 行的永磁同步電動機除仍需逆變器開關電路外，還需要一個能檢測轉(zhuǎn)子位置的傳感器，逆變器的開關工作，即永磁 同步電動機定子繞組得到的多相電流，完全由轉(zhuǎn)子位置檢測裝置給出的信號來控制。這種定子旋轉(zhuǎn)磁場由定子位置 來決定的運行方式即自同步的永磁同步電動機運行方式，這是從60年代后期發(fā)展起來的新方式。自同步的永磁同步 電動機運行方式從原理上分析可知，它具有直流電動機的特性，有穩(wěn)定的起動轉(zhuǎn)矩，可以自行起動，并可類似于直 流電動機對電機進行閉環(huán)控制。自同步的永磁同步電動機已成為當今永磁同步電動機應用的主要方式。 自同步永磁同步電動機按電機定子繞組中加入的電流形式可分為方波電動機和正弦波電動機二類。方波電動機繞組 中的電流式方波形電流，分析其工作原理可知，它與有刷直流電動機工作原理完全相同。不同處在于它用電子開關 電路和轉(zhuǎn)子位置傳感器取代了有刷直流電動機的換向器和電刷，從而實現(xiàn)了直流電動機的無刷化，同時保持了直流 電動機的良好控制特性，故該類方波電動機人們習慣稱為無刷直流電動機。這是當前使用最廣泛的，很有前途的一 種自同步永磁同步電動機。 正弦波自同步永磁同步電動機其定子繞組得到的是對稱三相交流電，但三相交流電的頻率、相位和幅值由轉(zhuǎn)子的位 置信號所決定。轉(zhuǎn)子位置檢測通常使用光電編碼器，可精確地獲得瞬間轉(zhuǎn)子位置信息。其控制通常采用單片機或數(shù) 字信號處理器（DSP）作為控制器的核心單元。因其控制性能、控制精度和轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性較無刷直流電動機控制系 統(tǒng)為好，故主要用于現(xiàn)代高精度的交流伺服控制系統(tǒng)中。 三、 永磁同步電動機在現(xiàn)代工業(yè)中的應用 現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)中的驅(qū)動電機常用的有交流異步電動機、有刷直流電動機和永磁同步電動機（包括無刷直流電動機）三 大類，它們的綜合特性比較見表2。 機械特性 過載能力 可控性 平穩(wěn)性 噪聲 電磁干擾 維修性 壽命 體積 效率 成本 交流異步電動機 軟 小 難 較差 較大 小 易 長 大 低 低 有刷直流電動機 軟 大 易 較好 大 嚴重 難 短 較小 高 較高 永磁同步電動機（包括無刷直流電動機） 硬 大 易 好 小 小 易 長 小 高 較高 按照不同的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械的要求，電機驅(qū)動又分為定速驅(qū)動、調(diào)速驅(qū)動和精密控制驅(qū)動三類。 1、 定速驅(qū)動 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有大量的生產(chǎn)機械要求連續(xù)地以大致不變的速度單方向運行，例如風機、泵、壓縮機、普通機床等。 對這類機械以往大多采用三相或單相異步電動機來驅(qū)動。異步電動機成本較低，結(jié)構(gòu)簡單牢靠，維修方便，很適合 該類機械的驅(qū)動。但是，異步電動機效率、功率因數(shù)低、損耗大，而該類電機使用面廣量大，故有大量的電能在使 用中被浪費了。其次，工農(nóng)業(yè)中大量使用的風機、水泵往往亦需要調(diào)節(jié)其流量，通常是通過調(diào)節(jié)風門、閥來完成 的，這其中又浪費了大量的電能。70年代起，人們用變頻器調(diào)節(jié)風機、水泵中異步電動機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)它們的流量， 取得可觀的節(jié)能效果，但變頻器的成本又限制了它的使用，而且異步電動機本身的低效率依然存在。 例如，家用空調(diào)壓縮機原先都是采用單相異步電動機，開關式控制其運行，噪聲和較高的溫度變化幅度是它的不 足。90年代初，日本東芝公司首先在壓縮機控制上采用了異步電動機的變頻調(diào)速，變頻調(diào)速的優(yōu)點促進了變頻空調(diào) 的發(fā)展。近年來日本的日立、三洋等公司開始采用永磁無刷電動機來替代異步電動機的變頻調(diào)速，顯著提高了效 率，獲得更好的節(jié)能效果和進一步降低了噪聲，在相同的額定功率和額定轉(zhuǎn)速下，設單相異步電動要的體積和重量 為100%，則永磁無刷直流電動機的體積為38.6%，重量為34.8%，用銅量為20.9%，用鐵量為36.5%，效率提高10%以 上，而且調(diào)速方便，價格和異步電動機變頻調(diào)速相當。永磁無刷直流電動機在空調(diào)中的應用促進了空調(diào)劑的升級換 代。 再如儀器儀表等設備上大量使用的冷卻風扇，以往都采用單相異步電動機外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的驅(qū)動方式，它的體積和重量 大，效率低。近年來它已經(jīng)完全被永磁無刷直流電動機驅(qū)動的無刷風機所取代?，F(xiàn)代迅速發(fā)展的各種計算機等信息 設備上更是無例外地使用著無刷風機。這些年，使用無刷風機已形成了完整的系列，品種規(guī)格多，外框尺寸從15mm 到120mm共有12種，框架厚度有6mm到18mm共7種，電壓規(guī)格有直流1.5V、3V、5V、12V、24V、48V，轉(zhuǎn)速范圍從 2100rpm到14000rpm，分為低轉(zhuǎn)速、中轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)速和超高轉(zhuǎn)速4種，壽命30000小時以上，電機是外轉(zhuǎn)子的永磁無 刷直流電動機。 近年來的實踐表明，在功率不大于10kW而連續(xù)運行的場合，為減小體積、節(jié)省材料、提高效率和降低能耗等因素， 越來越多的異步電動機驅(qū)動正被永磁無刷直流電動機逐步替代。而在功率較大的場合，由于一次成本和投資較大， 除了永磁材料外，還要功率較大的驅(qū)動器，故還較少有應用。 2、 調(diào)速驅(qū)動 有相當多的工作機械，其運行速度需要任意設定和調(diào)節(jié)，但速度控制精度要求并不非常高。這類驅(qū)動系統(tǒng)在包裝機 械、食品機械、印刷機械、物料輸送機械、紡織機械和交通車輛 |
