浅谈大扭矩永磁同步电机在工程中的应用

刘全新,刘加岭,杜传明,阮文阳（山东科技大学,山东 青岛 266590）



浅谈大扭矩永磁同步电机在工程中的应用

刘全新,刘加岭,杜传明,阮文阳
（山东科技大学,山东 青岛 266590）

摘 要：随着国家工业化的发展，大扭矩永磁同步电机高效节能的特点已经成为市场新贵。本文基于大扭矩永磁同步电机的特点和优势，分析了永磁同步电机在风力发电领域、船舶电力推进领域以及交通工具领域中的应用，最后总结了永磁同步电机未来的发展趋势前景，希望对未来永磁同步电机的新应用有所助益。

关键词：永磁同步电机；风力发电；船舶电力推进；交通工具

1 永磁同步电机的特点和优势

永磁同步电机（PMSM）是用永磁体来代替普通同步发电机的励磁系统，为发电机提供励磁的一种发电机。作为电机工业技术的主要发展方向之一的永磁同步电机具有高效节能、轻型化、响应快速可靠等突出优点：

（1）大扭矩永磁同步电机励磁绕组被永磁体取代，没有转子上的铜耗，是一种高效、节能的产品,平均节电率高达10%以上,特别是稀土永磁电机节电率可高达15%至20%。水泵,风机,压缩机需要无级变频调速,异步变频节电25%左右,永磁变频节电率高达30%以上。

（2）采用大扭矩永磁同步电机直接驱动来代替传统的“电机+减速器”的传动模式，无机械换向器和电刷，去掉了笨重的减速机构，机构简单，减少了故障率，且避免了减速机构带来的传动间隙、机械磨损、维护繁琐等各种不利影响。

（3）大扭矩永磁同步电机动态响应速度快、可靠性高。一方面，由于传统驱动一般都存在机械传动部件，所以机械传动系统的机电时间常数会比较大，从而使响应速度变慢。另一方面，大扭矩永磁同步电机的应用使得机械振动带来的磨损、变形、疲劳等故障大大降低，提高了系统的可靠性。

2 大扭矩永磁同步电机在工程中的应用

近年来，随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的迅速发展,永磁同步电动机得到推广应用。尤其是高磁能永磁材料的应用在永磁电机的研究和应用开辟了一个非常广阔的空间。目前,永磁同步电动机应用广泛，如：风力发电、船舶电力推进、交通工具、家用电器、航空航天、数控机床、石油化工等行业。

（1）风力发电领域。随着风力发电新技术方案的出现，永磁发电机逐渐在一些大型风力发电的场合得到了广泛的应用，并将成为未来风力发电的一种趋势。如包头市天隆永磁电机制造有限责任公司创业于1996年，当年成功研发了中国首台5KW直驱式稀土永磁低速发电机。已经开发和生产的50 转/分- 750 转/分,功率30 瓦 ～ 300千瓦水平轴,垂直轴式,外转子型三大系列300多种稀土永磁低速发电机。现已成为中小风电行业永磁发电机品种最全、覆盖面最广的企业。又如2003年，日本三菱重工完全自行制造的MWT-S2000型风力发电机组上采用了2MW永磁同步电机，在Okinawa电力公司开始运行，是当时商业化应用的最大永磁风力发电机。可见，永磁发电机以其自身的优越性正在越来越广泛的应用于风力发电机组中，估计在未来几年，以永磁同步电机为主体的风力发电机将在风力发电领域被全面应用。

（2）船舶电力推进领域。船舶电力推进是船舶依靠自身配备的发电装置获取电能来驱动船舶推进的运动方式。相比与传统的直接由柴油机驱动螺旋桨推进的方法，电力推进具有经济性好，噪音低、振动小等优点，可提高船舶的机动性和操纵性。近年来，随着电力电子技术的发展，船舶电力推进领域出现了综合电力推进系统，其中以永磁同步电机推进最为突出。推进永磁同步电动机,如紧凑的Azipod和固定螺距螺旋桨直接安装在电机输出轴上。使用永磁推进系统有许多优点,其中之一是减小吊舱的形状,以提高流体动力的效率;也通过小吊舱的平衡设计,推进电动机可以直接用海水冷却包围,没有任何其他额外的外部冷却设备。

（3）交通工具领域。以大扭矩永磁同步电机直接驱动的电动汽车正在以其高效率、高控制精度、低振动噪声和转矩平稳等特点日益受到国内外电动汽车界的青睐。2013年，南车株洲电力有限公司,经过一个多月的严格的测试,和浙江重点大学联合开发了列入国家863项目的“高速铁路重大关键技术及装备研制重点项目”，具有完全独立知识产权的TQ - 600型永磁同步牵引电机,在国家检测试验台成功通过测试,具有良好的抗退磁”能力,每一个性能指标都达到了设计要求。该技术在交通工具领域的应用标志着我国高铁已经打破国际技术垄断，成功跨入永磁驱动时代。

3 大扭矩永磁同步电机的应用前景

在当今高速发展的信息技术,各种各样的计算机外围设备、办公自动化设备高度发展,及其关键部件配套微电机的高需求,随之对精度和性能的要求也越来越高。所以，永磁同步电机高效节能的特点及优越技术性能，必将成为市场新贵，在未来电机系统节能领域应用前景一片光明。

一方面，永磁同步电机直接驱动将会朝着数字化、智能化和一体化方向发展。未来永磁同步电机的控制系统中会采用数字控制芯片，并结合现代先进控制理论和传感技术等实现对电机的数字化和智能化控制，此外还可能将多台电机进行组合，将电机和其他机械进行组合，将电机与控制器进行组合，甚至将电机本体与传感器和控制器等集成于一体，实现永磁同步电机直接驱动模块化。另一方面，永磁同步电机控制系统的可靠性与使用的柔性也将成为永磁同步电机控制系统发展的必然趋势。为了获得良好的可靠性与使用的柔性，可以让控制系统采用更多的数字信号处理器、数字电路以及软件控制与处理。总而言之，随着新的电机品种和应用领域的不断扩展，永磁同步电机的应用前景十分乐观。

参考文献：

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[2]赵祥,张新丽,张世福.大型永磁同步发电机在风力发电中的应用[J].新疆金风科技股份有限公司，北京金凤科创风电设备有限公司，2011(05).

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[4]李静,程小华.永磁同步电机的发展趋势[J].华南理工大学电力学院,2009(05).

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