单相永磁同步电机的原理是什么？

众所周知，DC电机具有优良的控制性能，其机械特性和调速特性为平行直线，这是各种交流电机所不具备的。此外，DC电机还具有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。出色的控制特性使DC电机在70年代以前有调速控制要求的很长一段时间里几乎是唯一的选择。然而，DC电机结构复杂，其定子有励磁绕组来产生主磁场。对于大功率DC电机，通常安装换向极来改善电机的换向性能。电枢绕组和换向器放在DC电机的转子上，DC电源通过电刷和换向器将DC功率送入电枢绕组并在电枢绕组中转换成交流电，即机械电流换向。复杂的结构限制了DC电机体积和重量的进一步减小，特别是电刷与换向器的滑动接触造成机械磨损和火花，使得DC电机故障多、可靠性低、使用寿命短、维护工作量大。换向火花不仅引起换向器的电腐蚀，而且是一种无线电干扰源，会给周围的电气设备带来不良影响。电机容量越大，转速越高，问题就越严重。因此，普通DC电机的电刷和换向器限制了DC电机向高速、大容量发展。

在交流电网上，人们也广泛使用交流异步电动机拖动工作机械。交流异步电机结构简单、运行可靠、寿命长、成本低、维护简单。但与DC电机相比，调速性能差，起动转矩小，过载能力低，效率低。其旋转磁场的产生需要从电网中吸取无功功率，因此功率因数较低，尤其是在轻载时，大大增加了线路和电网的损耗。长期以来，在不需要调速的场合，如风机、水泵和普通机床的驱动，异步电机一直占据主导地位。当然，在这种行驶中，无形中损失了大量的电能。

以前电传动中很少有彩色同步电机。主要原因是同步电机在电网电压下不能自启动，在旋转磁场的作用下，静止转子磁极的平均转矩为零。也知道变频电源可以解决同步电机的启动和调速问题，但是在70年代以前，变频电源是一个想都不敢想的设备。因此，在过去，同步电机很少被用作电力驱动的原动机。在大功率范围内，偶尔有同步电动机运行的例子，但它经常被用来提高大型企业的功率因数。

自20世纪70年代以来，科学技术的发展极大地促进了同步电动机的发展和应用，原因如下:

1，高性能永磁材料的开发

近年来永磁材料发展迅速，主要有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁三大类。稀土永磁包括第一代钐钴1: 5，第二代钐钴2: 17，第三代钕铁硼。铝镍钴是20世纪30年代研制成功的永磁材料。虽然它具有剩磁感应强度高、热稳定性好等优点，但矫顽力低，抗退磁能力差，且需要昂贵的金属钴，大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是20世纪50年代初发展起来的永磁材料。它最大的特点是价格低，矫顽力高，但缺点是剩磁感应强度和磁能积低。钐钴稀土永磁材料于60年代中期问世。它具有与Al-Ni-Co相同的高剩磁感应强度和比铁氧体更高的矫顽力，但Sm-RE材料的价格较高。NdFeB稀土永磁材料出现于20世纪80年代初，具有高剩余磁感应强度、高矫顽力和高磁能积，这些特性特别适合在电机中使用。它们的缺点是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈，需要镀膜。经过几年的不断改进，这些缺点大部分都克服了。目前钕铁硼永磁材料的最高工作温度可以达到180℃，一般也可以达到150℃，足以满足大部分电机的要求。表1显示了各种永磁材料的性能对比。

表1各种永磁材料的性能对比

永磁材料的发展极大地促进了永磁同步电机的发展和应用。在同步电机中用永磁体代替传统的电磁极的优点如下:

用永磁体代替电磁极，简化了结构，取消了转子的滑环和电刷，实现了无刷结构，减小了转子的体积。省去了励磁DC电源，消除了励磁损耗和发热。目前，大多数中小功率同步电机都采用了永磁结构。

2.电力电子技术的发展极大地促进了永磁同步电机的发展和应用。

电力电子技术是信息产业和传统产业的重要接口，是弱电和可控强电之间的桥梁。从58年世界上第一个功率半导体开关晶闸管发明至今，电力电子元器件经历了第一代半控晶闸管、第二代具有自关断能力的半导体器件(大功率晶体管GTR、可关断晶闸管GTO、功率场效应晶体管MOSFET等。)和第三代复合场控器件(绝缘栅功率晶体管IGBT、静电感应晶体管SIT、MOS控制晶体管MCT等。)直到90年代出现第四代功率集成电路IPM。半导体开关器件的性能不断提高，容量迅速增加，成本大大降低，控制电路日趋完善，极大地促进了各种电机的控制。20世纪70年代出现了通用变频器系列产品，可以将工频电源转变为频率连续可调的变频电源，为交流电机变频调速创造了条件。这些变频器在频率设定后具有软启动功能，频率会以一定的速率从零上升到设定频率，且上升速率可在较大范围内任意调节，为同步电机解决了启动问题。对于最新的自同步永磁同步电机，由高性能功率半导体开关组成的逆变电路是其控制系统必不可少的功率环节。

3.大规模集成电路和计算机技术的发展彻底改变了现代永磁同步电机的控制集成电路和计算机技术。它是电子技术发展的代表，不仅是高科技电子信息产业的核心，也是许多传统产业改造的基础。它们的快速发展促进了电机控制技术的发展和创新。

20世纪70年代，人们提出了交流电机矢量控制的概念。该理论的主要思想是通过坐标变换将交流电机电枢绕组的三相电流分解为励磁电流分量和转矩电流分量，从而使交流电机可以模拟成DC电机来控制，并获得DC电机那样良好的动态调速特性。这种控制方法已经成熟，并成功应用于交流伺服系统中。由于这种方法采用坐标变换，对控制器的运算速度、数据处理能力、实时控制和控制精度提出了很高的要求，单片机往往不能满足要求。近年来，各种集成数字信号处理器(DSP)发展迅速，性能不断提高。软件和开发工具越来越多，出现了专门用于电机控制的高性能低成本DSP。集成电路和计算技术的发展对永磁同步电机的控制技术起到了重要的推动作用。

二、永磁同步电机的运行控制方法

永磁同步电机的运行可分为外同步和自同步。永磁同步电机采用独立变频电源供电，同步电机的转速严格随电源频率变化，这就是外同步永磁同步电机的运行。开环控制中经常使用外部同步操作。由于速度和频率有严格的关系，这种运行方式适用于多台电机要求严格同步运行的场合。比如纺织工业中的锭子驱动，传送带中的辊筒驱动等场合。因此，可以选择大容量变频器同时为多台永磁同步电机供电。当然，逆变器必须能够软启动，输出频率可以由低到高逐渐提高，以解决同步电机的启动问题。

所谓自同步永磁同步电机，其定子绕组产生的旋转磁场的位置由永磁转子的位置决定，能自动与转子磁场保持900°的空间角度，以产生最大的电机转矩。旋转磁场的转速严格由永磁转子的转速决定。这样运行的永磁同步电机不仅需要逆变器开关电路，还需要能够检测转子位置的传感器。逆变器的开关操作，即永磁同步电机定子绕组获得的多相电流，完全由转子位置检测装置给出的信号控制。这种定子的旋转磁场由定子的位置决定的运行方式，就是自同步永磁同步电机运行方式，是从20世纪60年代后期发展起来的一种新方式。从原理分析可以看出，自同步永磁同步电机具有DC电机的特点，具有稳定的起动转矩，可以自起动，并且可以类似DC电机对电机进行闭环控制。自同步永磁同步电机已经成为永磁同步电机的主要应用方式。

自同步永磁同步电机按加在电机定子绕组中的电流形式可分为方波电机和正弦波电机。通过分析方波电机绕组中电流型方波电流的工作原理，可以知道它与有刷DC电机的工作原理完全相同。不同的是它用电子开关电路和转子位置传感器代替了有刷DC电机的换向器和电刷，从而实现了无刷DC电机，保持了DC电机良好的控制特性，所以这种方波电机习惯被称为无刷DC电机。这是应用最广泛、最有前途的自同步永磁同步电机。

正弦波自同步永磁同步电机的定子绕组获得对称的三相交流电，但三相交流电的频率、相位和幅值由转子位置信号决定。光电编码器通常用于转子位置检测，可以准确获得瞬时转子位置信息。其控制通常采用单片机或数字信号处理器(DSP)作为控制器的核心单元。由于其控制性能、控制精度和转矩稳定性均优于无刷DC电机控制系统，所以主要用于现代高精度交流伺服控制系统。

三、永磁同步电机在现代工业中的应用

现代工农业中常用的驱动电机有三种:交流异步电机、有刷DC电机和永磁同步电机(包括无刷DC电机)。它们的综合特性比较见表2。

根据工农业生产机械的不同要求，电机驱动可分为恒速驱动、调速驱动和精密控制驱动三大类。

1，恒速驱动

在工农业生产中，有大量的生产机械，如风机、泵、压缩机、普通机床等，需要以大致恒定的速度连续单向运转。过去，这些机器大多由三相或单相异步电动机驱动。异步电机成本低，结构简单可靠，维护方便，非常适合驱动这类机械。然而，异步电动机效率低，功率因数低，损耗大，而且这种电动机应用广泛，所以在使用中浪费了大量的电能。其次，工业和农业中广泛使用的风机和水泵经常需要调节流量，通常是通过调节风门和阀门来实现，浪费了大量的电力。从20世纪70年代开始，人们就用变频器调节风机和水泵中的异步电动机的转速来调节其流量，取得了可观的节能效果。但是变频器的成本限制了它的使用，异步电机本身的低效率也依然存在。

例如，家用空调的压缩机使用单相异步电机，其运行由开关模式控制。噪音和温度变化范围大是它的缺点。20世纪90年代初，日本东芝公司率先在压缩机控制中采用异步电机变频调速，变频调速的优势推动了变频空调的发展。近年来，日本日立、三洋等公司开始使用永磁无刷电机替代异步电机进行变频调速，显著提高了效率，获得了更好的节能效果，进一步降低了噪音。在相同的额定功率和额定转速下，假设单相异步电机的体积和重量为100%，永磁无刷DC电机的体积和重量分别为38.6%、34.8%，铜耗为20.9%。永磁无刷DC电机在空调中的应用推动了空调剂的更新换代。

再比如仪器仪表中广泛使用的散热风扇。过去是由单相异步电机的外转子结构驱动，体积大，重量大，效率低。近年来，它已经完全被由永磁无刷DC电机驱动的无刷风扇所取代。无刷风扇应用于现代快速发展的计算机等各种信息设备中。多年来形成了完整的无刷风扇系列，品种规格繁多。从15mm到120mm*** *共12种边框尺寸，从6mm到18mm***7 *共7种边框厚度，电压规格为DC 1.5V、3V、5V、5V。转速从2100转/分至14000转/分，分为低速、中速、高速、超高速四种，使用寿命超过30000小时。该电机是一个带外转子的永磁无刷DC电机。

近几年的实践表明，在功率不超过10kW的情况下，为了减小体积、节省材料、提高效率、降低能耗，越来越多的异步电机驱动逐渐被永磁无刷DC电机所取代。在大功率场合，由于一次性成本和投资较大，除了永磁材料，还有大功率驱动器，所以很少使用。

2、速度控制驱动

有相当多的工作机，运行速度需要随意设定和调整，但速度控制精度不是很高。这种传动系统广泛应用于包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和运输车辆。

在这种调速应用领域中，最初使用最多的是DC电机调速系统。20世纪70年代以后，随着电力电子技术和控制技术的发展，异步电动机变频调速迅速渗透到DC调速系统的原有应用领域。这是因为一方面异步电机变频调速系统的性能和价格完全可以与DC调速系统相媲美，另一方面异步电机与DC电机相比具有容量大、可靠性高、干扰小、寿命长等优点。因此，异步电动机的变频调速在许多场合迅速取代了DC调速系统。

交流永磁同步电机因其体积小、重量轻、高效节能，越来越受到人们的关注。其控制技术日趋成熟，控制器已经商品化。中小功率异步电动机的变频调速正逐渐被永磁同步电动机调速系统所取代。电梯驱动就是一个典型的例子。电梯的驱动系统对电机加速、稳速、制动和定位都有一定的要求。早期，人们采用DC电机调速系统，其缺点不言而喻。70年代变频技术成熟，异步电机变频调速驱动在电梯行业迅速取代DC调速系统。近年来，电梯行业的最新驱动技术是永磁同步电机调速系统，它体积小、节能、控制性能好、易于作低速直驱、取消了齿轮减速装置；其低噪音、平层精度、舒适性均优于以往的驱动系统，适合在无机房电梯中使用。永磁同步电机驱动系统很快受到各大电梯公司的青睐，其配套的专用变频器系列产品已在多个品牌上市。可以预见，在调速驱动的情况下，永磁同步电机将会称霸世界。日本富士公司推出了一系列永磁同步电机变频控制器，功率从0.4 kW到300 kW，体积比同容量异步电机小1 ~ 2帧数，力能指标明显高于异步电机，可用于泵、运输机械、搅拌机、绞车、电梯、起重机等场合。

3、精确控制驱动

①高精度伺服控制系统

伺服电机在工业自动化领域的运行控制中起着非常重要的作用，不同的应用场合对伺服电机的控制性能要求是不同的。在实际应用中，伺服电机有多种控制方式，如转矩控制/电流控制、速度控制、位置控制等。伺服电机系统也经历了DC伺服系统、交流伺服系统、步进电机驱动系统，直到近年来最引人注目的永磁电机交流伺服系统。近年来，绝大多数进口自动化设备、自动加工装置和机器人都采用永磁同步电机的交流伺服系统。

②信息技术中的永磁同步电机。

随着信息技术的飞速发展，各种计算机外设和办公自动化设备也在不断发展。其中的关键部件微电机的需求很高，对精度和性能的要求也越来越高。对这种微电机的要求是小型化、薄型化、高速化、长寿命化、高可靠性、低噪声、低振动，尤其是高精度。比如硬盘驱动器的主轴驱动电机是永磁无刷DC电机，它驱动磁盘以接近10000转/分的高速旋转，在磁盘上进行数据读写的磁头悬浮在离磁盘表面只有0.1 ~ 0.3微米的地方，精度要求之高可想而知。在信息技术中，大多数驱动电机用于各种设备，如打印机、软硬盘驱动器、光盘驱动器、传真机、复印机等。是永磁无刷DC电机。受技术水平限制，这种微电机国内目前还不能自行制造，部分产品在国内组装。

四、永磁同步电机的应用前景

由于电子技术和控制技术的发展，永磁同步电机的控制技术已经成熟并日趋完善。过去同步电机的概念和应用范围已经被今天的基于概念的同步电机大大扩展了。毫不夸张地说，从小型到大型，从一般控制驱动到高精度伺服驱动，从人们的日常生活到各种高科技领域，永磁同步电机已经作为最重要的驱动电机出现，前景将越来越明显。