大功率永磁同步电机技术的研究与应用

戴志鹏

(深圳市安托山特种机械有限公司广东深圳518104)

摘要：随着大型设备对电机质量要求的不断提高，大功率的永磁同步电机技术应运而生。大功率永磁同步电机技术发展的非常迅速，其简称为PMSM技术。目前主要应用于电动汽车、大型船舶、轨道交通中牵引系统中，本文主要介绍了PMSM技术的主要特点和优势，大功率永磁同步机的工作原理和主要应用的几大领域。

关键词：永磁同步电机；工作原理；主要应用

引言：

随着电子设备的不断更新，传统的交流电机由于能耗高、噪音大、移动不方便等缺点，已经逐渐的退出了电机的主流市场，永磁同步电机技术的发现，极大改变了传统电机应用市场的份额比重。随着科学技术的快速发展，PMSM技术将得到更好的应用和普及。

一、大功率永磁同步电机

永磁同步电机简称为PMSM，按照能量来源也属于交流电机的一种，不同的是永磁同步电机将交流电的能量转化为直流电，通过直流电来进行对电机的精准控制的。

永磁同步电机在工作时，需要一个稳定的直流电，一般是为该电机建设一个直流磁场，这样通过直流磁场来来实现能量的转化的。产生的直流磁场被成为励磁电流[1]。

二、PMSM的特点和优势

PMSM电机相对与传统电机的启动牵引力能较大一些，这样设备在进行开启的时候，机械设备的损耗能较少一些。PMSM电机在响应时间上比传统的电机提高了很多，而且PMSM的瞬时扭矩可以达到平常工作中的三倍，非常适用与一些负载情况变化多的不些设备。

PMSM电机的使用效率非常的高，而且功率因数也比普通的高出许多倍。在使用过程不需要励磁电流的提供，决定了该电机的功率因数比普通电机的高出许多，同时PMSM技术的工作效率可以比普通的电机能够高出好多。

PMSM电机相比传统电机拥有质量轻和体积小的优势，PMSM电机和一样容量的传统电机，在体积和质量上可以节省20%-30%左右，由于这个独特的优势在一些特殊的工作场合，PMSM电机就可以发挥作用[2]。

PMSM的转子是永磁体，结构有非常多的种类。由于技术的优越性和产品的多样性。PMSM电机小到可以应用于洗衣机、空调、吹风机等等，大功率的永磁同步电机可以使用在电动汽车、航空设备、轨道交通的牵引和大型船舶等等。可以说随着性能和用途的不同，从小到大从民众使用到国防航空都存在着永磁同步电机的身影。

由于永磁同步电机不在使用电刷进行电力的传导，而且在直流点的下可以实现精准控制，相比传统的异步电机的使用可靠性得到了大大的提高，在使用寿命得到了一定的延长，在制造成本上有一定的减少。

三、PMSM技术的工作原理和分类

PMSM电机主要是通过PMSM系统控制电流环和速度环的两者闭合反馈来进行控制的，在电机上的电流自适应器和速度自适应器可以实现自主的控制。有时由于PMSM系统的转矩脉动会一定程度上影响PMSM电机的正常运行，因此。我们可以通过SVPWM系统的控制来减少三相逆变器在输出电源端产生的一部分谐波，这样可以有效的提高永磁同步电机的可靠性和运营稳定性。

永磁同步电机按照永磁体转子的拓扑的结构不同可以将永磁同步电机分为三类：表面突出式电机、表面嵌入式电机和内置径向式电机。根据各自不同的性能和提供的动力不同，被应用于不同的设备中[3]。

PMSM电机按照磁通的过程不同也可以分为三类：径向直通式、轴向磁通式和横向磁通式。其中的径向磁通式电机由于性能和其他参数都与其他电机相差不多，因此，径向磁通式电机的使用最广泛。而轴向磁通式电机结构紧凑、硅钢片的使用率高、转向小、电机尺寸小和功率因数高等等优势，一般都是应用与一些特殊的建设工程中，如航空航天、核电站的建设等等。横向磁通式电机是在1988年由以为德国的电机专家提出来的，由于横向磁通式电机可以很好的解决电机绕组和电机磁路不在一个平面上的问题，随着欧美国家对该项技术的不但研发，该种PMSM电机已经逐渐的走出了实验室，进入市场开始使用。相信不久的将来，横向磁通式电机可以应用与社会中的各行各业。

四、PMSM技术在电动汽车上的应用

随着环保节能的呼声的不断升高，纯电动汽车已经逐渐的成为了未来汽车市场的主流永磁同步电机就被应用于纯电动汽车中。在大量的实验中证实，纯电动汽车需要的稳定的电力传动系统，电机的使用效率、电机的尺寸大小和电机的能耗等等，PMSM电机非常适合作为纯电工汽车的使用电机。

在日本的很多电动汽车都采用了永磁同步电机作为动力的传输工具，其中最为有名的是日本汽车品牌的丰田系列中的Prius和本田汽车的EV汽车系列，可以看出新能源汽车中PMSM技术已经被普遍的应用。

在丰田汽车中的CIVIC系列中所采用的PMSM电机都是薄刷直流电动机与发动机进行相连，性能有了很大的提高。还有本田汽车中的ACCORD汽车系列中采取了内置式的转子钢，比较之间的汽车转矩性能等等，可以将输出的最大转矩提高百分之二十六左右，将最大功率提高百分之二十左右等，经过改良之后汽车的整体使用效率比之前可以提高百分之一到百分之三左右。从以上的实例就可以看出PMSM电机在未来电动汽车上的巨大的市场。

五、PMSM技术在船舶中的应用

PMSM技术的核心在于转子和定子的控制，PMSM电机主要是通过将磁场内地电能转化为机械能，在两种能量的转化之间存在一种物力的磁场，我们称之为空隙磁场。通过空隙磁场就可以实现电能和机械能的互相转化。将电流通入到电机绕组上，这样使永磁体和绕组之间产生间隙磁场，再然后通过间隙磁场将电能转化为我们所需要的机械能。在电机绕组中通入电流，这样让永磁体产生空隙磁场，这样的电力传输被用于一般简单的电机装置中，在这种模式中相对以往的电能转化，可以节约更多的电能，这就是永磁同步电机的基本工作方式。在一些大功率的永磁同步电机中，可以实现恒定的动能传输[3]。

由于永磁同步电机的原理和主要优势，体积小、以控制、方便维修和重量轻等，在深海的远洋船舶中动力的传输是一个非常好的设备，再加上PMSM的运行稳定性好，能够适应恶劣的航洋环境，所以PMSM技术主要还被应用与大型的船舶运输中。

六、PMSM技术在轨道交通牵引系统中的应用

PMSM技术主要还被应用于轨道交通的牵引系统中，由于永磁同步电机的运营稳定，输出的动力扭矩强劲，通过在轨道交通中使用永磁同步电机可以省去使用齿轮组的安装。而且PMSM电机的运行可靠性好，不易维修。采取这种电机之后就可省去维修齿轮组的资金开支。同时机车的转向性的得到了很大的提高，立列车的运行稳定性也得到了提高，通过转向性提高之后针对一些坡度较大的站台和一些弯道较急的道路，PMSM电机都可以轻松应对。

通过PMSM技术在轨道交通中的应用，在轮轨之间的磨损之间能够相对之前有大大的减低，而轮缘力压大大减小，总之，随着永磁同步电机在轨道交通上的的应用，列车的各项指标都有了很大的提高

PMSM电机还被应用于一些流线型的工厂中，为流线型的设备提供稳定的动力。主要都有炼钢、石油、化工、造纸等等，在1999年芬兰的一家工程内第一次应用了永磁同步电机，实现了变频动力的传动。随着PMSM电机技术的不断完善和提高，在流程作业的工厂内越来越被人们所重视，科研人员不断的推动着电机技术的革新，希望PMSM技术可以为更好的行业提供优质的电机帮助。

七、结束语

综上所述，上文主要叙述了永磁同步电机的的发展现状，以及永磁同步电机技术的主要优势和突出特点。随着科学技术的不断发展，PMSM电机技术主要应用的行业，船舶、电动汽车、轨道交通、工厂等等。永磁同步电机的主要工作原理也进行了一定的叙述，还有PMSM电机按照磁通方式和转子结构也分为好几种。

参考文献:

[1]莫坚.大功率永磁同步电机技术的研究与应用[J].舰船科学技术,2016,3818:13-15.

[2]龚健,谢卫,陈克鹏.大功率永磁同步电机的设计与有限元分析[J].上海大中型电机,2017,02:23-27

[3]柯以诺.永磁同步电机传动系统在电动车辆上的应用[J].大功率变流技术,2009,05:31-37.

[4]许峻峰,冯江华.永磁同步传动系统的应用概况[J].大功率变流技术,2010,01:38-43+53.