永磁同步电动机的应用前景

 

 

一、 概述

众所周知，直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所
没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。优良的控制特性

使直流电动机在 70 年代前的很长时间里，在有调速、控制要求的场合，几乎成了唯一的选择。但是，直流

电动机的结构复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电动机常常还装有换向极，以改善
电机的换向性能。直流电机的转子上安放电枢绕组和换向器，直流电源通过电刷和换向器将直流电送入电枢

绕组并转换成电枢绕组中的交变电流，即进行机械式电流换向。复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的
进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、

寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器
设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器

 

限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。

在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单，工作可
靠、寿命长、成本低，保养维护简便。但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和

效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因素低，轻载时尤甚，这大增加了线路和电网的
损耗。长期以来，在不要求调速的场合，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，

 

当然这类拖动中，无形中损失了大量电能。

过去的电力拖动中，很少彩同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子
磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。人们亦知道变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题，但在
70 年代以前，变频电源是可想而不可得的设备。所以，过去的电力拖动中，很少看到用同步电动机作原动

 

机。在大功率范围内，偶尔也有同步电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。

自 70

 

年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用，主要的原因有：

1  

 

、 高性能永磁材料的发展

永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴 1：
5，第二代钐钴 2：17 和第三钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强

度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足大大
限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有

较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝
镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。80 年代初钕铁硼稀土永磁材料

的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。它们不足

是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈而需涂复处理。经过这几年的不断改进提高，这些缺点大多已经克
服，现钕铁硼永磁材料最高的工作温度已可达 180℃，一般也可达 150℃，已足以满足绝大多数电机的使用

要求。表 1

 

是各种永磁材料性能比较。

表 1

 

各种永磁材料的性能比较

 

永磁材料 剩磁（T）Br(T) 矫顽力 HcB(KA/m) 内禀矫顽力 Hcj(KA/m) 最大磁能积(BH)m（KJ/m3） 

剩磁可逆温度系数 αB(%C) 居里温度 Tc8(C) 

中等水平钕铁硼`` 1.26 967 955 310 -0.12 350 

 

较高水平的钐钴 1.00 746 766 210 -0.03 850 

 

最高水平铝镍钴 1.08 120 800 85 -0.02 850 

 

最高水平的铁氧体 0.41 300 325 32 -0.18 450 

永磁材料的发展极大地推动了永磁同步电动机的开发应用。在同步电动机中用永磁体取代传统的电激磁磁极

 

的好处是：