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一种降低永磁同步电机振动噪声的控制系统设计
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详细剖析永磁同步电动机的优劣
摘要与传统感应电动机相比，永磁同步电动机具有独特的性能。主要介绍永磁同步电动机的特点，并分析了国内外研究现状及其发展趋势。
永磁同步 电机 的运行 原理与 电励磁 同步电机相同 ，但它以永磁体提供的磁通代替后者的励磁绕组励磁，使电机结构更为简单。近年来，永磁材料性能 的改善 以及 电力 电子技 术 的进步 ，推动了新原理 、新 结构永磁同步 电机 的开发 ，有力地促进了电机产 品技术 、品种及功 能的发展 ，某些永磁同步电机已形成系列化产品，其容量从小到大，目前 已达到兆瓦级，应用范围越来越广；其地位越来越重要，从军工到民用，从特殊到一般迅速扩大，不仅在微特电机中占优势，而且在电力推进系统中也显示出了强大的生命力 。
永磁同步电机采用永磁体励磁，具有电励磁电机无可比拟的优点。
1)效率高：在转子上嵌入永磁材料后，在正常工作时转子与定子磁场同步运行，转子绕组无感生电流，不存在转子电阻和磁滞损耗，提高了电机效率。
2)功率因数高：永磁同步电机转子中无感应电流励磁，定子绕组呈现阻性负载，电机的功率因数近于 1，减小了定子电流，提高了电机的效率。同时功率因数的提高，提高了电网品质因数，减小了输变电线路的损耗，输变电容量也可降低，节省 了电网投资。
3)起动转矩大：在需要大起动转矩的设备(如油田抽油电机 )中，可以用较小容量 的永磁 电机替代较大容量的Y 系列电机。如果 37 kw 永磁同步电机代替45kW ～55 kW 的 Y 系列电机，较好地解决了&大马拉小车&的现象，节省了设备投入费用，提高了系统 的运行效能。
4)力能指 标好 ：Y 系列 电机在 60％的负荷下工作时，效率下降 15％，功率因数下降 30％，力能指标下降40％；而永磁同步电机的效率和功率因数下降甚微，当电机只有 20％负荷时，其力能指标仍为满负荷的 80％以上。
5)温升低：转子绕组中不存在电阻损耗，定子绕组中几乎不存在无功电流，因而电机温升低。
6 )体积小，重量轻 ，耗材少：同容量 的永磁同步电机体积、重量、所用材料可以减小 30％左右。
7)可大气隙化，便于构成新型磁路。
8 )电枢反应小 ，抗过载能力强。
2 、发展现状
永磁同步 电机 的发展 和永 磁材料 的发展息息相关 。新型永磁材料 的出现大 大促进 了永磁 同步电机的发展。二十世纪八 十年代钕铁硼稀土永磁材料问世，由于钕资源丰富，以廉价的铁取代昂贵的钴 ，价格相对低廉 。钕铁硼稀 土永磁材料磁性能好 ，极大地推动了永磁同步电机的开发。
2．1 发展成果
我国十分 重视钕铁硼永磁电机的研 究开发 ，并列入了国家&863&攻关计划 。经过多年的研究开发 ，取得了丰硕成果 ，开发了 5 种类型 22 个典 型规格的高性能永磁同步电机样机 。
1)3 种典型规格的高效、高起动转矩永磁 同步电动机样机，成功地解决了起动转矩高、节能效果好、高温不退磁和成本合理这4 项互相制约的矛盾。表 1 给出了我国开发 的用于油 田抽油机的 37 kW 稀土永磁同步电机与感应电动机的性能比较 。表 2给出了我国新近开发 的用于风机、泵类作业 中功率为 1120 kW 的稀土永磁同步电动机与感应 电动机和电励磁同步电动机的性能对 比 。
2) 化纤机械用高效高牵入同步钕铁硼永磁同步电动机(6 个规格)。与现有电机相比，所： 开发电机的功率因数、效率和最大转矩倍数都有不同程度的提高，失步转矩是原有的3．59倍，牵^转矩提高了3倍。
3)机床主轴用7．5 kW 高恒功率调速比钕铁硼永磁同步电动机和驱动系统。开发的永磁同步电动机调速系统 的调速范 围为 0．4 r／r a in ～9 000 r／min(国内同规格的主轴感应电动机的调速范围仅为 8 r／min ～8 000 r／r e_in)，恒功率调速比达到 1：6。
4 )电动汽 车用永 磁 同步 电动机 和驱动 系统。开发的 7．5 kW 轻微型电动客车用永磁同步 电动机系统 ，电机重量为 45 kg ，磁体用量为 0．92 kg，额定转速为 3 000 r／m in ，最高转速 5 500 r／m in。样机系统整体额定效率达 89．1％ ，1 h 持续转矩密度为 0．74 N &m ／kg(风冷 )，15 m in 持续转矩 密度为1．123 N &m ／kg( 日本 A ISIM AW 样机 1 h 持续转矩密度为0．78 N &m／kg)(油冷)，15 min 持续转矩密度为 1．178 N &m／kg。
5)高起动能力钕铁硼永磁起动机电机(4 个规格样机)。所开发的电机把原来永磁磁极的一部分换为廉价的软铁辅助磁极 ，节省钕铁硼永磁材料约 30％。
2．2 存在问题
在开发高性能永磁 同步 电机过程 中，取得 上述成果的同时 ，也 得到 了一些 问题 ，有待 于更深入地研究和探索。
1)不可逆退磁问题。如果设计或使用不当，永磁同步电机在过高(钕铁硼永磁)或过低(铁氧体永磁)温度 时，在 冲击 电流产生 的 电枢 反应作 用下 ，或在剧烈的机械振动时有可 能产 生不可逆退磁，或叫失磁，使电机性能下降，甚至无法使用。
因此，既要研究开发适用于电机制造厂使用的检查永磁材料热稳定性的方法和装置，又要分析各种不同结构型式的抗去磁能力，以便设计和制造时，采用相应措施保证永磁同步电机不失磁。
2)成本 问题 。铁 氧体永 磁同步 电机 由于结构工艺简单、质量减轻，总成本一般比电励磁电机低 ，因而得到了广泛应用。 由于稀 土永磁 目前 的价格还比较贵 ，稀土永磁 电机的成本一般 比电励磁 电机高 ，这需要用它 的高性 能和运行费用 的节省来补偿。在设计时既需要根据具体使用场合和要求进行性能、价格的比较后取舍，又要进行结构工艺的创新和设计优化，以降低成本。
3 )控制 问题 。永磁 同步电机不需外界能量 即可维持其磁场，但这也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。但是随着 M OSFET、IGBT 等电力电子器件和控制技术的发展，大多数永磁同步电机在应用 中，可 以不进行磁 场控制而只进行 电枢控制。设计时需把永磁 材料、电力 电子器件 和微机控制三项新技术结合起来，使永磁同步电机在崭新的工况下运行。此外，以永磁同步电机作为执行元件 的永磁交 流伺 服系统 ，由于永磁同步电机本身是具有一定 非线性、强耦合性 和时变性 的系统，同时其伺服对象也存在较强的不确定性和非线性 ，加之系统运行时易受到不 同程度 的干扰 ，因此采用先进控制 策略、先进 的控制 系统实现方式(如基于 DSP 控制)，从整体上提高系统的智能化和数字化水平，这应是当前发展高性能永磁同步电机伺服系统的一个主要突破口。
3 、发展趋势
永磁同步电机以其效率高、比功率大、结构简单 、节能效果显著 等一 系列优点在工业生 产和日常生活中逐步得到广泛应用。尤其是近年来高耐热性、高磁性能钕铁硼永磁体的成功开发以及电力电子元件的进一步发展和改进，稀土永磁 同步 电机的研究 开发在国内外 又进人 了一个新 的时期 ，在理论研 究和应 用 领域都 将产 生 质 的飞跃 ，目前正向超高速、高转矩、大功率、微型化、高功能化方 向发展。
3．1 超高速电机
永磁同步电机不需要励磁绕组 ，结构比较简单 ，磁场部分没有发热源，不需要冷却装置，材料的矫顽力高，气隙长度可以取较大值从而使大幅度提高转速成为可能。目前已制成 (2 ～3 ) X 10 r／r ain的电机，如美国通用电气公 司研制 的150 kW 、23 000 r／min 的径向气隙型转子结构航空用稀土永磁发电机，外转子型用于 电动车的7．2 kW 、27 000 r／r ain 的 电机。目前正在研制每分钟几十万转的电机。
3．2 高转矩大功率电机
耐热、高磁性能钕铁硼永磁材料的开发成功将使其在大功率永磁 同步电机中获得重要应用。运输业和工业中诸如电动汽车、混合型(内燃机与电动机并用 )动力汽车、列车、电梯、机床、机器人等，对大功率电动机的需求正在增长。
船舶推动电机要求低速大转矩。德国西门子公司于 1986 年研制 1 095 kW 、230 r／r a in 的六相永磁同步电动机，用于舰船的推进，与过去使用的直流电动机相比，体积可减小 60％左右，损耗可降低 20％左右 。另外 1 760 kW 永磁同步推进电机装于 U．212 潜艇试用，其长度和有效体积与传统的直流推进电机相比减少 40％。瑞士 A BB 公司已经建造了超过 300艘的电力推进船舶最大安装容量达到了2 X 19 MW ，其研制的400 kW 到3 MW 永磁同步电机用于：&Com-paet A~ipod&吊舱式电力推进系统。法国热蒙工业公司1987 年研制的400 kW 、500 r／r a in 永磁电机样机与直流电机相比，体积也减少了40％。1996 年，12相、1 800 kW 、180 r／r a in 永磁推进电机及控制装置已完成研制及所有的实船试验。同年，英国展出了&海航&号轻型隐身护卫舰设计模型。该舰装有两台21MW 永磁同步电机在巡航或隐身时直接驱动螺旋桨。
3．3 微型化
由于钕铁硼永磁 的最大磁能积很高 ，特别是能制成超薄型的永磁体，从而使过去难以制作的超微型和低 惯量 电动机得 以实现 。目前 已开发 出直径几毫米以下的超小型电动机用作医疗微型机器、眼球手术用机器人手臂或管道检 查用机器人等场 合 的驱 动 源。现 已制 成 外 径 0．8 m m 、长1．2 m ln 的世界上最小的永磁电动机。
3．4 高功能化
在高温、高真空度或空间狭小等特殊场合难以使用传统电机 ，而稀土永磁 电机可 以耐高温 (指钐钴或高耐热性钕铁硼磁体)，且体积小，正好能满足这些特 殊要求。宇航 设备 中的机械手 、原 子能设备的检查机器人和半导体制造装置等特殊环境下工作的电动机，需要使用高温电动机和高真空电动机。已开发的有 150 W 、3 000 r／m in，工作在 200oC ～300oC 高温和 133.3 X 10 Pa 真空度环境下的三 相四极永磁电动机 ，直 径 105mm 、长145mm ，采用高温特性好的Sm 2Co 永磁体。
21世纪，科学技术飞速发展，高新技术不断涌现，节电、环保意识 日益增强，使得永磁同步电机发展的前途一片光明，尤其是高性能稀土永磁同步电机及其伺服系统，随其技术的快速发展和日渐成熟，结 构 型式将日趋多样化，也将会赢得更为广泛的发展空间，获得更加广泛的应用。
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电信与信息服务业务经营许可证：粤B2-压缩机永磁同步电机振动降低方案--《国内外机电一体化技术》2016年02期
压缩机永磁同步电机振动降低方案
【摘要】：永磁同步电机因效率高、体积小的优点在空调压缩机中应用广泛。本文以一款存在较大振动的永磁同步电机为例,首先利用Ansoft软件建立6极9槽永磁同步电机模型,运用有限元法对电机径向电磁力进行仿真,确认了引起电机振动的主要电磁力谐波次数。其次,提出了定子齿削角、转子不均匀气隙、提高定子模态频率、转子分段斜极等降低振动的优化方案,并对提出的分案进行对比分析。最后制作样机并测试。结果表明,以上方案可以有效降低电机的振动。
【作者单位】：
【分类号】：TM341
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永磁同步电机的振动与噪音-哈工大
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好好，虽然不懂也顶一下
高级工程师
13:37:12　　
同步发电机为了实现能量的转换，需要有一个直流磁场。而产生这个磁场的直流电流，即为发电机的励磁电流。
高级工程师
13:39:49　　
根据励磁电流的供给方式，凡是从其它电源获得励磁电流的发电机，称为他励发电机，从发电机本身获得励磁电源的，则称为自励发电机。
高级工程师
13:45:27　　
直流发电机供电的励磁方式。这种励磁方式的发电机具有专用的直流发电机，这种专用的直流发电机称为直流励磁机，励磁机一般与发电机同轴，发电机的励磁绕组通过装在大轴上的滑环及固定电刷从励磁机获得直流电流。这种励磁方式具有励磁电流独立，工作比较可靠和减少自用电消耗量等优点，是过去几十年间发电机主要励磁方式，具有较成熟的运行经验。缺点是励磁调节速度较慢，维护工作量大，故在10MW以上的机组中很少采用。
高级工程师
13:51:50　　
交流励磁机供电的励磁方式。现代大容量发电机有的采用交流励磁机提供励磁电流。交流励磁机也装在发电机大轴上，它输出的交流电流经整流后供给发电机转子励磁，此时，发电机的励磁方式属他励磁方式，又由于采用静止的整流装置，故又称为他励静止励磁，交流副励磁机提供励磁电流。交流副励磁机可以是永磁测量装置机或是具有自励恒压装置的交流发电机。为了提高励磁调节速度，交流励磁机通常采用100——200Hz的中频发电机，而交流副励磁机则采用400——500Hz的中频发电机。这种发电机的直流励磁绕组和三相交流绕组都绕在定子槽内，转子只有齿与槽而没有绕组，像个齿轮，因此，它没有电刷，滑环等转动接触部件，具有工作可靠，结构简单，制造工艺方便等优点。缺点是噪音较大，交流电势的谐波分量也较大。
高级工程师
14:06:05　　
无励磁机的励磁方式。在励磁方式中不设置专门的励磁机，而从发电机本身取得励磁电源，经整流后再供给发电机本身励磁，称自励式静止励磁。自励式静止励磁可分为自并励和自复励两种方式。自并励方式它通过接在发电机出口的整流变压器取得励磁电流，经整流后供给发电机励磁，这种励磁方式具有结构简单，设备少，投资省和维护工作量少等优点。自复励磁方式除设有整流变压外，还设有串联在发电机定子回路的大功率电流互感器。这种互感器的作用是在发生短路时，给发电机提供较大的励磁电流，以弥补整流变压器输出的不足。这种励磁方式具有两种励磁电源，通过整流变压器获得的电压电源和通过串联变压器获得的电流源。
高级工程师
14:41:38　　
永磁同步电机可以将电机整体地安装在轮轴上，形成整体直驱系统，即一个轮轴就是一个驱动单元，省去了一个齿轮箱。永磁同步电机的特点主要有以下几种：
(1)PMSM本身的功率效率高以及功率因数高;
(2)PMSM发热小，因此电机冷却系统结构简单、体积小、噪声小;
(3)系统采用全封闭结构，无传动齿轮磨损、无传动齿轮噪声，免润滑油、免维护;
(4)PMSM允许的过载电流大，可靠性显著提高;
(5)整个传动系统重量轻，簧下重量也比传统的轮轴传动的轻，单位重量的功率大;
(6)由于没有齿轮箱，可对装向架系统随意设计：如柔式转向架、单轴转向架，使列车动力性能大大提高。
高级工程师
14:44:22　　
自动调节励磁系统可以看成为一个以电压为被调量的负反馈控制系统。无功负荷电流是造成发电机端电压下降的主要原因，当励磁电流不变时，发电机的端电压将随无功电流的增大而降低。但是为了满足用户对电能质量的要求，发电机的端电压应基本保持不变，实现这一要求的办法是随无功电流的变化调节发电机的励磁电流。
高级工程师
14:50:10　　
发电机与系统并联运行时，可以认为是与无限大容量电源的母线运行，要改变发电机励磁电流，感应电势和定子电流也跟着变化，此时发电机的无功电流也跟着变化。当发电机与无限大容量系统并联运行时，为了改变发电机的无功功率，必须调节发电机的励磁电流。此时改变的发电机励磁电流并不是通常所说的“调压”，而是只是改变了送入系统的无功功率。
14:51:16　　
好资料，互相学习。
高级工程师
14:54:59　　
并联运行的发电机根据各自的额定容量，按比例进行无功电流的分配。大容量发电机应负担较多无功负荷，而容量较小的则负提供较少的无功负荷。为了实现无功负荷能自动分配，可以通过自动高压调节的励磁装置，改变发电机励磁电流维持其端电压不变，还可对发电机电压调节特性的倾斜度进行调整，以实现并联运行发电机无功负荷的合理分配。
高级工程师
15:09:02　　
在改变发电机的励磁电流中，一般不直接在其转子回路中进行，因为该回路中电流很大，不便于进行直接调节，通常采用的方法是改变励磁机的励磁电流，以达到调节发电机转子电流的目的。常用的方法有改变励磁机励磁回路的电阻，改变励磁机的附加励磁电流，改变可控硅的导通角等。这里主要讲改变可控硅导通角的方法，它是根据发电机电压、电流或功率因数的变化，相应地改变可控硅整流器的导通角，于是发电机的励磁电流便跟着改变。这套装置一般由晶体管，可控硅电子元件构成，具有灵敏、快速、无失灵区、输出功率大、体积小和重量轻等优点。在事故情况下能有效地抑制发电机的过电压和实现快速灭磁。自动调节励磁装置通常由测量单元、同步单元、放大单元、调差单元、稳定单元、限制单元及一些辅助单元构成。被测量信号（如电压、电流等），经测量单元变换后与给定值相比较，然后将比较结果（偏差）经前置放大单元和功率放大单元放大，并用于控制可控硅的导通角，以达到调节发电机励磁电流的目的。同步单元的作用是使移相部分输出的触发脉冲与可控硅整流器的交流励磁电源同步，以保证控硅的正确触发。调差单元的作用是为了使并联运行的发电机能稳定和合理地分配无功负荷。稳定单元是为了改善电力系统的稳定而引进的单元 。励磁系统稳定单元 用于改善励磁系统的稳定性。限制单元是为了使发电机不致在过励磁或欠励磁的条件下运行而设置的。必须指出并不是每一种自动调节励磁装置都具有上述各种单元，一种调节器装置所具有的单元与其担负的具体任务有关。
高级工程师
15:13:03　　
自动调节励磁的组成部件有机端电压互感器、机端电流互感器、励磁变压器；励磁装置需要提供以下电流，厂用AC380v、厂用DC220v控制电源.厂用DC220v合闸电源；需要提供以下空接点，自动开机.自动停机.并网（一常开，一常闭）增，减；需要提供以下模拟信号，发电机机端电压100V，发电机机端电流5A，母线电压100V，励磁装置输出以下继电器接点信号；励磁变过流，失磁，励磁装置异常等。
高级工程师
15:18:02　　
励磁控制、保护及信号回路由灭磁开关，助磁电路、风机、灭磁开关偷跳、励磁变过流、调节器故障、发电机工况异常、电量变送器等组成。在同步发电机发生内部故障时除了必须解列外，还必须灭磁，把转子磁场尽快地减弱到最小程度，保证转子不过的情况下，使灭磁时间尽可能缩短，是灭磁装置的主要功能。根据额定励磁电压的大小可分为线性电阻灭磁和非线性电阻灭磁。
高级工程师
15:23:44　　
由于新技术，新工艺和新器件的涌现和使用，使得发电机的励磁方式得到了不断的发展和完善。在自动调节励磁装置方面，也不断研制和推广使用了许多新型的调节装置。由于采用微机计算机用软件实现的自动调节励磁装置有显著优点，目前很多国家都在研制和试验用微型机计算机配以相应的外部设备构成的数字自动调节励磁装置，这种调节装置将能实现自适应最佳调节。
高级工程师
15:31:24　　
获得励磁电流的方法称为励磁方式。目前采用的励磁方式分为两大类：一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统；另一类是用硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励磁系统。
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