摘要：永磁同步电机基于节能高效、结构相对简单、体积小、运行平稳可靠，将来可广泛应用于家电、航空、医疗器械、电梯以及汽车等领域。中国因拥有丰富的稀土资源，对以此为永磁材料的永磁同步电机更进一步的技术研究，意义重大深远。近年来，内置式磁路结构的设计、仿真及控制等技术日渐成熟，永磁同步电机因具有独特的技术优势，社会需求日益增加，技术发展更加深入，应用前景广阔。
关键词：永磁同步电机,技术优势,应用前景
近年来世界能源紧张问题明显，最大能源消费的中国更加突出，政府重视节能减排，对于设备和技术研究给予资金支持。由于永磁同步电机在设计环节中改进，具有更为小巧的传动系统，减少能耗，提升了效率，平均节电率高大10%以上[1]。同时优化其他元器件的设计，使设备的稳定性得到明显的改善，优越的性能，在各领域应用中日益体现，是一种当前最有发展潜力的电机技术。
1 研究高速永磁同步电机的意义
节能、高效、量轻是永磁同步电机拥有的独特优势，因具有巨大的发展潜力，广阔的应用领域，自然成为电机行业发展的风向标。转子、定子、机座及端盖等部件是组成部分，永磁体、转子铁心及转轴构成转子。目前永磁体使用最常见的稀土永磁材料是汝铁硼，稀土资源最多的是我国，大约占世界的80%储存量，中国当前资源相对缺乏条件下，对永磁同步电机进行技术研究，对于促进我国经济的发展，影响意义重大。
2 永磁同步电动机技术发展的基础
2.1 高性能稀土永磁材料的发现
钕铁硼是目前应用得最为广泛，它的发展推动了永磁电机的发展。相比于传统的电励磁三相感应电机，电激磁磁极被永磁体代替，结构得到简化，没有了转子的滑环及电刷，无刷结构得到完成，转子体积变小，大幅度提高电机功率密度、转矩密度及工作效率。
2.2 新型控制理论的获得应用
由于矢量控制算法很好地解决了交流电机的驱动策略理论问题，交流电机于是具备了比较完善的控制性能。直接转矩控制方法的实现，控制结构变得更为简单，同时对参数变化具备电路棒、性能强及转矩动态响应迅速的特性。间接转矩控制方法的实现，顺利解决了直接转矩在低速时转矩脉动大的问题缺陷，提升了电机的转速及控制精度。
2.3 高性能电力电子器件及处理器的应用
信息和传统产业是通过现代电力电子技术得以连接，在弱电和被控强电之间的起到桥梁作用。由于电力电子技术的发展完善，导致驱动控制策略的完成实现。20世纪70年代的通用变频器系列产品，可把工频电源改变为变频电源，由于频率具有连续及可调特性，使得同步电动机的启动问题得以解决。
3 永磁同步电动机技术优势
3.1 设计技术
内置式结构设计由于存在高效率、大功率、大密度单位功率、强大的弱磁扩速及快速的动态响应能力，它自然是驱动电机的最佳选择。永磁电机的所有励磁磁场来源于永磁体，齿槽转矩导致电机工作时的震动及噪声增大。齿槽转矩过分增大可导致电机速度控制系统的低速性能受到影响，同样也影响到位置控制系统的高精度定位，因此，在进行电机结构设计时，应该采取电机优化方法，尽可能缩小齿槽转矩。减小齿槽转矩，目前常见是通过以下方法来实现的，更改极弧系数，缩小定子的槽口宽度，斜槽、极槽配合，变更磁极位置、尺寸及形状等。值得注意的是，缩小齿槽转矩，电机的其他性能有可能受到影响，常见的如，电磁转矩有可能相应变小。因此在结构设计时，各种因素必须尽可能做到平衡，使得电机性能实现最大化。电机的磁路结构及尺寸、永磁体体积的估算、定子的设定、转子于冲片及绕组的数据是确定永磁同步电机电磁设计方案的难点及关键，运用旋转电机磁场数值解析法，电磁场解析法及电磁场数值计算法，可做到优化设计[2]。
3.2 仿真技术
由于永磁体的存在，在给电机的计算参数设计时有了难度，例如空载漏磁系数的设计及极弧系数的设计。计算优化永磁电机的各种参数，通常采取有限元分析软件方法进行，它能精确计算电机参数，在分析电机参数对性能的影响时，凭借它同样也存在极高的可信度。
3.3 控制技术
在工业控制领域方面，完善发展技术从而提升电机驱动系统性能，一样存在着重大意义，它让系统的性能驱动实现最佳状态，基本特性表现在比较低的速度情况下，特别是在快速启动及静止加速等情形中，可以完成较大转矩输出；在高速运行状态，使得大范围内的恒功率调速控制的目标得以实现。
4 永磁同步电动机的未来发展趋势
国内外近阶段，在永磁同步电机本体基础上涌现了不少高端电机，六相永磁同步电动机为典型代表，应用于舰船动力的提供，相比传统的直流电机，体积缩小了60%左右，损耗也大约减少20%；在舰船推进使用的永磁同步电机安装容量最大功率可达38MW；我国目前已经成功研制了功率达到3MW的高速永磁风力发电机。调速范围变得更大及进一步提高精度控制是永磁同步电机目前发展趋势，具备高性能的永磁材料自然引起广泛重视。目前，永磁同步电机的技术研究变得日益成熟，正朝高速度，大转矩、大功率、高效率以及微型化、智能化趋势发展[3]。永磁同步电机还有一些技术瓶颈依然无法突破，(1)控制问题，永磁发电机要通过外部来调节改变其输出电压及功率因数是非常困难的，永磁直流电动机不能再用改变励磁的办法来调节其转速。(2)退磁问题，稀土永磁电机对于工作环境要求比较苛刻，如果温度超过180℃的稀土永磁材料将发生不可逆的退磁及失效；剧烈振动或较大温差易产生断裂现象；材料也易受到氧化腐蚀，需要表面涂装；同时不耐受过载，一旦发生将发生退磁。(3)成本问题，稀土永磁价格相对比较昂贵，成本通常高电励磁电机，必须通过发挥它的高性能及节省运行费用方法来得以补偿，故永磁电机在小功率的方面应用比较适合。比如，想解决此类问题，实现技术的升级及广泛应用，国家还必须鼎力扶持和投入足够量的科研经费。
5 永磁同步电机技术的市场应用及前景
5.1 大功率机械设备
研究朝着列车、新能源汽车、电梯、机器人等机械设备方向发展。当前我国新能源客车大部分使用交流异步电机，而新能源乘用车基本使用永磁同步电机。以往一部分企业驱动电机曾经使用的是开关磁阻电机，目前次项技术已渐被市场淘汰，我国未来在新能源汽车驱动电机选择上，主流是采用永磁同步电机。
5.2 航空领域
稀土永磁双凸极结构电机是基于开关磁阻电机而研发出来的一种新型的电机，由于定子或转子被植入了稀土永磁体，使其拥有更大的输出转矩，且存在着高度的可靠性和容错性，所以能够在航空领域中显示出良好的应用前景，特别是稀土永磁电机。除此之外，稀土永磁具备了无刷直流电机的优势，如高度可靠性、体积重量变小及具有大功率等，显着提高了在航空领域上的应用速度，功能及性能均朝着更为高级方向发展。
5.3 宇航设备
磁同步电机所用材料因有耐高温的特性，同时体积小，故非常适应高温、真空等特殊环境需求。适合应用于宇航设备的机械中，成为将来技术重要的一个研究方向。
5.4 医疗器械
由于永磁同步电机寿命长、噪音低和体积小的特性，很适合延伸应用到手术用机器人及微型医疗机器等医疗设备方面，也成为该电机的一个技术研究的重要方向。近阶段，随着医疗器械产业快速发展，对于医疗器械用的永磁电机产品市场需求量显着增加，其市场发展受益匪浅。
5.5 国防军工
应用于军用通信设备方面有激光测距仪设备、雷达和战车制造及军用弹道计算机等，应用于武器制造方面有火炮、导弹、宇宙飞船、人造卫星、飞机、坦克、舰艇及火箭等。在将来较长的时间内，我国的军费预算将维持比较快增速，永磁电机具备的寿命长、高速、高效及耐冲击等特性，未来在国防军工领域将得到广泛应用，前景十分广阔。
5.6 金融机具
多见的有ATM机及纸币售货机等自动机器，还有一些高精尖的银行点钞机和捆钞机等设备。金融机具在金融信息化中存在不可替代作用，由于内涵及外延的持续扩大延伸，它的地位同样持续提升，应用市场的发展势头也能够得到良好保持。
结束语
永磁同步电机的特点是节能高效、结构相对简单、体积小、运行平稳可靠。近年来，内置式磁路结构的设计、仿真及控制等技术日渐成熟，永磁同步电机因具有独特的技术优势，社会需求日益增加，技术发展更加深入，在家电、航空、医疗器械、电梯以及汽车等领域的方面具有广阔的应用前景。
参考文献
[1]陈义中．稀土永磁同步电机取代普通电机的节能改造[J]．电机技术，2017,(2):42~43.
[2] 高峰．永磁同步电机设计关键技术与方法研究[J]．工程技术（引文版），2017,6(1):162.
[3]王建设，徐荣，孙友增．永磁同步电动机发展现状综述[J]，科技与创新，2016,(16):5~6.
