IND4新能源丨浅析永磁同步电机的性能提升

永磁同步电机在新能源汽车行业的兴起似乎成了必然 ，而在此过程中也暴露出了一些问题 。本文将介绍永磁同步电机在进一步提高性能过程中所要解决的几个问题 。

1.成本问题

相对于异步电机 ，永磁同步电机最大的成本增加来自于永磁材料 ，或者说稀土永磁材料 ，其成本占整台电机材料成本近1/4以上 。以钕铁硼材料为例 ，特斯拉Model3将会采用永磁同步电机的消息成为钕铁硼板块的最重要催化因素 ，价格不断攀升 。钕铁硼行业开始出现因购买不到原材料而停产的现象 ，且下游钕铁硼的价格开始快速上涨 。相关机构认为 ，磁性材料将继锂 、钴之后 ，成为新能源汽车第三大重要的上游原材料 。

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 。

2.弱磁调速问题

随着电机调速控制理论 、电力电子和微电子技术的迅速发展以及永磁材料性能价格比的不断提高 ，永磁同步电动机的变频调速进入了深入研究和广泛应用的阶段 。与此同时 ，对永磁同步电动机的调速控制性能也提出了更高的要求 ，高性能的永磁同步电动机调速系统除了要有良好的转矩控制性能外 ，还应具有较宽的调速范围 。随着永磁同步电动机转速的增加 ，电机定子绕组的反电动势必然升高 ，当反电动势达到电机的额定电压或是逆变器的直流侧电压时 ，电机的输入电流将不能跟踪控制器的输出给定电流 ，电流调节器处于饱和状态 。此时 ，要设法减小永磁同步电动机的反电动势 ，即采用弱磁控制以达到扩速的目的 。

理论上 ，弱磁控制可以实现永磁同步电动机在低速时能输出恒定转矩 ，高速时能输出恒定功率 ，有较宽的调速范围 。较强的弱磁性能能够在逆变器容量不变的情况下提高系统性能;或者说在保持系统性能不变的前提下降低电机的最大功率 ，从而降低逆变器的容量 。目前 ，高倍速下的弱磁调速依然有很大的进步空间 。

3.退磁问题

钕铁硼永磁材料由于具有较高的最大磁能积 、剩磁和矫顽力 ，而被广泛应用于永磁电机 。但是 ，钕铁硼永磁材料最突出的不足之处是热稳定性差 ，其居里温度一般为310～410℃左右 。下图为钕铁硼永磁材料在不同温度下的退磁曲线 。

这种热稳定性缺陷增加了永磁电机设计的复杂性 ，也降低了电机运行的可靠性 。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退磁 。

4.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 。这个问题随着MOSFET 、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 ，由于永磁同步电机本身具有一定非线性、强耦合性和时变性 ，同时以永磁同步电机作为执行元件的永磁交流伺服系统 ，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  ，这些原因使得永磁同步电机的控制难上加难 。

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