第1章 绪论
　　1.1 研究背景和意义
　　1.1.1 永磁同步电机发展简史
　　20世纪以来，随着交流电机迅速发展的需要与业界对永磁材料构成和制造技术研究的不断深入，永磁材料的最大磁能积上限不断提高，永磁同步电机（permanent magnet synchronous machine，PMSM）逐渐成为电机应用领域的宠儿。相较于普通同步电机，永磁同步电机摒弃了利用三相对称交流电产生空间旋转磁场的励磁方式，使用稀土钴永磁、钕铁硼永磁等稀土永磁材料进行励磁，称为“永磁”。结构方面，永磁同步电机和普通同步电机差别不大，前者转子部分采用永磁体进行励磁，不再使用励磁绕组、电刷、滑环等部件，使电机结构得到了简化。
　　进入20世纪下半叶，永磁同步电机的设计和理论研究均迎来一个新的发展时期，有关永磁同步电机的电磁暂态过程、材料利用分析、本体冷却技术等理论不断完善，单机容量、功率密度等理化指标明显提高，新型和特种永磁同步电机发展迅速。时至今日，永磁同步电机从发电厂、变电站等电气一次行业，到机器制造、冶金轧钢、矿物勘探、铁路运输等重要国民经济生产领域，乃至航空航天、战机战舰、高功率电磁发射等国防科工领域，均有重要应用。
　　永磁同步电机是许多高新技术产业的基础，与电力电子学科结合，加之精准的控制技术，其发展前景十分光明。现代化机械装备大多要求机电一体化、高效节能化，永磁同步电机由于具有永磁材料的天然优势，在需要高转速、高精度、高可靠性电机的诸如移动电站、自动化备用伺服系统、数控机床、机器人等场合的应用方兴未艾。未来永磁同步电机如果想在单机容量、系统效率、功率密度等指标上取得更大的提升，一些前沿技术，如高温超导技术，将是永磁同步电机设计取得重大突破的希望所在。 高温超导变压器的研制已经实现，高温超导永磁同步电机也都处于紧锣密鼓的设计之中。与此同时，使用新原理、采取新结构、加入新工艺的各类新型和特种永磁同步电机的发展仍方兴未艾，应用于各种极端场景的电机也不断出现。过去的几十年间，世界各国涌现出大量融合电力电子技术和计算机辅助设计的永磁同步电机驱动策略和控制算法，智能化电机和智能化电力传动的理念也逐渐深入到永磁同步电机设计和控制工作中。一言以蔽之，新时代的科技发展必然是多学科融合的结果，任何领域的突破都离不开不同学科交叉耦合的作用。随着学术界和工业界交流的不断深入，传统工科和基础学科前沿理论的不断融合，永磁同步电机的设计和控制在21世纪踏上了全新的台阶。
　　1.1.2 永磁同步电机应用场景
　　1. 电动汽车领域
　　电动汽车和新能源技术的发展对“碳达峰碳中和”伟大目标的实现具有重要意义。在电动汽车中，驱动电机的负载性能及控制系统的完善程度将直接影响整车的安全可靠性与驾驶体验。永磁同步电机的控制技术是电动汽车的核心技术之一。永磁同步电机的设计理论和制造技术已经相对成熟，而有关其在电动汽车应用中的控制方法与系统仍然是当下热门的研究方向之一。电动汽车对驱动电机系统的性能要求主要包括：①输出特性优良，如拥有低速大转矩和高速恒功率的输出特性；②高效率的能量回收，即在电动汽车制动时将动能回收，为蓄电池充电，转换为电能；③减小运行噪声、适应恶劣环境等一系列传统设计理念。传统的同步电机或异步电机很难同时满足电动汽车对驱动电机的各项要求，而永磁同步电机由于其具有高工作效率、高功率因数、高可靠性、冷却系统结构简单、噪声小、后期维护成本低等显著优点，被大多数车企所采用。
　　此外，为解决传统电动汽车单电机驱动效率低下的问题，有关电动汽车的新型轮毂电机驱动系统得以问世。在该系统中，将永磁同步电机安放在车轮内，即使用车轮所载电机为整车提供动力，避免了传统汽车复杂的机械传动系统。电动汽车的永磁同步电机轮毂驱动技术实现了对车轮的点对点控制，不仅可以使汽车动力得到合理分配，还将控制系统简单化，使系统响应更加迅速，降低了无谓的动力损耗，同时为汽车整体空间的设计提供了更多可能。
　　2. 轨道交通领域
　　目前，由于永磁同步电机具有功效高、节能效果显著、噪声小等优点，轨道交通领域的先进机车多采用永磁同步电机做牵引系统。2018年1月23日，中车永济电机有限公司与西安地下铁道有限责任公司联合开发的永磁同步牵引系统成功装车，预计每年可节省电费2100万元左右，经济效益非常可观。中车永济相关负责人接受采访称，永磁牵引系统具有更加高效节能、更加轻量化和更低的全寿命周期成本等特点，其产品具有体积小、效率高、转速平稳、可靠性高等优势，更适用于城市轨道交通工具。与装配异步牵引系统的列车相比，装配永磁牵引系统的列车综合节能率达30%。因此，研究开发永磁同步牵引系统，具有良好的社会效益和经济效益。
　　3. 船舶推进领域
　　船舶电力推进系统主要由原动机、电能储存分配系统以及推进组件三大子系统构成，其中推进组件包括推进电机和变频调速装置，是船舶电力推进电机系统中的关键子系统。变频调速装置控制调节推进电机的转速，进而控制船速，推进电机带动螺旋桨，为船舶提供动力。船舶动力装置突出的特点是需要在较大的负荷范围内稳定工作，不仅螺旋桨转速变化大，而且船舶的载荷变化也较大，还有风浪流、污底等随机因素的影响，另外还需要考虑节能减排和动力输出的平顺稳定，因此推进电机的变频驱动控制系统不仅需要快速的动态响应，还需要良好的稳态性能。当前船舶的推进系统中，推进电机多数为异步电机和永磁同步电机。
　　随着稀土永磁材料的设计制造技术不断成熟，永磁同步电机凭借其结构简单、能量损失小、工作效率高等优点逐渐成为船舶电力推进电机的首选。
　　4. 国防科工领域
　　植入了稀土永磁材料的永磁同步电机拥有更大的输出转矩，并且拥有高可靠性和很好的容错性能，因此在航空航天领域有重要应用。此外，永磁同步电机应用于军用通信设备，如激光测距仪、雷达和战车制造及军用弹道计算机等，还应用于武器制造，如火炮、导弹、坦克、舰艇及火箭等。永磁电机由于具备寿命长、高速、高效及耐冲击等特性，未来在国防科工领域将得到更为广泛的应用。
　　5. 工业伺服领域
　　高精度伺服控制系统（如数控机床、工业机器人、纺织机械）的伺服电机在工业自动化领域的运行控制中扮演十分重要的角色，应用场合的不同对伺服电机的控制性能要求也不尽相同。实际应用中，伺服电机有各种不同的控制方式，如转矩控制、电流控制、速度控制、位置控制等。伺服电机系统也经历了直流伺服系统、交流伺服系统、步进电机驱动系统等不同阶段，直到永磁电机交流伺服系统的出现。近年来，各类自动化设备、自动加工装置和机器人等绝大多数工业伺服系统均采用了永磁同步电机的交流伺服系统。伺服系统的一个基本性能要求是：有足够大的调速范围及足够强的低速带载性能。永磁同步电机恰是这一要求下最理想的伺服电机。在中小容量高精度的电力传动领域，业界广泛采用以在转子上加永磁体的方法来产生磁场的永磁同步伺服电机，其主要优点在于电机结构简单和可在使用中节约电能。
　　6. 电力装备领域
　　传统的风力发电机组中，经常使用齿轮箱连接风力机和发电机。其原因在于，发电机转速较高，而风力机一般转速较低，因此两者需要使用齿轮箱相连接，使得能量从风力机的低速旋转状态转移到发电机的高速旋转状态。但使用齿轮箱主要有两方面的缺陷：①齿轮箱中的齿轮在旋转时不可避免地会产生一定的机械摩擦，造成无谓的能量损耗；②风电机组多安装在深谷、荒滩、海上等人迹罕至的偏远地区，带有齿轮箱的风电机组不得不安排人手定时维护保养，对后期维修成本和人力资源的要求都比较高。因此，可省去齿轮箱的永磁同步电机风力发电机组受到人们的青睐。永磁同步电机采用永磁体结构，无需外部励磁，省去了电刷和滑环，简化了系统结构，提高了可靠性和发电效率。而且永磁结构比电励磁结构更适合作多极低速结构，极矩小，电机体积和质量也相对较小，所以永磁同步电机在风力发电机组中的应用成为当下的热门研究和应用方向。
　　7. 农业生产领域
　　在世界各国的农业生产生活中，传统的水泵、脱粒机及农副产品加工机械中常用异步电机，原因是异步电机硬件成本比较低，且控制方式较为简单。但是，当异步电机运行在非额定状态时，其系统效率明显变低，且能耗较高。因而可用永磁同步电机代替传统的异步电机，降低其系统功率损耗。如此，在宽速范围内调速时，永磁同步电机可以实现节能减排，符合我国双碳目标的要求，进而抵消采用永磁材料后造成的电机成本提高。
　　必须指出，并非所有的永磁同步电机都必须使用稀土永磁材料，应用在上述农业生产领域中时，所采用的永磁同步电机可以使用低成本的铁氧体永磁材料。