图1  在PM永磁电动机的概念下，不同概念区别的简要说明

在能源紧缺的今天，人们所做的一切都是为了降低能耗。那么如何才能降低能耗呢？Danfoss公司的PM电动机以极高的效率为其用户提供了一种有效降低能耗的方法，告诉用户什么才是最合理的。

电力驱动技术是提高机床和设备制造业能源效率的一项关键技术。目前，它是降低能耗最快速而有效的办法。电力驱动系统总的节能潜力分为三大块：首先是提高电动机的效率，这可以实现10%的节能；还有30%是利用转速调节的变频技术；最大的节能潜力则在机床设备的使用运行过程中，而且在采用了变频调节技术之后才有可能实现。机床设备的制造者和使用者一直都在探索新的途径，尝试着利用新的现代化电动机技术和变频调节技术使机床设备具有更高的效率。

提高能效的永磁电动机

根据所需功率不同，机床设备也使用了不同的电动机技术。从生产成本的角度考虑，最大功率小于0.75kW的电动机一般都采用了效率较差的结构形式。随着功率的提高，电动机的结构也采用了所谓的标准三相异步电动机。而这种标准结构形式的一种替代方案就是永磁同步电动机。随着价格的下降和效率的提高，这种永磁同步电动机逐步占领了小功率电动机市场。

一般来讲，永磁励磁的电动机都属于PM（永久磁铁）这一概念的范畴。根据永磁电动机不同的应用领域它也有着不同的类别和缩写名称。在工业应用领域中，通常称之为PMSM（永磁同步电动机）；在建筑自动化技术领域，今天通常把它称之为BLDC（直流无刷同步电动机）；在实践中，用户往往又将其称之为EC电动机（电子整流电动机）（图1）。

功率越大，效率越接近

所有这些PM永磁电机都有着一个共同点：必须利用调节技术来驱动电机。当然也开发了一些可以直接在电网中运行的永磁电机类型，但它们却需要一个辅助绕组：一个价格高昂且效率低下的辅助绕组。在使用了永久磁铁之后，一般情况下其效率可比三相异步电动机提高1%~10%。效率提高的多少与三相异步电动机的质量等级和功率范围有关。随着电动机的功率提高，两种电动机的效率会越来越接近。一些电动机生产厂家公布的数据显示，当功率范围在1kW以下时，制造商们都希望使用低效的罩极电动机或者其他电压控制的电动机。而在这些应用中，节能潜力是非常大的。

因此，无论是EC电动机或是PM电动机，都意味着使用永磁同步电动机已经成为一种发展趋势。但是，无论是哪一类型的电动机，都有其各自的优缺点。在下面的介绍中，EC这一概念代表BLDC；PM则代表PMSM电动机以及它们的变型产品。

在欧洲，欧盟委员会颁布的EG 640/2009号标准就是针对(最低能效性能标准=MEPS)三相异步电动机的。在2017年之前，该标准对电动机的效率提出了更高的要求。引进MEPS标准非常有利于节能工作。但是这一指标只适用于欧盟指令颁布后新生产的三相异步电动机。

图2  在部分负荷工况下三相异步电动机的效率下降最为明显。PM永磁电动机和EC电动机则有着更高的效率

无需励磁绕组的永磁励磁电动机

作为高等级要求IE3级的替代方案，欧盟指令规定了可以使用变频器供电的IE2级电动机，因为转速的调节往往是提高能效的一个重要因素，可以节约大量能源。事实上，IE3级以上三相异步电动机的效率优化是一件技术含量极高且需要耗费大量资源和费用的事情。除上述方案外，EC电动机和PM永磁电动机也成为IE3级电动机的理想替代方案。一方面，是因为当前缺少相关的技术标准；另一方面是因为它们有着很高的效率，可以降低用户的运行费用（图2）。

以EC电动机为例，可以说明所有永磁电动机和励磁电动机的情况。工业领域使用的EC电动机多是功率最大至300W的24V直流电动机，通常用作调节电动机或者步进电动机。

现在EC电动机也进入通风排气技术领域，并且很容易就代替了原来效率低下的罩极电动机。然而EC电动机的生产商们仍然在对这一产品进行着优化和开发，希望它能够传递更大的功率。现在，已经开发出功率高达6kW的EC电动机了。由于在电动机内使用了永久性的磁铁，因此永磁电动机无需单独的励磁线圈。但要求调节器始终能够知道转子当前的位置。在确定转子当前位置时常用的方法有两种。其一是利用位置反馈：即利用编码器采集当前的位置信息。这种工作方式的典型名称是闭式循环。其二是不用位置反馈：电动机不带有位置反馈装置，调节控制系统必须计算当前的旋转角度。这是利用对电动机电流的测量和电流的分析来实现的。一般情况下把这种工作方式称之为开式循环或者无传感器技术。

正弦换相的永磁同步电动机

同属永磁电动机类别的EC电动机与PM永磁电动机的根本区别在于它们生成反电动势的方式不同。反电动势帮助电动机按照发电机的工作方式进行工作。为了能够对这样的电动机进行最佳监控，永磁电动机控制调节器就必须使供电电压的波形尽可能接近反电动势的电压波形。

由于EC直流无刷电动机的反电动势的梯形波不是理想的梯形波，因此它要利用合适的控制调节方式，即所谓的梯形换相来供电。PMSM有着正弦波形的反电动势，是利用正弦波形电压工作的（正弦换相）。

由于梯形换相的种种不足和缺陷，如扭矩脉动、很高的铁损或者很高的噪声，因此逐步被使用正弦换相的EC电动机所取代。

图3  内转子式的永磁电动机：旋转的转子在定子的内部

EC电动机与PM永磁电动机之间的区别

EC电动机与PM永磁电动机之间的另一个区别是其转子位置的确定方法。常规的工业编码器，如Resolver或者SinCos编码器，在EC电动机生产厂里大多都是按照霍尔传感器的原理来生产制造的。随着科技的发展进步逐步出现了一些开式循环的、也就是不适用位置反馈技术的电动机。从效率来讲，EC和PM两种电动机是处于同一水平的。两者最大的区别在于结构上的不同。EC电动机的结构更加紧凑，采用外转子设计，且集成了电子调节技术。而PM电动机采用了内转子结构，旋转的转子在定子内部（图3）。

调控方法和对负载的作用

与EC电动机不同，PM永磁电动机保持着传统的内转子结构形式。除了动态性能优化了的伺服电动机之外，一些生产厂家还提供符合IEC标准的PM永磁电动机。由于PM永磁电动机有着明显高于异步电动机的功率密度，因此在电机额定功率相同的情况下其外形尺寸可以小两个规格型号。

EC电动机的一个优点是电气技术相对简单且经济性好。另外，由于它较低的循环频率使得生产厂家可以在很高的开关损耗情况下有着更加经济的IGBT模块。为了能够经济的使用这种驱动装置电子控制模块，电动机应能产生梯形波反向电压。与梯形波的差异会造成很高的损耗和扭矩波动。

此驱动装置的工作状况与所使用的调节算法语言和所需的电子微处理器运算能力，与PM永磁电动机的控制技术一样。这也使得费时费力开发出来的PM永磁电动机的控制器有着众多优点。在实践中，生产厂家的设计决定了电动机系统的性能。因此，它没有如异步电动机转速-扭矩特性曲线这样的“设计规定”的工作状况了。三相异步电动机直接在电网中按照特定的性能曲线工作，而这一特定的性能曲线在电动机的设计时就已经确定下来，基本上是无法改变的。而没有电子控制器的EC或者PM电动机则不能直接在电网中运行；电子控制器和它的算法语言决定了系统的承载特性。

效率取决于应用和功率

永磁同步电动机因其很高的效率非常适合于在节能优化的机床设备中使用。通过EC电动机（BLDC）的使用，这一技术已经在楼宇自动化监控领域中得到应用，尤其是在小功率范围内，它的效率优点非常突出。

与正弦波反电动势的PM相比较，随着电机功率的提高，产生梯形波反电动势的EC无刷直流电机显得有些逊色。也正因如此，电动机研发工程技术人员开发了PM正弦波形反电动势的永磁电动机，代替了EC电动机。在实践中，要清清楚楚的区分EC电动机与PM电动机往往显得过于学究气了。现在关注的问题是外转子和内转子结构形式的优缺点，关注的是变频器集成在电机内部，还是单独外置。

将来，主要电动机类型将会有三种：小功率范围（大约0.55~0.75 kW）内带电子控制器的EC电动机；中等功率范围（大约11~22 kW）内采用内置或者外置调节技术的PM电动机以及更大功率中带调节器的三相异步电动机。

要想准确的估计不同电动机之间的功率界限几乎是不可能的，而且各个功率档次之间的过渡肯定是相互交叉重叠的。电动机和其调节控制技术共同作用下，电动机系统的性能是用户选择电动机的重要因素。因此，除原材料价格，如铜价和永久磁铁价格外，最大程度的提升电机效率就成为三相异步电动机生产商发展的重中之重了。

在提升电机能效方面，欧盟一直走在世界前列，2011年6月16日，其针对低压电机制定的最低能效标准法规开始生效，这是其提升电机能效的又一里程碑。

根据国际能源署的最新统计，工业用电占全球电力总消耗的约42%，其中2/3被工业电机所消耗。因此，该法规对提升电机能效、降低能源消耗意义重大。

据悉，该新法规涉及大部分功率介于0.75~375kW、频率为50Hz和60Hz的两级、四级和六级交流电机。在第一阶段，即从2011年6月16日起，新法规所涉及的这些电机在欧盟市场上出售时，都必须至少达到国际能效等级2级（IE2）标准。第二阶段将从2015年1月起实施，要求输出功率在7.5kW以上的电机必须达到IE3能效等级，或者在达到IE2等级的同时加装变频器。第三阶段将从2017年1月起实施，涉及范围扩展到输出功率在0.75kW以下的电机，它们必须达到IE3能效等级，或者在达到IE2等级的同时加装变频器。

虽然新法规只在欧洲市场执行，但中国、澳大利亚、巴西、加拿大等国家也已经实施了类似的能效法规。美国从2010年底开始执行相当于IE3等级的NEMA Premium（美国全国电器制造商协会高效率）标准。