眾所周知，DC電機具有優良的控制性能，其機械特性和調速特性為平行直線，這是各種交流電機所不具備的。此外，DC電機還具有起動轉矩大、效率高、調速方便、動態特性好等特點。出色的控制特性使DC電機在70年代以前有調速控制要求的很長壹段時間裏幾乎是唯壹的選擇。然而，DC電機結構復雜，其定子有勵磁繞組來產生主磁場。對於大功率DC電機，通常安裝換向極來改善電機的換向性能。電樞繞組和換向器放在DC電機的轉子上，DC電源通過電刷和換向器將DC功率送入電樞繞組並在電樞繞組中轉換成交流電，即機械電流換向。復雜的結構限制了DC電機體積和重量的進壹步減小，特別是電刷與換向器的滑動接觸造成機械磨損和火花，使得DC電機故障多、可靠性低、使用壽命短、維護工作量大。換向火花不僅引起換向器的電腐蝕，而且是壹種無線電幹擾源，會給周圍的電氣設備帶來不良影響。電機容量越大，轉速越高，問題就越嚴重。因此，普通DC電機的電刷和換向器限制了DC電機向高速、大容量發展。
在交流電網上，人們也廣泛使用交流異步電動機拖動工作機械。交流異步電機結構簡單、運行可靠、壽命長、成本低、維護簡單。但與DC電機相比，調速性能差，起動轉矩小，過載能力低，效率低。其旋轉磁場的產生需要從電網中吸取無功功率，因此功率因數較低，尤其是在輕載時，大大增加了線路和電網的損耗。長期以來，在不需要調速的場合，如風機、水泵和普通機床的驅動，異步電機壹直占據主導地位。當然，在這種行駛中，無形中損失了大量的電能。
以前電傳動中很少有彩色同步電機。主要原因是同步電機在電網電壓下不能自啟動，在旋轉磁場的作用下，靜止轉子磁極的平均轉矩為零。也知道變頻電源可以解決同步電機的啟動和調速問題，但是在70年代以前，變頻電源是壹個想都不敢想的設備。因此，在過去，同步電機很少被用作電力驅動的原動機。在大功率範圍內，偶爾有同步電動機運行的例子，但它經常被用來提高大型企業的功率因數。
自20世紀70年代以來，科學技術的發展極大地促進了同步電動機的發展和應用，原因如下:
1，高性能永磁材料的開發
近年來永磁材料發展迅速，主要有鋁鎳鈷、鐵氧體和稀土永磁三大類。稀土永磁包括第壹代釤鈷1: 5，第二代釤鈷2: 17，第三代釹鐵硼。鋁鎳鈷是20世紀30年代研制成功的永磁材料。雖然它具有剩磁感應強度高、熱穩定性好等優點，但矯頑力低，抗退磁能力差，且需要昂貴的金屬鈷，大大限制了它在電機中的應用。鐵氧體磁體是20世紀50年代初發展起來的永磁材料。它最大的特點是價格低，矯頑力高，但缺點是剩磁感應強度和磁能積低。釤鈷稀土永磁材料於60年代中期問世。它具有與Al-Ni-Co相同的高剩磁感應強度和比鐵氧體更高的矯頑力，但Sm-RE材料的價格較高。NdFeB稀土永磁材料出現於20世紀80年代初，具有高剩余磁感應強度、高矯頑力和高磁能積，這些特性特別適合在電機中使用。它們的缺點是溫度系數大，居裏點低，容易氧化生銹，需要鍍膜。經過幾年的不斷改進，這些缺點大部分都克服了。目前釹鐵硼永磁材料的最高工作溫度可以達到180℃，壹般也可以達到150℃，足以滿足大部分電機的要求。表1顯示了各種永磁材料的性能對比。
表1各種永磁材料的性能對比
永磁材料的發展極大地促進了永磁同步電機的發展和應用。在同步電機中用永磁體代替傳統的電磁極的優點如下:
用永磁體代替電磁極，簡化了結構，取消了轉子的滑環和電刷，實現了無刷結構，減小了轉子的體積。省去了勵磁DC電源，消除了勵磁損耗和發熱。目前，大多數中小功率同步電機都采用了永磁結構。
2.電力電子技術的發展極大地促進了永磁同步電機的發展和應用。
電力電子技術是信息產業和傳統產業的重要接口，是弱電和可控強電之間的橋梁。從58年世界上第壹個功率半導體開關晶閘管發明至今，電力電子元器件經歷了第壹代半控晶閘管、第二代具有自關斷能力的半導體器件(大功率晶體管GTR、可關斷晶閘管GTO、功率場效應晶體管MOSFET等。)和第三代復合場控器件(絕緣柵功率晶體管IGBT、靜電感應晶體管SIT、MOS控制晶體管MCT等。)直到90年代出現第四代功率集成電路IPM。半導體開關器件的性能不斷提高，容量迅速增加，成本大大降低，控制電路日趨完善，極大地促進了各種電機的控制。20世紀70年代出現了通用變頻器系列產品，可以將工頻電源轉變為頻率連續可調的變頻電源，為交流電機變頻調速創造了條件。這些變頻器在頻率設定後具有軟啟動功能，頻率會以壹定的速率從零上升到設定頻率，且上升速率可在較大範圍內任意調節，為同步電機解決了啟動問題。對於最新的自同步永磁同步電機，由高性能功率半導體開關組成的逆變電路是其控制系統必不可少的功率環節。
3.大規模集成電路和計算機技術的發展徹底改變了現代永磁同步電機的控制集成電路和計算機技術。它是電子技術發展的代表，不僅是高科技電子信息產業的核心，也是許多傳統產業改造的基礎。它們的快速發展促進了電機控制技術的發展和創新。
20世紀70年代，人們提出了交流電機矢量控制的概念。該理論的主要思想是通過坐標變換將交流電機電樞繞組的三相電流分解為勵磁電流分量和轉矩電流分量，從而使交流電機可以模擬成DC電機來控制，並獲得DC電機那樣良好的動態調速特性。這種控制方法已經成熟，並成功應用於交流伺服系統中。由於這種方法采用坐標變換，對控制器的運算速度、數據處理能力、實時控制和控制精度提出了很高的要求，單片機往往不能滿足要求。近年來，各種集成數字信號處理器(DSP)發展迅速，性能不斷提高。軟件和開發工具越來越多，出現了專門用於電機控制的高性能低成本DSP。集成電路和計算技術的發展對永磁同步電機的控制技術起到了重要的推動作用。
二、永磁同步電機的運行控制方法
永磁同步電機的運行可分為外同步和自同步。永磁同步電機采用獨立變頻電源供電，同步電機的轉速嚴格隨電源頻率變化，這就是外同步永磁同步電機的運行。開環控制中經常使用外部同步操作。由於速度和頻率有嚴格的關系，這種運行方式適用於多臺電機要求嚴格同步運行的場合。比如紡織工業中的錠子驅動，傳送帶中的輥筒驅動等場合。因此，可以選擇大容量變頻器同時為多臺永磁同步電機供電。當然，逆變器必須能夠軟啟動，輸出頻率可以由低到高逐漸提高，以解決同步電機的啟動問題。
所謂自同步永磁同步電機，其定子繞組產生的旋轉磁場的位置由永磁轉子的位置決定，能自動與轉子磁場保持900°的空間角度，以產生最大的電機轉矩。旋轉磁場的轉速嚴格由永磁轉子的轉速決定。這樣運行的永磁同步電機不僅需要逆變器開關電路，還需要能夠檢測轉子位置的傳感器。逆變器的開關操作，即永磁同步電機定子繞組獲得的多相電流，完全由轉子位置檢測裝置給出的信號控制。這種定子的旋轉磁場由定子的位置決定的運行方式，就是自同步永磁同步電機運行方式，是從20世紀60年代後期發展起來的壹種新方式。從原理分析可以看出，自同步永磁同步電機具有DC電機的特點，具有穩定的起動轉矩，可以自起動，並且可以類似DC電機對電機進行閉環控制。自同步永磁同步電機已經成為永磁同步電機的主要應用方式。
自同步永磁同步電機按加在電機定子繞組中的電流形式可分為方波電機和正弦波電機。通過分析方波電機繞組中電流型方波電流的工作原理，可以知道它與有刷DC電機的工作原理完全相同。不同的是它用電子開關電路和轉子位置傳感器代替了有刷DC電機的換向器和電刷，從而實現了無刷DC電機，保持了DC電機良好的控制特性，所以這種方波電機習慣被稱為無刷DC電機。這是應用最廣泛、最有前途的自同步永磁同步電機。
正弦波自同步永磁同步電機的定子繞組獲得對稱的三相交流電，但三相交流電的頻率、相位和幅值由轉子位置信號決定。光電編碼器通常用於轉子位置檢測，可以準確獲得瞬時轉子位置信息。其控制通常采用單片機或數字信號處理器(DSP)作為控制器的核心單元。由於其控制性能、控制精度和轉矩穩定性均優於無刷DC電機控制系統，所以主要用於現代高精度交流伺服控制系統。
三、永磁同步電機在現代工業中的應用
現代工農業中常用的驅動電機有三種:交流異步電機、有刷DC電機和永磁同步電機(包括無刷DC電機)。它們的綜合特性比較見表2。
根據工農業生產機械的不同要求，電機驅動可分為恒速驅動、調速驅動和精密控制驅動三大類。
1，恒速驅動
在工農業生產中，有大量的生產機械，如風機、泵、壓縮機、普通機床等，需要以大致恒定的速度連續單向運轉。過去，這些機器大多由三相或單相異步電動機驅動。異步電機成本低，結構簡單可靠，維護方便，非常適合驅動這類機械。然而，異步電動機效率低，功率因數低，損耗大，而且這種電動機應用廣泛，所以在使用中浪費了大量的電能。其次，工業和農業中廣泛使用的風機和水泵經常需要調節流量，通常是通過調節風門和閥門來實現，浪費了大量的電力。從20世紀70年代開始，人們就用變頻器調節風機和水泵中的異步電動機的轉速來調節其流量，取得了可觀的節能效果。但是變頻器的成本限制了它的使用，異步電機本身的低效率也依然存在。
例如，家用空調的壓縮機使用單相異步電機，其運行由開關模式控制。噪音和溫度變化範圍大是它的缺點。20世紀90年代初，日本東芝公司率先在壓縮機控制中采用異步電機變頻調速，變頻調速的優勢推動了變頻空調的發展。近年來，日本日立、三洋等公司開始使用永磁無刷電機替代異步電機進行變頻調速，顯著提高了效率，獲得了更好的節能效果，進壹步降低了噪音。在相同的額定功率和額定轉速下，假設單相異步電機的體積和重量為100%，永磁無刷DC電機的體積和重量分別為38.6%、34.8%，銅耗為20.9%。永磁無刷DC電機在空調中的應用推動了空調劑的更新換代。
再比如儀器儀表中廣泛使用的散熱風扇。過去是由單相異步電機的外轉子結構驅動，體積大，重量大，效率低。近年來，它已經完全被由永磁無刷DC電機驅動的無刷風扇所取代。無刷風扇應用於現代快速發展的計算機等各種信息設備中。多年來形成了完整的無刷風扇系列，品種規格繁多。有12種邊框尺寸從15mm到120mm，7種邊框厚度從6mm到18mm，電壓規格有DC 1.5V，3V，5V，12V。轉速從2100轉/分至14000轉/分，分為低速、中速、高速、超高速四種，使用壽命超過30000小時。該電機是壹個帶外轉子的永磁無刷DC電機。
近幾年的實踐表明，在功率不超過10kW的情況下，為了減小體積、節省材料、提高效率、降低能耗，越來越多的異步電機驅動逐漸被永磁無刷DC電機所取代。在大功率場合，由於壹次性成本和投資較大，除了永磁材料，還有大功率驅動器，所以很少使用。
2、速度控制驅動
有相當多的工作機，運行速度需要隨意設定和調整，但速度控制精度不是很高。這種傳動系統廣泛應用於包裝機械、食品機械、印刷機械、物料輸送機械、紡織機械和運輸車輛。
在這種調速應用領域中，最初使用最多的是DC電機調速系統。20世紀70年代以後，隨著電力電子技術和控制技術的發展，異步電動機變頻調速迅速滲透到DC調速系統的原有應用領域。這是因為壹方面異步電機變頻調速系統的性能和價格完全可以與DC調速系統相媲美，另壹方面異步電機與DC電機相比具有容量大、可靠性高、幹擾小、壽命長等優點。因此，異步電動機的變頻調速在許多場合迅速取代了DC調速系統。
交流永磁同步電機因其體積小、重量輕、高效節能，越來越受到人們的關註。其控制技術日趨成熟，控制器已經商品化。中小功率異步電動機的變頻調速正逐漸被永磁同步電動機調速系統所取代。電梯驅動就是壹個典型的例子。電梯的驅動系統對電機加速、穩速、制動和定位都有壹定的要求。早期，人們采用DC電機調速系統，其缺點不言而喻。70年代變頻技術成熟，異步電機變頻調速驅動在電梯行業迅速取代DC調速系統。近年來，電梯行業的最新驅動技術是永磁同步電機調速系統，它體積小、節能、控制性能好、易於作低速直驅、取消了齒輪減速裝置；其低噪音、平層精度、舒適性均優於以往的驅動系統，適合在無機房電梯中使用。永磁同步電機驅動系統很快受到各大電梯公司的青睞，其配套的專用變頻器系列產品已在多個品牌上市。可以預見，在調速驅動的情況下，永磁同步電機將會稱霸世界。日本富士公司推出了壹系列永磁同步電機變頻控制器，功率從0.4 kW到300 kW，體積比同容量異步電機小1 ~ 2幀數，力能指標明顯高於異步電機，可用於泵、運輸機械、攪拌機、絞車、電梯、起重機等場合。
3、精確控制驅動
①高精度伺服控制系統
伺服電機在工業自動化領域的運行控制中起著非常重要的作用，不同的應用場合對伺服電機的控制性能要求是不同的。在實際應用中，伺服電機有多種控制方式，如轉矩控制/電流控制、速度控制、位置控制等。伺服電機系統也經歷了DC伺服系統、交流伺服系統、步進電機驅動系統，直到近年來最引人註目的永磁電機交流伺服系統。近年來，絕大多數進口自動化設備、自動加工裝置和機器人都采用永磁同步電機的交流伺服系統。
②信息技術中的永磁同步電機。
隨著信息技術的飛速發展，各種計算機外設和辦公自動化設備也在不斷發展。其中的關鍵部件微電機的需求很高，對精度和性能的要求也越來越高。對這種微電機的要求是小型化、薄型化、高速化、長壽命化、高可靠性、低噪聲、低振動，尤其是高精度。比如硬盤驅動器的主軸驅動電機是永磁無刷DC電機，它驅動磁盤以接近10000轉/分的高速旋轉，在磁盤上進行數據讀寫的磁頭懸浮在離磁盤表面只有0.1 ~ 0.3微米的地方，精度要求之高可想而知。在信息技術中，大多數驅動電機用於各種設備，如打印機、軟硬盤驅動器、光盤驅動器、傳真機、復印機等。是永磁無刷DC電機。受技術水平限制，這種微電機國內目前還不能自行制造，部分產品在國內組裝。
四、永磁同步電機的應用前景
由於電子技術和控制技術的發展，永磁同步電機的控制技術已經成熟並日趨完善。過去同步電機的概念和應用範圍已經被今天的基於概念的同步電機大大擴展了。毫不誇張地說，從小型到大型，從壹般控制驅動到高精度伺服驅動，從人們的日常生活到各種高科技領域，永磁同步電機已經作為最重要的驅動電機出現，前景將越來越明顯。