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永磁同步電機(jī)

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  • 發(fā)布時(shí)間:2016/3/27 20:18:29
  • 作者:ly_yinhe
定義
永磁同步電機(jī)是指其勵(lì)磁系統(tǒng)包含有一塊或多塊永久磁鐵的同步電動(dòng)機(jī)。
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永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)原理

  永磁同步電機(jī)主要是由轉(zhuǎn)子、端蓋、及定子等各部件組成的。一般來(lái)說(shuō),永磁同步電機(jī)的最大的特點(diǎn)是它的定子結(jié)構(gòu)與普通的感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)非常的相似,主要是區(qū)別于轉(zhuǎn)子的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與其它電機(jī)形成了差別。和常用的異步電機(jī)的最大不同則是轉(zhuǎn)子的獨(dú)特的結(jié)構(gòu),在轉(zhuǎn)子上放有高質(zhì)量的永磁體磁極。由于在轉(zhuǎn)子上安放永磁體的位置有很多選擇,所以永磁同步電機(jī)通常會(huì)被分為三大類:面貼式、插入式以及內(nèi)嵌式(如下圖永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖)。永磁同步電機(jī)的運(yùn)行性能是最受關(guān)注的,影響其性能的因素有很多,但是最主要的則是永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)。就面貼式、插入式和內(nèi)嵌式而言,各種結(jié)構(gòu)都各有其各自的優(yōu)點(diǎn)。

永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

圖示:永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

  面貼式的永磁同步電機(jī)在工業(yè)上是應(yīng)用最廣泛的,其最主要的原因是其擁有很多其他形式電機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn),例如其制造方便,轉(zhuǎn)動(dòng)慣性比較小以及結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單等。并且這種類型的永磁同步電機(jī)更加容易被設(shè)計(jì)師來(lái)進(jìn)行對(duì)其的優(yōu)化設(shè)計(jì),其中最主要的方法是設(shè)計(jì)成近似正弦的分布把氣隙磁鏈的分布結(jié)構(gòu),將其分布結(jié)構(gòu)改成正弦分布后能夠帶來(lái)很多的優(yōu)勢(shì),例如它所帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng),能減小磁場(chǎng)的諧波以及應(yīng)用以上的方法能夠很好的改善電機(jī)的運(yùn)行性能。

  插入式結(jié)構(gòu)的電機(jī)之所以能夠跟面貼式的電機(jī)相比較有很大的改善是因?yàn)樗浞值睦昧怂O(shè)計(jì)出的磁鏈的結(jié)構(gòu)有著不對(duì)稱性所生成的獨(dú)特的磁阻轉(zhuǎn)矩能大大的提高了電機(jī)的功率密度,并且在也能很方便的制造出來(lái),所以永磁同步電機(jī)的這種結(jié)構(gòu)被比較多的應(yīng)用于在傳動(dòng)系統(tǒng)中,但是其缺點(diǎn)也是很突出的,例如制作成本和漏磁系數(shù)與面貼式的相比較都要大的多。

  內(nèi)嵌式的永磁同步電機(jī)中的永磁體是被安置在轉(zhuǎn)子的內(nèi)部,相比較而言其結(jié)構(gòu)雖然比較復(fù)雜,但卻有幾個(gè)很明顯的優(yōu)點(diǎn)是毋庸置疑的,因?yàn)橛幸愿邭庀兜拇磐芏龋苊黠@的它跟面貼式的電機(jī)相比較就會(huì)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩;因?yàn)樵谵D(zhuǎn)子永磁體的安裝方式是選擇嵌入式的,所以永磁體在被去磁后所帶來(lái)的一系列的危險(xiǎn)的可能性就會(huì)很小,因此電機(jī)能夠在更高的旋轉(zhuǎn)速度下運(yùn)行但是并不需要考慮轉(zhuǎn)子中永磁體是否會(huì)因?yàn)殡x心力過(guò)大而被破壞。

  從基本原理來(lái)講:永磁同步電機(jī)與傳統(tǒng)電勵(lì)磁同步電機(jī)是一樣的,其唯一區(qū)別為傳統(tǒng)的電勵(lì)磁同步電機(jī)是通過(guò)在勵(lì)磁繞組中通入電流來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)的,而永磁同步電機(jī)是通過(guò)永磁體來(lái)建立磁場(chǎng)的。

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永磁同步電機(jī)特點(diǎn)

01效率高、更加省電

  a、由于永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)是由永磁體產(chǎn)生的,從而避免通過(guò)勵(lì)磁電流來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)而導(dǎo)致的勵(lì)磁損耗(銅耗);
  b、永磁同步電機(jī)的外特性效率曲線相比異步電機(jī),其在輕載時(shí)效率值要高很多,這是永磁同步電機(jī)在節(jié)能方面,相比異步電機(jī)最大的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。因?yàn)橥ǔk姍C(jī)在驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí),很少情況是在滿功率運(yùn)行,這是因?yàn)椋阂环矫嬗脩粼陔姍C(jī)選型時(shí),一般是依據(jù)負(fù)載的極限工況來(lái)確定電機(jī)功率,而極限工況出現(xiàn)的機(jī)會(huì)是很少的,同時(shí),為防止在異常工況時(shí)燒損電機(jī),用戶也會(huì)進(jìn)一步給電機(jī)的功率留裕量;另一方面,設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí),為保證電機(jī)的可靠性,通常會(huì)在用戶要求的功率基礎(chǔ)上,進(jìn)一步留一定的功率裕量,這樣導(dǎo)致在實(shí)際運(yùn)行的電機(jī)90%以上是工作在額定功率的70%以下,特別是在驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)或泵類負(fù)載,這樣就導(dǎo)致電機(jī)通常工作在輕載區(qū)。對(duì)異步電機(jī)來(lái)講,其在輕載時(shí)效率很低,而永磁同步電機(jī)在輕載區(qū),仍能保持較高的效率,其效率要高于異步電機(jī)20%以上。
  c、由于永磁同步電機(jī)功率因數(shù)高,這樣相比異步電機(jī)其電機(jī)電流更小,相應(yīng)地電機(jī)的定子銅耗更小,效率也更高。
  d、系統(tǒng)效率高:永磁電機(jī)參數(shù),特別是功率因數(shù),不受電機(jī)極數(shù)的影響,因此便于設(shè)計(jì)成多極電機(jī)(如可以100極以上),這樣對(duì)于傳統(tǒng)需要通過(guò)減速箱來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載電機(jī),可以做成直接用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直驅(qū)系統(tǒng),從而省去了減速箱,提高了傳動(dòng)效率。

02功率因數(shù)高

  由于永磁同步電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí),其功率因數(shù)可以調(diào)節(jié),甚至可以設(shè)計(jì)成功率因數(shù)等于1,且與電機(jī)極數(shù)無(wú)關(guān)。而異步電機(jī)隨著極數(shù)的增加,由于異步電機(jī)本身的勵(lì)磁特點(diǎn),必然導(dǎo)致功率因數(shù)越來(lái)越低,如極數(shù)為8極電機(jī),其功率因數(shù)通常為0.85左右,極數(shù)越多,相應(yīng)功率因數(shù)越低。即使是功率因數(shù)最高的2極電機(jī),其功率因數(shù)也難以達(dá)到0.95。電機(jī)的功率因數(shù)高有以下幾個(gè)好處:
  a、功率因數(shù)高,電機(jī)電流小,電機(jī)定子銅耗降低,更節(jié)能;
  b、功率因數(shù)高,電機(jī)配套的電源,如逆變器,變壓器等,容量可以更低,同時(shí)其他輔助配套設(shè)施如開關(guān),電纜等規(guī)格可以更小,相應(yīng)系統(tǒng)成本更低。
  c、由于永磁同步電機(jī)功率因數(shù)高低不受電機(jī)極數(shù)的限制,在電機(jī)配套系統(tǒng)允許的情況下,可以將電機(jī)的極數(shù)設(shè)計(jì)的更高,相應(yīng)電機(jī)的體積可以做得更小,電機(jī)的直接材料成本更低。

03可靠性高

  從電機(jī)本體來(lái)對(duì)比,永磁同步變頻調(diào)速電機(jī)與異步電機(jī)的可靠性相當(dāng),但由于永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)的靈活性,便于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載,省去可靠性不高的減速箱;在某些負(fù)載條件下甚至可以將電機(jī)設(shè)計(jì)在其驅(qū)動(dòng)裝置的內(nèi)部,如風(fēng)力發(fā)電直驅(qū)裝置,石油鉆機(jī)的絞車驅(qū)動(dòng)裝置,從而可以省去傳統(tǒng)電機(jī)故障率高的軸承:大大提高了傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。

04體積小,功率密度大

  永磁同步變頻調(diào)速電機(jī)體積小,功率密度大的優(yōu)勢(shì),集中體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)低速大扭矩的負(fù)載時(shí),一個(gè)是電機(jī)的極數(shù)的增多,電機(jī)體積可以縮小。還有就是:電機(jī)效率的增高,相應(yīng)地?fù)p耗降低,電機(jī)溫升減小,則在采用相同絕緣等級(jí)的情況下,電機(jī)的體積可以設(shè)計(jì)的更?。浑姍C(jī)結(jié)構(gòu)的靈活性,可以省去電機(jī)內(nèi)許多無(wú)效部分,如繞組端部,轉(zhuǎn)子端環(huán)等,相應(yīng)體積可以更小。

05起動(dòng)力矩大、噪音小、溫升低

  a、永磁同步電機(jī)在低頻的時(shí)候仍能保持良好的工作狀態(tài),低頻時(shí)的輸出力矩較異步電機(jī)大,運(yùn)行時(shí)的噪音小;
  b、轉(zhuǎn)子無(wú)電阻損耗,定子繞組幾乎不存在無(wú)功電流,因而電機(jī)溫升低,同體積、同重量的永磁電機(jī)功率可提高30%左右;同功率容量的永磁電機(jī)體積、重量、所用材料可減少30%。

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