295
2022-12-27 14:031. 永磁同步电机磁路
永磁同步电机的原理如下在电动机的定子绕组中通入三相电流，在通入电流后就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场，由于在转子上安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁极的同性相吸异性相斥的原理，在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转，最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等，所以可以把永磁同步电机的起动过程看成是由异步启动阶段和牵入同步阶段组成的。
在异步启动的研究阶段中，电动机的转速是从零开始逐渐增大的，造成上诉的主要原因是其在异步转矩、永磁发电制动转矩、矩起的磁阻转矩和单轴转由转子磁路不对称而引等一系列的因素共同作用下而引起的，所以在这个过程中转速是振荡着上升的。
在起动过程中，质的转矩，只有异步转矩是驱动性电动机就是以这转矩来得以加速的，其他的转矩大部分以制动性质为主。
在电动机的速度由零增加到接近定子的磁场旋转转速时，在永磁体脉振转矩的影响下永磁同步电机的转速有可能会超过同步转速，而出现转速的超调现象。但经过一段时间的转速振荡后，最终在同步转矩的作用下而被牵入同步。
2. 永磁同步电机磁路结构
磁阻电机，一种连续运行的电气传动装置，其结构及工作原理与传统的交、直流电动机有很大的区别。它不依靠定、转子绕组电流所产生磁场的相互作用而产生转矩，而是依靠“磁阻最小原理”产生转矩。
所谓“磁阻最小原理”，即：“磁通总是沿着磁导最小的路径闭合，从而产生磁拉力，进而形成磁阻性质的电磁转矩”和“磁力线具有力图缩短磁通路径以减小磁阻和增大磁导的本性”。
此类电机是利用磁阻（magnetic reluctance），也被称为磁电阻（magnetic resistance）让电机产生旋转运动，就像电路那样，磁路中的磁通总是要沿着磁阻最小的路径闭合。
凸极率是转子叠片设计的直接结果，叠片的冲制用来切割出电机的等效气隙形状以控制磁通路径，冲制工艺还对d轴和q轴电感随着磁化电流变化而变化产生影响。由于冲制工艺增加了等效气隙，需要更大的励磁电流，导致功率因数cosφ. 变得更差。
磁阻电机的工作原理
磁阻电动机是利用磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用齿极间的吸引力拉动转子旋转。为方便分析磁路，我们把相对的相分别标为a、b、c相，各相线圈由开关控制电流通断，约定转子启动前的转角为0度。
为了使转子继续转动，在转子转到30度前已切断A相电源在30度时接通B相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，于是转子继续转动，磁力一直牵引转子转到60度为止。
在转子转到60度前切断B相电源在60度时接通C相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，转子继续转动，磁力一直牵引转子转到90度为止。
当转子转到90度前切断C相电源，转子在90度的状态与前面0度开始时一样，重复前面过程，接通A相电源，转子继续转动，这样不停的重复下去，转子就会不停的旋转。
磁阻电机的结构
磁阻电机在转子旋转时，磁路的磁阻要有尽可能大的变化。所以，该电动机的定、转子均采用双凸极结构，并用硅钢片叠制而成。在每个定子磁极上都装有简单的集中绕组，并把径向相对的两个定子磁极上的绕组以串联或并联的方式构成一相。
在转子上无任何绕组，也无永磁体。按照电动机的相数，可分为奇数相和偶数相。按照电动机的磁路结构，可分为两极型长磁路结构和四极型短磁路结构。按照电动机的通电励磁模式，有单相励磁和多相励磁之分。
电机转子无永磁体，允许较高的温升。由于绕组均在定子上，电机容易冷却。效率高，损耗小。转矩方向与电流方向无关，只需单方相绕组电流，每相一个功率开关，功率电路简单可靠。转子上没有电刷，结构坚固，适用于高速驱动。
磁阻电机的应用
近年来磁阻电机的应用和发展取得了明显的进步，已成功地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器和纺织机械等各个领域，功率范围从10W～5MW，最大速度高达100000 r/min。
1.磁阻电机电动车应用
磁阻电机最初的应用领域就是电动车。目前电动汽车和电动自行车的驱动电机主要有永磁无刷及永磁有刷两种，然而采用开关磁阻电机驱动有其独特的优势。当高能量密度和系统效率为关键指标时，开关磁阻电机变为首选对象。
2.磁阻电机纺织工业应用
近十年来我国纺织机械行业的机电一体化水平有了较明显的提高，在新型纺织机械上普遍采用了机电一体化技术。这项技术的内容包含了先进的信息处理和控制技术，即以计算机为核心，有PLC、工控机、单片机等组成的控制系统;先进的驱动技术，有变频调速，交流伺服，步进电机等;检测传感技术和执行机构;精密机械技术等。
3.磁阻电机焦炭工业应用
磁阻电机因其启动力矩大、启动电流小，可以频繁重载启动，无需其他的电源变压器，节能，维护简单，特别适用于矿井输送机、电牵引采煤机及中小型绞车等。
我国研制成功110kW的开关磁阻电机用于矸石山绞车、132kW的开关磁阻电机用于带式输送机拖动，良好的启动和调速性能受到工人们的欢迎。我国还将开关磁阻电机用于电牵引采煤机牵引，运行试验表明新型采煤机性能良好。此外还成功地将开关磁阻电机用于电机车，提高了电机车运行的可靠性和效率。
4.磁阻电机在家电行业的应用
磁阻电机的发展状况
众所周知，磁阻电机驱动系统是一种高效的电机系统，其综合性能超越以往各种传统电机，效率、性能、数字智能化控制等方面，都具有不可比拟的优势，而且在某些特定领域如15万转以上的超高速领域具有无可替代性。但是，另一方面，为什么这一优秀的动力产品在我国没有真正普及呢？本文将系统的回答这一问题。
一、磁阻电机的技术状态
和大部分圈外人士所认识的不同，不同于变频电机，磁阻电机驱动系统的技术极其复杂而体系。其中电机本体的电磁计算和结构工艺技术，可以说是所有电机里面最复杂的，至今在我国没有合理的动态数学模型用来揭示其复杂的内部微观特性，也就是说开关磁阻电机典型的非线性特征，难于具体把握。
总体而言，我们可以简单的根据技术状态，把开关磁阻电机一分为二，一是普通基础技术产品，一是高精度技术产品。所谓普通基础技术产品，就是依据其根本原理，而研究、产生的最基础的产品，就像第一代计算机，粗大笨重、精度差、计算速度慢。
高精度技术产品则不然，其从电机设计、工艺、控制技术等各个环节，都采用科学开发模式和先进技术，并使用高精度加工设备和工艺，针对各个应用设备的细节特性而具体设计
3. 永磁同步电机磁路法
永磁电机转子磁路结构特的特点：
1、功率效率高且功率因数高；
2、冷却系统结构简单、体积小、噪声小；
3、系统采用全封闭结构，无传动齿轮磨损、无传动齿轮噪声，免润滑油、免维护；
4、由于允许的过载电流大，可靠性显著提高；
5、传动系统重量轻，簧下重量比传统的轮轴传动更轻，单位重量的功率大；
6、由于没有齿轮箱，可对转向架系统随意设计，如柔式转向架、单轴转向架等。
4. 永磁同步电机磁路饱和系数
永磁材料，又称“硬磁材料”，指的是一经磁化即能保持恒定磁性的材料。实用中，永磁材料工作于深度磁饱和及充磁后磁滞回线的第二象限退磁部分。常用的永磁材料分为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料和复合永磁材料等。
（1）铝镍钴系永磁合金
以铁、镍、铝元素为主要成分，还含有铜、钴、钛等元素。具有高剩磁和低温度系数，磁性稳定。分铸造合金和粉末烧结合金两种。20世纪30～60年代应用较多，现多用于仪表工业中制造磁电系仪表、流量计、微特电机、继电器等。
（2）铁铬钴系永磁合金
以铁、铬、钴元素为主要成分，还含有钼和少量的钛、硅元素。其加工性能好，可进行冷热塑性变形，磁性类似于铝镍钴系永磁合金，并可通过塑性变形和热处理提高磁性能。用于制造各种截面小、形状复杂的小型磁体元件
（3）永磁铁氧体
主要有钡铁氧体和锶铁氧体，其电阻率高、矫顽力大，能有效地应用在大气隙磁路中，特别适于作小型发电机和电动机的永磁体。永磁铁氧体不含贵金属镍、钴等，原材料来源丰富，工艺简单，成本低，可代替铝镍钴永磁体制造磁分离器、磁推轴承、扬声器、微波器件等。但其最大磁能积较低，温度稳定性差，质地较脆、易碎，不耐冲击振动，不宜作测量仪表及有精密要求的磁性器件。
（4）稀土材料
主要是稀土钴永磁材料和钕铁硼永磁材料。前者是稀土元素铈、镨、镧、钕等和钴形成的金属间化合物，其磁能积可达碳钢的150倍、铝镍钴永磁材料的3～5倍 ，永磁铁氧体的8～10倍，温度系数低，磁性稳定，矫顽力高达800千安/米。主要用于低速转矩电动机、启动电动机、传感器、磁推轴承等的磁系统。钕铁硼永磁材料是第三代稀土永磁材料，其剩磁、矫顽力和最大磁能积比前者高，不易碎，有较好的机械性能，合金密度低，有利于磁性元件的轻型化、薄型化、小型和超小型化。但其磁性温度系数较高，限制了它的应用。
（5）复合材料
由永磁性物质粉末和作为粘结剂的塑性物质复合而成。由于其含有一定比例的粘结剂，故其磁性能比相应的没有粘结剂的磁性材料显著降低。除金属复合永磁材料外，其他复合永磁材料由于受粘结剂耐热性所限，使用温度较低，一般不超过150℃ 。但复合永磁材料尺寸精度高，机械性能好，磁体各部分性能均匀性好，易于进行磁体径向取向和多极充磁。主要用于制造仪器仪表、通信设备、旋转机械、磁疗器械及体育用品等。
5. 永磁同步电机磁路饱和的影响
当线圈内电流增强时，它会激励磁芯中的磁场变强，这会产生反向电动势，阻碍电流变大，当磁芯饱和后，电流继续增强，而磁场不能继续变强，这导致产生的反向电动势过小，对电流的阻碍作用减弱甚至失效。此刻，从宏观看来，就是现在的绕组的变化电流变大了，也就是ΔI/Δt 变大了，也就是对电流的阻碍作用变小。
6. 永磁同步电机磁路设计
优点：
1)效率高：在转子上嵌入永磁材料后，在正常工作时转子与定子磁场同步运行，转子绕组无感生电流，不存在转子电阻和磁滞损耗，提高了电机效率。
2)功率因数高：永磁同步电机转子中无感应电流励磁，定子绕组呈现阻性负载，电机的功率因数近于 1，减小了定子电流，提高了电机的效率。同时功率因数的提高，提高了电网品质因数，减小了输变电线路的损耗，输变电容量也可降低，节省 了电网投资。
3)起动转矩大：在需要大起动转矩的设备(如油田抽油电机 )中，可以用较小容量 的永磁 电机替代较大容量的Y 系列电机。如果 37 kw 永磁同步电机代替45kW ～55 kW 的 Y 系列电机，较好地解决了“大马拉小车”的现象，节省了设备投入费用，提高了系统 的运行效能。
4)力能指 标好 ：Y 系列 电机在 60％的负荷下工作时，效率下降 15％，功率因数下降 30％，力能指标下降40％；而永磁同步电机的效率和功率因数下降甚微，当电机只有 20％负荷时，其力能指标仍为满负荷的 80％以上。
5)温升低：转子绕组中不存在电阻损耗，定子绕组中几乎不存在无功电流，因而电机温升低。
6 )体积小，重量轻 ，耗材少：同容量 的永磁同步电机体积、重量、所用材料可以减小 30％左右。
7)可大气隙化，便于构成新型磁路。
8 )电枢反应小 ，抗过载能力强。
缺点：
永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降，或发生退磁现象，有可能降低永磁电动机的性能。另外，稀土式永磁同步电动机要用到稀土材料，制造成本不太稳定。
7. 永磁同步电机磁路分析
优点：
1)效率高：在转子上嵌入永磁材料后，在正常工作时转子与定子磁场同步运行，转子绕组无感生电流，不存在转子电阻和磁滞损耗，提高了电机效率。
2)功率因数高：永磁同步电机转子中无感应电流励磁，定子绕组呈现阻性负载，电机的功率因数近于 1，减小了定子电流，提高了电机的效率。同时功率因数的提高，提高了电网品质因数，减小了输变电线路的损耗，输变电容量也可降低，节省 了电网投资。
3)起动转矩大：在需要大起动转矩的设备(如油田抽油电机 )中，可以用较小容量 的永磁 电机替代较大容量的Y 系列电机。如果 37 kw 永磁同步电机代替45kW ～55 kW 的 Y 系列电机，较好地解决了“大马拉小车”的现象，节省了设备投入费用，提高了系统 的运行效能。
4)力能指 标好 ：Y 系列 电机在 60％的负荷下工作时，效率下降 15％，功率因数下降 30％，力能指标下降40％；而永磁同步电机的效率和功率因数下降甚微，当电机只有 20％负荷时，其力能指标仍为满负荷的 80％以上。
5)温升低：转子绕组中不存在电阻损耗，定子绕组中几乎不存在无功电流，因而电机温升低。
6 )体积小，重量轻 ，耗材少：同容量 的永磁同步电机体积、重量、所用材料可以减小 30％左右。
7)可大气隙化，便于构成新型磁路。
8 )电枢反应小 ，抗过载能力强。
缺点：
永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降，或发生退磁现象，有可能降低永磁电动机的性能。另外，稀土式永磁同步电动机要用到稀土材料，制造成本不太稳定。
8. 永磁同步电机磁路饱和
电机中的磁力线会穿过定转子铁芯和气隙，由于气隙磁阻较大，所以在非深度饱和的情况下，气隙的磁压降占据磁路中的绝大部分。
气隙中的磁场既有径向分量也有切向分量，但以径向分量为主，所以我们通常所说的气隙磁场、气隙磁密都默认为径向分量。在电机设计参数中，一般不直接提气隙磁密这个概念，而是用磁负荷来表征。其实二者是一样的。对于感应电机来说，励磁电流与气隙磁密有着直接关系。另外，气隙磁密对于电机的剪切力、饱和程度、输出功率、损耗也都有着重要影响。
9. 永磁同步电机磁路原理图
永磁同步直驱电机的优点:
1.效率高：
在转子上嵌入永磁材料后，在正常工作时转子与定子磁场同步运行，转子绕组无感生电流，不存在转子电阻和磁滞损耗，提高了电机效率。
2.功率因数高：
永磁同步电机转子中无感应电流励磁，定子绕组呈现阻性负载，电机的功率因数近于 1，减小了定子电流，提高了电机的效率。
同时功率因数的提高，提高了电网品质因数，减小了输变电线路的损耗，输变电容量也可降低，节省了电网投资。
3.起动转矩大：
在需要大起动转矩的设备中，可以用较小容量的永磁电机替代较大容量的Y系列电机。
如果37kw永磁同步电机代替45kW～55kW的Y系列电机，较好地解决了“大马拉小车”的现象，节省了设备投入费用，提高了系统的运行效能。
4.力能指标好 ：
Y系列电机在60％的负荷下工作时，效率下降15％，功率因数下降30％，力能指标下降40％；
而永磁同步电机的效率和功率因数下降甚微，当电机只有20％负荷时，其力能指标仍为满负荷的80％以上。
5.温升低：
转子绕组中不存在电阻损耗，定子绕组中几乎不存在无功电流，因而电机温升低。
6 .体积小，重量轻 ，耗材少：
同容量的永磁同步电机体积、重量、所用材料可以减小30％左右。
7.可大气隙化，便于构成新型磁路。
8 .电枢反应小 ，抗过载能力强。
永磁同步直驱电机的缺点:
1.不可逆退磁问题:
如果设计或使用不当，永磁同步电机在过高或过低温度时，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失磁。
2.成本问题:
铁氧体永磁同步电机由于结构工艺简单、质量减轻，总成本一般比电励磁电机低 ，因而得到了广泛应用。
由于稀土永磁目前的价格还比较贵，稀土永磁电机的成本一般比电励磁电机高，这需要用它的高性能和运行费用的节省来补偿。
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。
3 .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。
但是随着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。
- 相关评论
- 我要评论
-