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永磁同步电动机的工作原理、 工作特性与效率分析

2018-08-03 09:27:19 阅读()

  永磁同步电动机的工作原理与电励磁同步电动机相同,但它以永磁体替代励磁绕组励磁,使电动机结构更简单,降低了加工和装配费用,且省去了容易出问题的集电环和电刷,提高了电动机运行的可靠性。又因无需励磁电流,省去了励磁损耗,提高了电动机的效率和功率密度。因此,永磁同步电动机是近年来研究得较多并在各个领域中得到越来越广泛应用的一种电动机。
  永磁同步电动机分类方法较多:按工作主磁场方向,可分为径向磁场式和轴向磁场式;按电枢绕组位置,可分为内转子式和外转子式;按转子上有无起动绕组,可分为无起动绕组式(用于变频器供电的场合,利用频率的逐步升高而起动,并随着频率的改变而调节转速,常称为调速永磁同步电动机〉和有起动绕组式(既可用于调速运行,又可在某一频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转矩起动,常称为异步起动永磁同步电动机);按供电电流波形,可分为矩形波永磁同步电动机和正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。
1、永磁同步电动机的结构 
  永磁同步电动机也由定子、转子和端盖等部件构成。定子与普通感应电动机基本相同,也采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。转子铁心可以做成实心的,也可以用叠片叠压而成。电枢绕组既可以采用集中整距绕组,也可以采用分布短距绕组和非常规绕组。一般来说,矩形波永磁同步电动机通多采用集中整距绕组,而正弦波永磁同步电动机更多采用分布短距绕组。
  永磁同步电动机与其他电动机的最主要区别是转子磁路结构,一般可分为表面式、内置式和爪极式三种。
  (1)表面式转子磁路结构。在这种磁路结构中,永磁体通常呈瓦片形,提供的磁通方向为径向,永磁体外表面一般套以非磁性套筒或在永磁体表面包以无纬玻璃丝带来加以保护。表面式转子磁路结构又分为凸出式和插人式两种,如图2-6所示。对采用稀土永磁体的电动机来说,由于永磁材料的相对磁导率接近于 1,所以表面凸出式转子在电磁性能上属于隐极转子结构,而表面插人式转子属于凸极转子结构。
  1)表面凸出式转子结构具有结构简单、制造成本较低、转动惯量小等优点, 在矩形波永磁同步电动机和恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电动机中得到了广泛应用。此外,其永磁磁极形状易于实现最优设计,使电动机气隙磁密波形趋于正弦波,从而显著提高了电动机乃至整个传动系统的性能。
  2)表面插入式转子结构可充分利用转子磁路的不对称所产生的磁阻转矩, 提高电动机的功率密度,动态性能比凸出式有所改善,制造工艺也较简单,常被某些调速永磁同步电动机所采用。但漏磁系数和制造成本比凸出式大。
  总之,表面式转子磁路结构制造工艺简单、成本低,应用较为广泛,尤其适用于矩形波永磁同步电动机。但因转子表面无法安放起动绕组,无异步起动能力,不适用于异步起动永磁同步电动机。
  (2)内置式转子磁路结构。在这种磁路结构中,永磁体位于转子内部,永磁 体外表面与气隙之间有铁磁物质制成的极靴,极靴中可以放置铸铝笼或铜条笼,起阻尼或起动作用。这种结构动、稳态性能好,广泛用于要求有异步起动能力或动态性能高的永磁同步电动机。按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系,内置式转子磁路结构又可分为径向式、切向式和混合式三种。
  1)内置径向式转子磁路结构。这种结构(见图2 - 7)的优点是漏磁系数小、转轴上不需采取隔磁措施、极弧系数易于控制、转子冲片机械强度高、安装永磁体后转子不易变形等。图2 - 7 Ca)是早期采用的转子磁路结构,现己较少采用;图2 - 7 Cb)和图2 - 7 Cc)中,永磁体轴向插入永磁体槽中并通过隔磁磁桥限制漏磁通,其具有结构简单、运行可靠、转子机械强度高的优点,近年来应用较为广泛;图2 - 7 Cd)是外转子永磁同步电动机所采用的一种内置径向式转子磁路结构。
  2)内置切向式转子磁路结构。这种结构(见图2 - 8)的漏磁系数较大,并 且需采用相应的隔磁措施,制造工艺和成本比径向式结构有所增加。其优点在于一个极距下的磁通由相邻两个磁极并联提供,可得到较大的单极磁通(也称每极磁通)。尤其当电动机极数较多、径向式结构不足以提供单极磁通时,这种结构的优势就显得更为突出。此外,采用这种结构的永磁同步电动机的磁阻转矩可占总电磁转矩的40%,这对充分利用磁阻转矩、提高电动机功率密度和扩展电动机的恒功率运行范围都是极为有利的。
  3)内置混合式转子磁路结构。这种结构(见图2 - 9)集中了径向式和切向 式转子结构的优点,但其结构和制造工艺较为复杂,制造成本也较高。
  (3)爪极式转子磁路结构。这种结构通常由两个带爪的法兰盘和一个圆环形 的永磁体构成,如图2 -10所示。左、右法兰盘的爪数相同,且两者的爪极相互错开,沿圆周均匀分布,永磁体轴向充磁,因而左、右法兰盘的爪极分别形成极性相异、相互错开的永磁同步电动机的磁极。爪极式转子结构的永磁同步电动机性能较低,又不具备异步起动能力,但结构和工艺较为简单。
2、永磁同步电动机的稳态运行 
  永磁同步电动机与电励磁凸极同步电动机有着相似的内部电磁关系,故可采用双反应理论来研究。需要指出的是,由于永磁同步电动机转子直轴磁路中永磁体的磁导率很小(对稀土永磁来说其相对磁导率约为1),使得电动机直轴电枢反应电感一般小于交轴电枢反应电感,分析时应特别注意这一点。
3、永磁同步电动机的损耗分析  
  永磁同步电动机稳态运行时的损耗包括四项:①定子绕组铜损耗,主要是由于定子绕组通过电流产生的电阻损耗;②铁心损耗,主要是定子铁心中通过的交变磁场引起的涡流损耗和磁滞损耗;③机械损耗,是电动机旋转过程中产生的摩擦损耗;④杂散损耗,主要是由定子漏磁通和定子、转子的各种高次谐波在导线、铁心及其他金属部件内所引起的损耗。
4、苯磁同步电动机的最佳娘率点分析
  异步起动永磁同步电动机通常被用作高效电动机以替代力能指标较低的感应电动机,调速永磁同步电动机也为了减小变频电源的视在容量而要求电动机具有较高的效率和功率因数。因此,有必要进一步研究分析永磁同步电动机的最佳效率点。
  下面分析周期性负载下永磁同步电动机的动态效率。
  永磁同步电动机若在运行中所加 负载为恒定,则电动机笼型绕组中应没有电流,转速稳定在同步转速上。这时电动机效率可达90%以上,功率因数(感性)也接近于1。但当负载换为周期性变化的负载时,随着负载不断地作周期性变化,笼型绕组中将产生电流,转速出现小振荡,定子电流处于过渡过程,这些都给电动机带来了额外损耗。有研究结果表明:电动机的各个电磁参数以及外部条件都会对在这种周期性负载下的永磁同步电动机的动态性能和动态效率产生或大或小的影响。
 

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