《永磁同步电动机教材资料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《永磁同步电动机教材资料（77页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,永磁同步电动机,电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。为了在电机内建立必需的气隙磁场，可以有两种方法。 1. 在电机绕组内通以电流来产生磁场 如普通的直流电机和同步电机。要专门设置励磁绕组，通入直流电，来建立气隙磁场。电机体积增大，励磁功率造成电机发热，效率降低。 感应（异步）电机要通过三相定子绕组从电网吸收感性无功电流来建立气隙磁场。电机功率因数低，效率也有所降低。 2. 由永磁体来产生磁场 由于永磁材料的固有特性，它经过预先磁化充磁以后，不再需要外加能量就能在其周围空间建立磁场。这既可简化电机结构，又可节约能量。,与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结
2、构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗少，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。因而应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。 永磁同步电动机与感应电动机相比，不需要无功励磁电流可以显著提高功率因数(可达到1、甚至容性)，减少了定子电流和定子电阻损耗，而且在稳定运行时没有转子电阻损耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇(小容量电机甚至可以去掉风扇)和相应的风摩损耗，从而使其效率比同规格感应电动机可提高28个百分点。,永磁材料,永磁电机的性能、设计制造特点和应用范围都与永磁材料的性能密切相关。永磁材料种类众多，性能差别很大。因此，在研究永磁电机之前，首先从设
3、计制造电机的需要出发，了解电机中最常用的三种主要永磁材料（铁氧体、铝镍钴、钕铁硼）的基本性能，包括磁性能、物理性能，选用时的注意事项。,永磁体的磁稳定性,为了保证永磁电机的电气性能不发生变化，能长期可靠地运行，要求永磁材料的磁性能保持稳定。通常用永磁材料的磁性能随环境、温度和时间的变化率来表示其稳定性，主要包括热稳定性、磁稳定性、化学稳定性和时间稳定性。,永磁同步电动机,概述 永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的磁通替代后者的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单，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
4、了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。因而它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,永磁同步电动机分类方法比较多：按工作主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式(常规式)和外转子式；按转子上有无起动绕组，可分为无起动绕组的电动机(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)和有起动绕组的电动机(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)；按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机
5、和正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。异步起动永磁同步电动机用于频率可调的传动系统时，形成一台具有阻尼(起动)绕组的调速永磁同步电动机。,永磁同步电动机的总体结构,1. 高效永磁同步电动机结构示意图 l转轴 2轴承 3端差 4定子绕组 5机座 6定子铁心 7转子铁心 8永磁体 9起动笼 10风扇 11风罩,永磁直流无刷电动机结构示意图,l转轴 2前端差 3螺钉 4调整垫片 5轴承 6定子组件 7永磁转子组件 8位置传感器转子 9后端差 10位置传感器定子,调速永磁同步电动机结构示意图,l转轴 2轴承 3端差 4定子绕组 5机座 6定子铁心 7，8永磁体 9转子铁心 10风扇 11风罩
6、12位置、速度传感器 13，14电缆 15专用变频驱动器,永磁同步电动机的转子结构,表面式转子磁路结构 1） 凸出式 2）插入式 1永磁体 2转子铁心 3转轴,1表面凸出式 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，表面凸出式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设计，使之成为能使电动机气隙磁密波形趋近于正弦波的磁极形状，可显著提高电动机乃至整个传动系统的性能。 2表面插入式 可充分利用转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩，提高电动机的功率密度，动态性能较凸出式有所改善，制造工艺也较简单，常被某些调速永磁同步电动机
7、所采用。但漏磁系数和制造成本都较凸出式大。,同步电机与感应（异步）电机的区别,同步电机与感应（异步）电机的区别在于： （1）同步电机的转速严格的与电源频率保持同步，转差为零，而异步电机的转速永远低于同步转速，转差不为零，可以靠控制转差来调速。 （2）异步机的磁场靠定子供电产生，而同步电机的磁场花样很多，一般大中型同步电机在转子侧采用独立的直流励磁，小容量的同步电机采用永久磁铁（磁场不变），磁阻式同步机完全靠定子励磁（靠凸极磁阻的变化产生同步转矩）。 （3）异步电机的功率因数永远小于1，而同步电机的功率因数可以用励磁电流来调节，可以滞后，可以超前。,同步电机与感应（异步）电机的区别（续）,（4）
8、同步电机和异步电机的定子是一样的，而转子绕阻不同。同步电机的转子除励磁绕组外，还有一个自身短路的阻尼绕阻。当同步机在恒频下运行时，阻尼绕阻有助于抑制重载时发生的震荡。但当同步电机重载转速闭环下变频调速运行时，阻尼绕阻便失去它的主要作用，却增加了数学模型的复杂性。 （5）异步电机的气隙都是均匀的，而同步电机则有隐极式和显极式之分。隐极式电机气隙是均匀的，而显极式电机的气隙磁阻不均匀，对于电励磁的电机直轴磁阻小，交轴磁阻大。对于永磁电机直轴磁阻大，交轴磁阻小。,以前，由于同步电动机存在着自身的弱点（起动费事，必须由异步电动机拖动，重载时有振荡和失步的危险），一般工业设备很少用。变频调速技术弥补了这
9、些缺点：起动时变频器频率逐渐上升，转速也逐渐提高，不需其他起动设备；失步问题是由于同步转速不变，转子落后的角度过大引起的，而变频调速中的转速和转矩闭环控制，可以随时调节同步转速，避免了失步现象。由于同步电机的固有优点使同步电机的变频调速成为交流调速的一个很有潜力的发展方向。,与异步电机不同，同步电机不能采用调节转差的方法，只能调频调速。根据对频率进行控制的不同方法，同步电机变频调速系统可以分为它控式和自控式。当同步电机定子电压频率由一个外部频率控制装置进行控制时，称为他控方式。当同步电机定子电压频率由其轴上位置传感器发出的脉冲来控制变频装置的触发脉冲时，称为自控方式。,感应电动机的 变频调速控
10、制,1. 概论,1.1 感应电动机调速的概况与趋势 在相当长时期内，直流调速一直以性能优良领先于交流调速。60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美、相竞争，目前，交流调速已进入逐步替代直流调速的时代。 电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。随着新型电力电子器件的不断涌现，变频技术获得飞速发展。 在变频技术日新月异地发展的同时，交流电动机控制技术取得了突破性进展。 微处理机引入控制系统，促进了模拟控制系统向数字控制系统的转化。,1.2 感应电动机调速的基本方法,感应电动机的调速方法分为变频调速、变极对数调速和调转差率调速三种。
11、 具体的说常见的基本种类有：降电压调速；电磁转差离合器调速；绕线转子感应电机转子回路串电阻调速；绕线转子感应电机串级调速；变极对数调速；变压变频调速等。,感应电动机调速的基本方法,按照交流感应电动机的基本原理，从定子传入转子的电磁功率 可分为两部分：一部分是拖动负载的有效功率 ，即机械功率；另一部分是转差功率 ，与转差率成正比。从能量转换的角度看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，显然是评价调速系统效率高低的一种标志。从这点出发，可以把感应电机的调速系统分成三类。,（1）转差功率消耗型调速系统,全部转差功率都换成热能的形式而消耗掉。上述的第、三种调速方法都属于这一类。在这三类感应电机调速
12、系统之中，这类系统的效率最低，而且它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低（恒转矩负载时），越向下调速，效率越低。可是这类系统结构最简单，所以还有一定的应用场合。,（2）转差功率回馈型调速系统,转差功率的一部分消耗掉，大部分则通过变流装置回馈给电网或者转化为机械能予以利用，转速越低，回收的功率越多，上述第种调速方法串级调速属于这一类。这类调速系统的效率显然比第一类高，但增设的变流装置总要多消耗一部分功率，因此还不及下一类。,（3）转差功率不变型调速系统,转差功率中转子铜损部分的消耗是不可避免的，但在这类系统中，无论转速高低，转差功率的消耗基本不变，因此效率最高。上述的第、两种调速方法属于此类。
13、其中变极对数只能有级调速，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速，是最有发展前途的。 3. 变频调速 变频调速系统的原理框图,变频调速的特点,变频调速的优点在于：改变频率时转差率不变，也就是不同转速时不变，因而转差损耗小，特性硬，调速范围宽，调速精度高，适用于调速性能要求较高的场合。另一方面，变频调速装置的成本较高（尽管价钱还在降低），变频调速原理较复杂。 变频调速的方法也有多种，按变频器的类型分主要有交交变频器和交直交变频器两大类；按控制方法分有标量控制、矢量控制和感应机的直接转矩控制。,感应电机变频调速,感应电机，特别是笼型感应电机，结构简单
14、、牢固，价格便宜，运行可靠，无需维护，在交流传动中得到了极为广泛的应用。感应电机采用变频调速技术后，调速范围广，调速时因转差功率不变而无附加能量损失，是一种性能优良的高效的调速方式，是交流电机调速传动发展的主要方向。 在变频调速系统中，由变频器提供给电机的频率变化的电压或电流激励均是非正弦的，除基波外，还包含大量的谐波。分析表明，决定感应电机变频运行特性的主要还是基波，谐波分量只起着使电机电压或电流畸变、产生谐波损耗、恶化力能指标、引起转矩脉动的作用。,变频调速的基本控制方式,若希望一台感应电机获得良好的运行性能、力能指标，必须保持其磁路工作点稳定不变，即保持每极磁通量 额定不变。因为若 太强
15、，电机磁路饱和，励磁电流、励磁损耗及发热增大；若太弱，电机力能指标下降，电机出力不够，铁芯也未充分利用。换句话说，保持每极磁通量 额定不变而维持较高值，则产生同样的电磁转矩而需要的有功电流最小。,从感应电机定子每相电动势有效值公式看 对一台电机，其结构参数确定，则有 说明只要协调地控制 、 ，即可达到控制气隙磁通 的目的。但由于电机绝缘和供电电源的限制，电机运行频率在基频以下及基频以上调速时须采取不同的控制方式。,1. 基频以下调速,要保持气隙磁通 额定不变，必须采用恒电动势频率比的控制方式，即变频过程中须维持 常值。但定子电动势为内部量，难以直接测量、控制。 根据感应电机定子电压方程式 可知
16、，当频率较高，电动势较大时，可忽略定子绕组漏抗压降得 ，即只要维持 常数（恒电压频率比）既可维持气隙磁通恒定。,1. 基频以下调速,当感应电机在低频时，定子电动势 较小，定子电阻压降的影响不能忽略，必须有意抬高 而对定子电阻压降加以补偿， 才能近似维持 常值。此时采用带低频定子电阻压降补偿的恒电压频率比控制，其电压、频率关系如图中曲线所示。如果电动机在不同转速下都有额定电流，则电机能在温升允许的情况下长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。由于维持了气隙磁通恒定，电机将作恒转矩运行。,2. 基频以上调速,当运行频率超过基频 时，由于变频装置半导体元件及电机绝缘的耐压限制，电机电压不能超过额定值 ，只能维持 不变。随着运行频率的升高， 的比值下降，气隙磁通随之减小，进入弱磁控制方式。此时，电机转矩大体
