永磁同步电动机教材

《永磁同步电动机教材》由会员分享，可在线阅读，更多相关《永磁同步电动机教材（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

2、具有结构简单，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2 8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

3、此，在研究永磁电机之前，首先从设 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

4、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，

5、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

6、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 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

7、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

8、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）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

9、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

10、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

11、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。 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

12、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

13、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。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

14、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、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

15、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，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 说说明只要协调协调 地控制 、 ，即可达到控制 气隙磁通 的目的。但由于电电机绝缘绝缘 和供电电 电电源的限制，电电机运行频频率在基频频以下及基 频频以上调调速时须时须 采取不同的控制方式。 1. 基频以下调速 要保持气隙磁通 额额定不变变，必须须采用恒 电动势频电动势频 率比的控制方式，即变频过变频过 程中须须 维维持常值值。但定子电动势为电动势为 内部量，难难以 直接测测量、控制。 根据感应电应电 机定子电压电压 方程式 可知，当频率较高，电动势较大时，可忽略定 子绕组漏抗压降得 ，即只要维维持