對(duì)PM永磁電動(dòng)機(jī)的研究分析

魏 塬徐武彬劉 翌楊新亮關(guān) 洋

（1、廣西工學(xué)院機(jī)械工程系，廣西 柳州 545006；2、廣西佳力電工集團(tuán)有限公司，廣西 柳州 545005）

引言

新的磁性材料和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，使市場(chǎng)上出現(xiàn)了輸出功率范圍較廣的PM發(fā)動(dòng)機(jī)。傳統(tǒng)異步電機(jī)多為中小型感應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)，運(yùn)行時(shí)的功率系數(shù)為08-0.85，這導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度高，噪聲過(guò)大，能量消耗多，成本更高，也不利于環(huán)境。船舶電力推進(jìn)、輕軌牽引電機(jī)、地質(zhì)石油轉(zhuǎn)機(jī)等受體積限制，需要電動(dòng)機(jī)具有高功率、高轉(zhuǎn)矩密度，感應(yīng)電機(jī)遠(yuǎn)不能滿足要求。

本文介紹一種新型PM永磁電機(jī)，由于具有更高的效率和多種轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，能形成永磁場(chǎng)，調(diào)速范圍比較寬，伺服性能好，散熱能力強(qiáng)，能夠滿足特種加工的快速反應(yīng)能力、高速與超高速，精密與超精密等要求，是先進(jìn)的高效的電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化器。PM發(fā)動(dòng)機(jī)可以應(yīng)用于微電子，計(jì)算機(jī)，機(jī)器人技術(shù)，工業(yè)自動(dòng)化，重工業(yè)，國(guó)防和船舶業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域。

1.電機(jī)結(jié)構(gòu)

PM永磁發(fā)動(dòng)機(jī)可以根據(jù)永磁部分和轉(zhuǎn)子磁機(jī)構(gòu)裝配的方式，從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上分為永磁部分嵌入式轉(zhuǎn)子和永磁部分表面裝配式轉(zhuǎn)子兩種形式，如圖1所示。

圖1 PM發(fā)動(dòng)機(jī)的兩種結(jié)構(gòu)

從表面裝配的PM發(fā)動(dòng)機(jī)可以作為同步發(fā)動(dòng)機(jī)或無(wú)刷DC發(fā)動(dòng)機(jī)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)分布不可能很好地成梯形分布的，作為DC發(fā)動(dòng)機(jī)能精確控制的條件，正弦通量分布的同步PM發(fā)動(dòng)機(jī)能很好的解決這個(gè)問(wèn)題。對(duì)于較高的要求來(lái)說(shuō)可以選擇裝有嵌入磁轉(zhuǎn)子的永磁同步發(fā)動(dòng)機(jī)，相比表面裝配的同步發(fā)動(dòng)機(jī)，它具有轉(zhuǎn)力矩體積比高，損耗少，轉(zhuǎn)子慣性矩低，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)低等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)整機(jī)性能要求可以選用不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來(lái)滿足工程安裝。

2.電機(jī)效率

效率系數(shù)是指發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)軸的輸出功率或是一段時(shí)間后的輸出能量，與機(jī)器的輸入功率的比值。通常發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率總是低于其負(fù)載功率的。損失的功率的部分被用于機(jī)械振動(dòng)副作用及機(jī)器中磁性的損失。

PM永磁發(fā)動(dòng)機(jī)由電驅(qū)動(dòng)控制的功率系數(shù)通常為1，當(dāng)應(yīng)用的是純正弦相電壓時(shí)通常是高于0.93-0.98的，與感應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)和繞線磁極式電動(dòng)機(jī)相比，具有高效的特點(diǎn)，如圖2所示。同時(shí)轉(zhuǎn)子損耗非常低，而且在促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的定子中完成幾乎所有的發(fā)熱。

圖2 不同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)效率比較

3.調(diào)速范圍

為了激勵(lì)轉(zhuǎn)子感應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)需要將能量從定子繞組轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)子籠,產(chǎn)生促使旋轉(zhuǎn)定子磁場(chǎng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)力矩的磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子能產(chǎn)生的損耗通常使發(fā)動(dòng)機(jī)的效率降低。

同步繞線磁極式發(fā)動(dòng)機(jī)通常會(huì)因定子激勵(lì)繞組中的能量損失而使整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率下降，而我們需要用電流來(lái)產(chǎn)生形成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的磁場(chǎng)。與感應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)那樣需要將激發(fā)能從定子轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子和同步繞線磁極式發(fā)動(dòng)機(jī)那樣要使用一個(gè)獨(dú)立的能源來(lái)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)不同,PM機(jī)的轉(zhuǎn)子形成永磁場(chǎng),不需要使用任何外加的能源或傳輸途徑。

發(fā)動(dòng)機(jī)額定動(dòng)力用于電動(dòng)機(jī)最大負(fù)載,但是這并不意味著電機(jī)總是在以總功率在運(yùn)行.在速率控制系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)效率經(jīng)常不是在轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的,這也是驅(qū)動(dòng)器經(jīng)常發(fā)生的情況。在非常低速度的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)效率相應(yīng)變得非常低.在此應(yīng)用領(lǐng)域，PM發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍明顯高于上述兩種型號(hào)，具有良好技術(shù)特性。

4.能量損耗

PM發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)轉(zhuǎn)子不需要能量驅(qū)動(dòng),沒(méi)有損耗。對(duì)每一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō),冷卻系統(tǒng)是很重要的一部分,良好的冷卻系統(tǒng)意味著發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量更好,每一種實(shí)用的機(jī)器必須要永久地冷卻,因?yàn)闄C(jī)器中的損失產(chǎn)生的能量損耗必須排放出來(lái)以防止機(jī)器過(guò)熱,而機(jī)器過(guò)熱對(duì)其本身和其他零部件是很危險(xiǎn)的。

圖3 冷卻系統(tǒng)

普通機(jī)器的電磁的損失可能發(fā)生于轉(zhuǎn)子和定子處。對(duì)于實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器來(lái)說(shuō)，幾乎所有的電磁損失都產(chǎn)生于定子處。定子是作為發(fā)動(dòng)機(jī)外部的一部分，這一部分很容易由自然輻射，一般用通風(fēng)設(shè)備和液體進(jìn)行冷卻。因?yàn)檎β室驍?shù)的關(guān)系，在轉(zhuǎn)子電路僅存在微小的電渦流，PM發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子處幾乎沒(méi)有損耗-轉(zhuǎn)子的電流，最大的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有轉(zhuǎn)子定子的機(jī)械結(jié)構(gòu)外冷卻系統(tǒng)滿足散熱需要，如圖3所示。

結(jié)論

介紹一種新型具有更高的效率和多種轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的PM永磁電機(jī)，能形成永磁場(chǎng)，分為表面裝配和嵌入式轉(zhuǎn)子兩種形式，既能提高功率因數(shù)，又能低速直接驅(qū)動(dòng)，可滿足高功率密度和轉(zhuǎn)矩密度要求，調(diào)速范圍寬，伺服性能良好，激勵(lì)轉(zhuǎn)子無(wú)需能量驅(qū)動(dòng)，能在較大的速度變動(dòng)范圍內(nèi)保持高效運(yùn)行。具有重量輕、體積小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方便，能迅速得到工業(yè)領(lǐng)域中得到推廣。

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