對PM永磁電動機的研究分析

魏 塬徐武彬劉 翌楊新亮關 洋

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

引言

新的磁性材料和生產技術的發展，使市場上出現了輸出功率范圍較廣的PM發動機。傳統異步電機多為中小型感應發動機，運行時的功率系數為08-0.85，這導致了發動機的溫度高，噪聲過大，能量消耗多，成本更高，也不利于環境。船舶電力推進、輕軌牽引電機、地質石油轉機等受體積限制，需要電動機具有高功率、高轉矩密度，感應電機遠不能滿足要求。

本文介紹一種新型PM永磁電機，由于具有更高的效率和多種轉子設計，能形成永磁場，調速范圍比較寬，伺服性能好，散熱能力強，能夠滿足特種加工的快速反應能力、高速與超高速，精密與超精密等要求，是先進的高效的電能向機械能的轉化器。PM發動機可以應用于微電子，計算機，機器人技術，工業自動化，重工業，國防和船舶業等工業領域。

1.電機結構

PM永磁發動機可以根據永磁部分和轉子磁機構裝配的方式，從轉子結構上分為永磁部分嵌入式轉子和永磁部分表面裝配式轉子兩種形式，如圖1所示。

圖1 PM發動機的兩種結構

從表面裝配的PM發動機可以作為同步發動機或無刷DC發動機。由于發動機的磁場分布不可能很好地成梯形分布的，作為DC發動機能精確控制的條件，正弦通量分布的同步PM發動機能很好的解決這個問題。對于較高的要求來說可以選擇裝有嵌入磁轉子的永磁同步發動機，相比表面裝配的同步發動機，它具有轉力矩體積比高，損耗少，轉子慣性矩低，轉矩脈動低等優點。根據整機性能要求可以選用不同的轉子結構來滿足工程安裝。

2.電機效率

效率系數是指發動機對軸的輸出功率或是一段時間后的輸出能量，與機器的輸入功率的比值。通常發動機的輸出功率總是低于其負載功率的。損失的功率的部分被用于機械振動副作用及機器中磁性的損失。

PM永磁發動機由電驅動控制的功率系數通常為1，當應用的是純正弦相電壓時通常是高于0.93-0.98的，與感應發動機和繞線磁極式電動機相比，具有高效的特點，如圖2所示。同時轉子損耗非常低，而且在促進發動機冷卻系統的定子中完成幾乎所有的發熱。

圖2 不同型號發動機效率比較

3.調速范圍

為了激勵轉子感應發動機需要將能量從定子繞組轉移到轉子籠,產生促使旋轉定子磁場產生轉力矩的磁場。轉子能產生的損耗通常使發動機的效率降低。

同步繞線磁極式發動機通常會因定子激勵繞組中的能量損失而使整個發動機的效率下降，而我們需要用電流來產生形成電動機轉矩的磁場。與感應發動機那樣需要將激發能從定子轉到轉子和同步繞線磁極式發動機那樣要使用一個獨立的能源來產生轉子磁場不同,PM機的轉子形成永磁場,不需要使用任何外加的能源或傳輸途徑。

發動機額定動力用于電動機最大負載,但是這并不意味著電機總是在以總功率在運行.在速率控制系統中發動機效率經常不是在轉軸的轉速范圍內的,這也是驅動器經常發生的情況。在非常低速度的情況下，發動機效率相應變得非常低.在此應用領域，PM發動機的調速范圍明顯高于上述兩種型號，具有良好技術特性。

4.能量損耗

PM發動機激勵轉子不需要能量驅動,沒有損耗。對每一個發動機來說,冷卻系統是很重要的一部分,良好的冷卻系統意味著發動機質量更好,每一種實用的機器必須要永久地冷卻,因為機器中的損失產生的能量損耗必須排放出來以防止機器過熱,而機器過熱對其本身和其他零部件是很危險的。

圖3 冷卻系統

普通機器的電磁的損失可能發生于轉子和定子處。對于實際運轉的機器來說，幾乎所有的電磁損失都產生于定子處。定子是作為發動機外部的一部分，這一部分很容易由自然輻射，一般用通風設備和液體進行冷卻。因為整功率因數的關系，在轉子電路僅存在微小的電渦流，PM發動機在轉子處幾乎沒有損耗-轉子的電流，最大的優點是沒有轉子定子的機械結構外冷卻系統滿足散熱需要，如圖3所示。

結論

介紹一種新型具有更高的效率和多種轉子設計的PM永磁電機，能形成永磁場，分為表面裝配和嵌入式轉子兩種形式，既能提高功率因數，又能低速直接驅動，可滿足高功率密度和轉矩密度要求，調速范圍寬，伺服性能良好，激勵轉子無需能量驅動，能在較大的速度變動范圍內保持高效運行。具有重量輕、體積小、轉動慣量小，現場應用方便，能迅速得到工業領域中得到推廣。

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