详解:永磁同步电机原理、特点以及应用

电机对于工农业来说至关重要,本文将会对电机的定义、分类、电机驱动的分类进行简介,并详细介绍永磁同步电机的原理、特点以及应用。

电机的定义

所谓电机,顾名思义,就是将电能与机械能相互转换的一种电力元器件。当电能被转换成机械能时,电机表现出电动机的工作特性;当电能被转换成机械能时,电机表现出发电机的工作特性。电机主要由转子,定子绕组,转速传感器以及外壳,冷却等零部件组成。

电机的分类

按结构和工作原理划分:直流电动机、异步电动机、同步电动机。 按工作电源种类划分:可分为直流电机和交流电机。 交流电机还可分:单相电机和三相电机。 直流电动机按结构及工作原理可划分:无刷直流电动机和有刷直流电动机。 有刷直流电动机可划分:永磁直流电动机和电磁直流电动机。

电磁直流电动机划分:串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。

永磁直流电动机划分:稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。

按结构和工作原理划分:可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。 同步电机可划分:永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。 异步电机可划分:感应电动机和交流换向器电动机。

感应电动机可划分:三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。 交流换向器电动机可划分:单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。 按起动与运行方式划分:电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。 按用途划分:驱动用电动机和控制用电动机。

永磁同步电机

所谓永磁,指的是在制造电机转子时加入永磁体,使电机的性能得到进一步的提升。而所谓同步,则指的是转子的转速与定子绕组的电流频率始终保持一致。因此,通过控制电机的定子绕组输入电流频率,电动汽车的车速将最终被控制。而如何调节电流频率,则是电控部分所要解决的问题。

永磁同步电动机的特点

永磁电动机具有较高的功率/质量比,体积更小,质量更轻,比其他类型电动机的输出转矩更大,电动机的极限转速和制动性能也比较优异,因此永磁同步电动机已成为现今电动汽车应用最多的电动机。但永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时,其导磁性能可能会下降,或发生退磁现象,有可能降低永磁电动机的性能。另外,稀土式永磁同步电动机要用到稀土材料,制造成本不太稳定

永磁同步电机与异步电机

除了永磁同步电机,异步电机也因特斯拉的使用而被广泛关注。与同步电机相比起来,电机转子的转速总是小于旋转磁场(由定子绕组电流产生)的转速。因此,转子看起来与定子绕组的电流频率总是“不一致”,这也是其为什么叫异步电机的原因。

相比于永磁同步电机,异步电机的优点是成本低,工艺简单;当然其缺点就是其功率密度与转矩密度要低于永磁同步电机。而特斯拉ModelS为何选用异步电机而不是永磁同步电机,除了控制成本这个主要原因之外,较大的ModelS车体能够有足够空间放的下相对大一点的异步电机,也是一个很重要的因素。

永磁同步电动机怎样产生动力?

在交流异步电动机中,转子磁场的形成要分两步走:第一步是定子旋转磁场先在转子绕组中感应出电流;第二步是感应电流再产生转子磁场。在楞次定律的作用下,转子跟随定子旋转磁场转动,但又“永远追不上”,因此才称其为异步电动机。如果转子绕组中的电流不是由定子旋转磁场感应的,而是自己产生的,则转子磁场与定子旋转磁场无关,而且其磁极方向是固定的,那么根据同性相斥、异性相吸的原理,定子的旋转磁场就会拉动转子旋转,并且使转子磁场及转子与定子旋转磁场“同步”旋转。这就是同步电动机的工作原理。

根据转子自生磁场产生方式的不同,又可以将同步电动机分为两种:

一是将转子绕组通上外接直流电(励磁电流),然后由励磁电流产生转子磁场,进而使转子与定子磁场同步旋转。这种由励磁电流产生转子磁场的同步电动机称为励磁同步电动机。

二是干脆在转子上嵌上永久磁体,直接产生磁场,省去了励磁电流或感应电流的环节。这种由永久磁体产生转子磁场的同步电动机,就称为永磁同步电动机。

以下是通用汽车和奥迪的永磁同步电动机的构造:

永磁同步电机的应用

永磁同步电机逐渐在工农业中广泛应用,近十多年来,由于新技术,新工艺和新器件的涌现和使用,使得永磁同步电机的励磁方式得到了不断的发展和完善。在自动调节励磁装置方面,也不断研制和推广使用了许多新型的调节装置。目前很多国家都在研制和试验用微型机计算机配以相应的外部设备构成的数字自动调节励磁装置,这种调节装置将能实现自适应最佳调节。

永磁同步电机在工农业生产中大量的生产机械要求连续地以大致不变的速度单方向运行,例如风机、泵、压缩机、普通机床等。永磁同步电机成本较低,结构简单牢靠,维修方便,很适合该类机械的驱动。

当然,凭借永磁同步电机自身的优势,广大新能源汽车制造商首选永磁同步电机,在电梯中也得到了广泛的应用。

电机驱动的分类

按照不同的工农业生产机械的要求,电机驱动又分为定速驱动、调速驱动和精密控制驱动三类。

1、 定速驱动工农业生产中有大量的生产机械要求连续地以大致不变的速度单方向运行,例如风机、泵、压缩机、普通机床等。对这类机械以往大多采用三相或单相异步电动机来驱动。异步电动机成本较低,结构简单牢靠,维修方便,很适合该类机械的驱动。但是,异步电动机效率、功率因数低、损耗大,而该类电机使用面广量大,故有大量的电能在使用中被浪费了。其次,工农业中大量使用的风机、水泵往往亦需要调节其流量,通常是通过调节风门、阀来完成的,这其中又浪费了大量的电能。70年代起,人们用变频器调节风机、水泵中异步电动机转速来调节它们的流量,取得可观的节能效果,但变频器的成本又限制了它的使用,而且异步电动机本身的低效率依然存在。

2、 调速驱动有相当多的工作机械,其运行速度需要任意设定和调节,但速度控制精度要求并不非常高。这类驱动系统在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆中有大量应用。在这类调速应用领域最初用的最多的是直流电动机调速系统,70年代后随电力电子技术和控制技术的发展,异步电动机的变频调速迅速渗透到原来的直流调速系统的应用领域。这是因为一方面异步电动机变频调速系统的性能价格完全可与直流调速系统相媲美,另一方面异步电动机与直流电动机相比有着制造工艺简单、效率高、同功率电机用铜量少、维护保养方便等优点。故异步电动机变频调速在许多场合迅速取代了直流调速系统。

3、 精密控制驱动

① 高精度的伺服控制系统伺服电动机在工业自动化领域的运行控制中扮演了十分重要的角色,应用场合的不同对伺服电动机的控制性能要求也不尽相同。实际应用中,伺服电动机有各种不同的控制方式,例如转矩控制/电流控制、速度控制、位置控制等。伺服电动机系统也经历了直流伺服系统、交流伺服系统、步进电机驱动系统,直至近年来最为引人注目的永磁电动机交流伺服系统。最近几年进口的各类自动化设备、自动加工装置和机器人等绝大多数都采用永磁同步电动机的交流伺服系统。

② 信息技术中的永磁同步电动机当今信息技术高度发展,各种计算机外设和办公自动化设备也随之高度发展,与其配套的关键部件微电机需求量大,精度和性能要求也越来越高。对这类微电机的要求是小型化、薄形化、高速、长寿命、高可靠、低噪声和低振动,精度要求更是特别高。例如,硬盘驱动器用主轴驱动电机是永磁无刷直流电动机,它以近10000rpm的高速带动盘片旋转,盘片上执行数据读写功能的磁头在离盘片表面只有0.1~0.3微米处作悬浮运动,其精度要求之高可想而知了。信息技术中各种设备如打印机、软硬盘驱动器、光盘驱动、传真机、复印机等中所使用的驱动电机绝大多数是永磁无刷直流电动机。受技术水平限制,这类微电机目前国内还不能自己制造,有部分产品在国内组装。

原文发布于微信公众号 - 机器人网(robot_globalsources)

原文发表时间:2017-11-22

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